反饋環(huán)路分析

反饋環(huán)路分析提要反饋的作用及基本特性穩(wěn)定性判據(jù)反饋環(huán)路的ReturnRatio分析法環(huán)路增益的Hspice仿真方法反饋的作用及基本特性工藝、電壓、溫度（PVT）變化IC設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任：PVT變化時(shí)，電路仍然能夠正常工作工藝：Lot-to-lot、wafer-to-wafer、die-to-die工藝corner：SS、FF、typical、FS、SF電壓：VDD±10％溫度：民品（0～70度），軍品（－40～125度）PVT的典型變化值PVT變化的影響PVT變化時(shí)，依賴于絕對(duì)元器件參數(shù)值的電路性能參量將發(fā)生大的變化克服方法：余量設(shè)計(jì)法：電路按照最壞情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得電路性能在最壞情況下依然滿足要求電路性能不是最優(yōu)的：如帶寬的余量設(shè)計(jì)將增大功耗負(fù)反饋：電路要求某一性能參量必須為某一確定的常數(shù)（如要求電路的增益為某一常數(shù)）gmRL、gmro會(huì)受PVT變化的影響利用負(fù)反饋來降低電路性能對(duì)PVT變化的靈敏度負(fù)反饋由HaroldS.Black于1927年提出反饋放大器的組成：基本（前饋）放大器反饋網(wǎng)絡(luò)：常為線性無源元件（f一般為常數(shù)，與頻率無關(guān)）感知輸出的機(jī)制產(chǎn)生反饋誤差的機(jī)制Si、So是輸入和輸出信號(hào)（電壓或電流）閉環(huán)增益（閉環(huán)傳輸函數(shù)）環(huán)路增益反饋誤差信號(hào)：很小，基本放大器的輸入是一個(gè)虛地點(diǎn)反饋信號(hào)：輸入信號(hào)的拷貝計(jì)算環(huán)路增益負(fù)反饋的基本特性閉環(huán)增益只要環(huán)路增益足夠大，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的增益由反饋網(wǎng)絡(luò)決定由于So/Si~1/f，為實(shí)現(xiàn)放大，常令f≤1f≤1是容易實(shí)現(xiàn)的直接相連（f=1)或電阻/電容分壓器負(fù)反饋的作用（1）：

－－－－降低增益的靈敏度基本放大器的增益會(huì)由于溫度、電源電壓、器件老化等的影響而出現(xiàn)變化負(fù)反饋可以降低各種變化對(duì)增益的影響，得到具有穩(wěn)定增益的放大器增益靈敏度降低的程度近似與環(huán)路增益成反比微分化簡例子基本放大器的增益發(fā)生10倍的變化，而整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的增益僅變化1.8%作用（2）：提高線性度失真：基本放大器增益（傳輸函數(shù)的斜率）隨信號(hào)的變化而變化引起的降低增益的變化反饋對(duì)硬限幅沒有改善作用負(fù)反饋?zhàn)饔茫?）：擴(kuò)展帶寬基本放大器的傳輸函數(shù)應(yīng)用負(fù)反饋后f與頻率無關(guān)則-3dB帶寬擴(kuò)展（1＋T0）倍對(duì)于單極點(diǎn)系統(tǒng)，增益帶寬積保持不變負(fù)反饋的其它作用反饋可以改變輸入、輸出阻抗缺點(diǎn)：增益下降：增加額外放大級(jí)（硬件和功耗開銷）穩(wěn)定性問題穩(wěn)定性判據(jù)：f為常數(shù)（【0，1】）通用穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定性的通用判據(jù)：BIBOBoundedinput—Boundedoutput適用于任何系統(tǒng)如果一個(gè)連續(xù)時(shí)間線性系統(tǒng)的所有極點(diǎn)都位于左半平面，則該系統(tǒng)滿足BIBO條件檢查閉環(huán)傳輸函數(shù)分母部分的根是否位于左半平面比較復(fù)雜其它穩(wěn)定性判據(jù)Nyquist判據(jù)判斷依據(jù)：基于極坐標(biāo)圖上的T(s)軌跡對(duì)任何T(s)都適用（即使T(s)本身是不穩(wěn)定的，Nyquist判據(jù)也照樣適用）參見“控制理論”的有關(guān)書籍波特圖判據(jù)Nyquist判據(jù)的一個(gè)子集（要求T(s)本身穩(wěn)定）可以用來判斷絕大多數(shù)電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能會(huì)有例外反饋放大器的穩(wěn)定性考慮如果某一頻率下環(huán)路增益T=-1，閉環(huán)增益將為無窮大，放大外部噪聲而在該頻率產(chǎn)生振蕩如果某一頻率下環(huán)路增益T<-1，沿整個(gè)環(huán)路的增益將大于1，放大內(nèi)部噪聲，信號(hào)幅度一直增加，直到放大器因非線性而飽和，使T=-1，產(chǎn)生等幅振蕩反饋放大器產(chǎn)生振蕩的條件某一頻率下，環(huán)路增益的相移為180o（正反饋）該頻率下的環(huán)路增益大于等于1GXPXf減小，環(huán)路增益T的相移曲線不變，而幅度（dB）減去一個(gè)常數(shù)，曲線整體向下移動(dòng)，導(dǎo)致GX向零點(diǎn)移動(dòng)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，因此f＝1時(shí)（單位增益反饋放大器），系統(tǒng)穩(wěn)定性最差反饋放大器的穩(wěn)定性條件GX對(duì)應(yīng)的頻率小于PX對(duì)應(yīng)的頻率GXPX單極點(diǎn)系統(tǒng)單極點(diǎn)系統(tǒng)是無條件穩(wěn)定的雙極點(diǎn)系統(tǒng)雙極點(diǎn)系統(tǒng)是穩(wěn)定的f減小，GX向零點(diǎn)移動(dòng)，PX保持不變，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，因此f＝1時(shí)（單位增益反饋放大器），系統(tǒng)穩(wěn)定性最差三極點(diǎn)系統(tǒng)三極點(diǎn)系統(tǒng)可能是不穩(wěn)定的f減小，GX向零點(diǎn)移動(dòng)，PX保持不變，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，因此f＝1時(shí)（單位增益反饋放大器），系統(tǒng)穩(wěn)定性最差相位裕度盡管系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但可能會(huì)產(chǎn)生欠阻尼型振蕩相位裕度定義：相位裕度大于0，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的相位裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定相位裕度為多少才足夠？PM＝45oPM＝60oPM＝90o相位裕度使用范圍適用于處理小信號(hào)的電路不能用于判斷大信號(hào)電路的穩(wěn)定性壓擺率限制非線性SPICE仿真：AC分析：PM＝65o，增益帶寬積為165MHz瞬態(tài)分析：出現(xiàn)紋波反饋環(huán)路的ReturnRatio分析法AmplifierwithCa