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文檔簡介
2023/9/2提綱1提綱1、概述2、多極點系統(tǒng)3、相位裕度4、頻率補償5、兩級運放的補償2023/9/2概述21、概述反饋系統(tǒng)存在潛在不穩(wěn)定性振蕩條件(巴克豪森判據(jù))1、在ω1下,圍繞環(huán)路的相移能大到使反饋變?yōu)檎答?、環(huán)路增益足以使信號建立2023/9/2概述3增益交點相位交點在一般反饋電路的處理中,β小于或等于1,且與頻率無關(guān);當(dāng)β<1,幅值曲線會下移,增益交叉點會向原點方向移動,系統(tǒng)更易穩(wěn)定。因此,常分析βH=H(β=1)的相位圖和幅值圖。2023/9/2概述4波特(Bode)圖1、在每個零點頻率處,幅值曲線的斜率按20dB/dec變化;在每個極點頻率處,其斜率按-20dB/dec變化。2、對一個在左半平面的極點(零點)頻率ωm
,相位約在0.1ωm處開始下降(上升),在ωm處經(jīng)歷-45°(+45)的變化,在大約10ωm處達(dá)到-90°(+90°)的變化。右半平面的情況,反之。右半平面的零點對反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加有害,因為它提高增益,但延遲相位。2023/9/2概述5極點位置與穩(wěn)定性的關(guān)系每個極點頻率表示為sp=jωP
+σp,沖擊響應(yīng)包含exp(jωP
+σP),如圖具有位于右半平面的極點的反饋放大器是不穩(wěn)定的;2023/9/2概述6單極點系統(tǒng)單極點系統(tǒng)是穩(wěn)定的。2023/9/2多極點系統(tǒng)72、多極點系統(tǒng)兩極點系統(tǒng)兩極點系統(tǒng)是穩(wěn)定的,但裕度不大。2023/9/2多極點系統(tǒng)8三極點系統(tǒng)三極點系統(tǒng)可能是不穩(wěn)定的?!赂郊拥臉O點(和零點)對相位的影響比對幅值的影響更大。2023/9/2相位裕度93、相位裕度穩(wěn)定的邊緣情況例如,在GX處,相位=-175°得到相位裕度(PM):定義為
PM=180°+∠βH(ω=ω1)其中,ω1為增益交點頻率2023/9/2相位裕度10相位裕度對反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響當(dāng)PM=45°時,當(dāng)PM=60°時,當(dāng)PM=90°時,2023/9/2頻率補償114、頻率補償增大PM的方法減少極點數(shù),PX往外推減小帶寬,GX往里推2023/9/2頻率補償12單級運放的頻率補償以右圖的電流鏡作負(fù)載的差動共源共柵運放為例,估計極點:Out,A,N,X(Y)2023/9/2頻率補償13單級運放的頻率補償(續(xù))Bode圖,β=12023/9/2頻率補償14單級運放的頻率補償(續(xù))方法:增加負(fù)載電容,即調(diào)整主極點避免鏡像極點第一非主極點,必須離原點盡量遠(yuǎn)(大于等于GB)2023/9/2頻率補償15單級運放的頻率補償(續(xù))↑Rout→AV↑,雖然ωp,out=(RoutCL)-1降低,由于不影響GX和PX,因此,增大Rout并不能對運放進(jìn)行補償2023/9/2頻率補償16單級運放的頻率補償(續(xù))全差動套筒式運放:沒有鏡像極點包含一個主極點(輸出極點)和一個非主極點(X或Y)PMOS的共源共柵中的極點(N或K)可以和輸出極點合并穩(wěn)定2023/9/2兩級運放的補償175、兩級運放的補償極點分析增加一級放大器,至少增加一個極點X(Y),E(F),A(B)兩個主極點:E(F),A(B),均靠近原點不穩(wěn)定,需要補償2023/9/2兩級運放的補償18密勒補償增加密勒電容以一個中等電容建立一個低頻極點形成“極點分裂”效應(yīng)當(dāng)CL>
CC>>CE(gmII=gm9)(millerpole)(outputpole)可以計算得到(補償前(Cc=0):)2023/9/2兩級運放的補償19密勒補償(續(xù))密勒補償中,零點的影響不可忽略右平面的零點減緩增益的下降(增益交點外推),延遲相位(相位交點向原點移動)考慮零點的影響,CC的選?。篜M=60°時,GB處若PM>60°,p2>2.2GB
,并由
z=10GB令
z=10GB時2023/9/2兩級運放的補償20密勒補償(續(xù))消除密勒補償中零點的方法增加與補償電容串聯(lián)的電阻切斷補償電容的前饋通路將零點移到右平面無窮遠(yuǎn)處,或者左平面并抵消第一非主極點AV=1,Rout=1/gm2
CCAv=-gmIIR22023/9/2兩級運放的補償21帶補償?shù)膬杉夁\放的轉(zhuǎn)換正轉(zhuǎn)換速率(紅色),當(dāng)I1≥ISS負(fù)轉(zhuǎn)換速率(青色),當(dāng)I1≥
ISS當(dāng)I1<ISS當(dāng)I1<ISS2023/9/222小結(jié)反饋系統(tǒng)存在潛在不穩(wěn)定性單極點系統(tǒng)是穩(wěn)定的雙極點系統(tǒng)是穩(wěn)定的,但相位裕度不大三極點(以上)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,需要相位補償相位裕度PM=60deg,可以兼顧穩(wěn)定性和瞬態(tài)反應(yīng)速度補償方法:減少極點數(shù)減小帶寬密勒補償:需要考慮RHZ2023/9/2二級運放設(shè)計實例23二級運放設(shè)計實例(optional)約束條件電源電壓工藝溫度設(shè)計描述小信號增益頻率響應(yīng),增益帶寬積GB相位裕度PM輸入共模范圍(ICMR)輸出擺幅轉(zhuǎn)換速率功耗負(fù)載電容CL2023/9/2二級運放設(shè)計實例24關(guān)系方程60degPM要求
p2>2.2GB
,
else>10GB2023/9/2二級運放設(shè)計實例25設(shè)計步驟0.確定正確的電路偏置,保證所有晶體管處于飽和區(qū)。為保證良好的電流鏡,并確保M4處于飽和區(qū)(Sx=Wx/Lx)I6=I72023/9/2二級運放設(shè)計實例26設(shè)計步驟(續(xù))1.根據(jù)需要的PM=60deg求Cc(假定
z>10GB)2.由已知的Cc并根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的要求(或功耗要求)選擇ISS(I5)的范圍;3.由計算得到的電流偏置值(I5/2),設(shè)計W3/L3(W4/L4
)滿足上ICMR(或輸出擺幅)要求,即飽和區(qū)條件;4.驗證M3處鏡像極點是否大于10GB5.設(shè)計W1/L1(W2/L2
)滿足GB的要求6.設(shè)計W5/L5滿足下ICMR(或輸出擺幅)要求;2023/9/2二級運放設(shè)計實例27設(shè)計步驟(續(xù))7.根據(jù)
p2>2.2GB
計算得到gm6;并且根據(jù)偏置條件VSG4=VSG6計算得到M6的尺寸8.根據(jù)尺寸和
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