放大電路的頻率特性ppt課件

1、系統(tǒng)的穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置在時(shí)域看，如果一個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，隨時(shí)間的增加趨于無窮大，不穩(wěn)定趨于零，穩(wěn)定趨于有限值，臨界在復(fù)頻域看，觀察系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)全部位于左半平面，穩(wěn)定至少一個(gè)位于右半平面，或二階以上極點(diǎn)位于虛軸 上，不穩(wěn)定 一階極點(diǎn)位于虛軸上，臨界穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置不穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置臨界系統(tǒng)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置零點(diǎn)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置系統(tǒng)函數(shù)中的零點(diǎn)，只影響時(shí)域函數(shù)的幅度和相位，不影響時(shí)域波形的形式系統(tǒng)函數(shù)中的零點(diǎn)，只影響時(shí)域函數(shù)的幅度和相位，不影響時(shí)域波形的形式多個(gè)負(fù)實(shí)極點(diǎn)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置主極點(diǎn)決定系統(tǒng)帶寬找到放大電路中的高電阻阻抗節(jié)點(diǎn)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)上的電容往

2、往決定了整個(gè)放大器的帶寬 找到每個(gè)電容兩端的開路電阻，開路電阻最大的那個(gè)電容決定帶寬多個(gè)負(fù)實(shí)極點(diǎn)頻率特性穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置優(yōu)良性能的低通網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置什么樣的低通網(wǎng)絡(luò)才算性能優(yōu)良？通帶內(nèi)幅度為常數(shù)相位為直線群延時(shí)為常數(shù)優(yōu)良性能的低通網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與零極點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的低通網(wǎng)絡(luò)n在通帶內(nèi)幅度盡量的平n希望通帶內(nèi)信號(hào)到達(dá)輸出端后，各頻率分量的幅度比例關(guān)系不變n幅度最大平坦逼近：巴特沃思n在通帶內(nèi)群延時(shí)特性盡量的平n希望通帶內(nèi)信號(hào)能夠同時(shí)到達(dá)輸出端n群延時(shí)最大平坦逼近：貝塞爾共源極頻率特性基本電路的頻率特性可能產(chǎn)生極點(diǎn)共源極頻率特性基本電路的頻率特性密勒定理如果圖a電路可以轉(zhuǎn)換為圖b電路，則有共

3、源極頻率特性基本電路的頻率特性放大器性能評(píng)價(jià)FOM: Figure of Merit: 質(zhì)量因數(shù)，價(jià)值FOM越大越好，闡明：用盡量小的電流ID獲得盡量大的增益帶寬積GBW，并能夠驅(qū)動(dòng)足夠大的電容負(fù)載CL共源極共源極頻率特性基本電路的頻率特性零點(diǎn)零點(diǎn)的產(chǎn)生是由于信號(hào)有兩個(gè)路徂可由輸入端到達(dá)輸出端兩個(gè)路徂中，一個(gè)通過電容耦合，另一個(gè)不通過電容零點(diǎn)出現(xiàn)在右半平面，原因在于兩個(gè)路徂的信號(hào)到達(dá)輸出端后相位相反右半平面零點(diǎn)影響系統(tǒng)的相位裕度共源共柵頻率特性基本電路的頻率特性注意第二極點(diǎn)位置差分對(duì)的頻率特性基本電路的頻率特性差分對(duì)的頻率特性基本電路的頻率特性極零點(diǎn)差分對(duì)的頻率特性基本電路的頻率特性零極偶對(duì)差

4、分電壓放大器基本電路的頻率特性單邊小信號(hào)分析電壓放大器的高頻特性很大程度上取決于負(fù)載電容大小由于存在密勒倍增效應(yīng)，3dB帶寬可能嚴(yán)重受限穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)運(yùn)算放大器閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析極點(diǎn)配置方案及其對(duì)應(yīng)的相位裕度反饋與穩(wěn)定性穩(wěn)定性分析運(yùn)算放大器通常以負(fù)反饋的形式獲得穩(wěn)定的、可控的線性放大增益 要求在負(fù)反饋應(yīng)用的所有情況下，運(yùn)算放大器都應(yīng)該是穩(wěn)定的 應(yīng)用情況：單位增益負(fù)反饋是最大的負(fù)反饋應(yīng)用情況 這里的穩(wěn)定不僅是指系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)指系統(tǒng)應(yīng)具有良好的行為特性 希望反饋系統(tǒng)具有頻域最佳響應(yīng)或時(shí)域最佳響應(yīng)，這就對(duì)運(yùn)算放大器的相位裕度提出了一定要求 如果在單位增益負(fù)反饋情況下運(yùn)放都

5、是穩(wěn)定的，則認(rèn)為運(yùn)放是穩(wěn)定的負(fù)反饋穩(wěn)定性分析穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定性分析n 一個(gè)反饋系統(tǒng)如果同時(shí)滿足如下兩個(gè)條件，則系統(tǒng)為不穩(wěn)定的，在某個(gè)頻率點(diǎn)上將產(chǎn)生振蕩n 在該頻率點(diǎn)上，反饋環(huán)路的相移大到使得反饋?zhàn)兓癁檎答乶 正反饋時(shí)，增益足夠高，使得信號(hào)可以建立閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定與非穩(wěn)定反饋與穩(wěn)定性閉環(huán)系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)在右半平面閉環(huán)系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)在左半平面穩(wěn)定非穩(wěn)定零點(diǎn)的影響反饋與穩(wěn)定性從相位的角度看，右半平面零點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)極點(diǎn)的作用，使得相移多增加了一個(gè)90度原系統(tǒng)函數(shù)中的右半平面零點(diǎn)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響比一個(gè)極點(diǎn)要惡劣，要重點(diǎn)考慮之！左零右零穩(wěn)定性的基本結(jié)論反饋與穩(wěn)定性n如果環(huán)路增益是單極點(diǎn)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)一定

6、是穩(wěn)定的：相移 90度n如果環(huán)路增益是兩極點(diǎn)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的：相移 180度n如果環(huán)路增益是兩極點(diǎn)一零點(diǎn)系統(tǒng)n 如果零點(diǎn)在左半平面，則閉環(huán)系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的：相移180度n 如果零點(diǎn)在右半平面，則閉環(huán)系統(tǒng)有可能是不穩(wěn)定的：相移270度n如果環(huán)路增益是三極點(diǎn)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)可能是不穩(wěn)定的：相移270度n 閉環(huán)增益有過量增益或過量相位時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)將會(huì)跑到右半平面去，系統(tǒng)不穩(wěn)定！穩(wěn)定性分析反饋與穩(wěn)定性穩(wěn)定性分析反饋與穩(wěn)定性單極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性單極點(diǎn)運(yùn)放閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)始終位于左半平面環(huán)路增益LG(=AF)的相位90度閉環(huán)系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的單極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性增益帶寬積增益每下降2

7、0dB，帶寬就增加10倍，這兩者之間是簡單的互換關(guān)系增益帶寬積始終不變兩極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性兩極點(diǎn)運(yùn)放閉環(huán)反饋系統(tǒng)的極點(diǎn)始終在左半平面 環(huán)路增益LG(=AF)的相位180度系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的穩(wěn)定就夠了嗎？ 兩極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性較小的反饋兩極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性較小的反饋猶如單極點(diǎn)系統(tǒng)，10倍增益下降換來10倍帶寬增加兩極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性較大的反饋兩個(gè)極點(diǎn)重合兩極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性過大的反饋100倍的增益下降只能換來10倍的帶寬增加，且幅頻特性出現(xiàn)過沖量兩極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性單位反饋單位增益，過沖量為極點(diǎn)配置方案反饋與穩(wěn)定性第二個(gè)極點(diǎn)至少應(yīng)該在增益帶寬積之外！極點(diǎn)配置方案反饋與穩(wěn)定性在單位反饋條

8、件下，若要兩極點(diǎn)運(yùn)算放大器有較好的時(shí)域/頻域性能，那么第二個(gè)極點(diǎn)非主極點(diǎn)應(yīng)該是增益帶寬積的： 2倍：單位反饋運(yùn)放具有幅度最大平坦特性 QF=0.707 3倍：單位反饋運(yùn)放具有群延時(shí)最大平坦特性 QF=0.577 4倍以上：單位反饋運(yùn)放沒有復(fù)數(shù)極點(diǎn) QF0.5通用運(yùn)放與專用放大器的設(shè)計(jì)區(qū)別？極點(diǎn)配置方案反饋與穩(wěn)定性特性假設(shè)增益帶寬積恒定1rad/s）相位裕量反饋與穩(wěn)定性相位裕量反饋與穩(wěn)定性兩極點(diǎn)運(yùn)放的相位裕量一般取45-72度三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性三極點(diǎn)運(yùn)放閉環(huán)反饋有可能不穩(wěn)定環(huán)路增益LG如果有過量增益或過量相位，則對(duì)應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)可能跑到右半平面要想獲得較佳的時(shí)域或頻域特性，必須妥善安排

9、極點(diǎn)之位置三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性第二、三極點(diǎn)應(yīng)該在GBW之外極點(diǎn)配置方案三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性極點(diǎn)配置方案在系統(tǒng)三個(gè)極點(diǎn)均為負(fù)實(shí)極點(diǎn)的情況下，反饋系統(tǒng)的根軌跡運(yùn)行決定了不可能找到最優(yōu)解可以用二極點(diǎn)運(yùn)放進(jìn)行類比相位裕度63度，巴特沃斯響應(yīng)相位裕度71度，群延時(shí)最平坦三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性其相位裕度和兩極點(diǎn)運(yùn)放的相位裕度相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，其幅頻特性、群延時(shí)特性、時(shí)域階躍響應(yīng)都是相當(dāng)?shù)?極點(diǎn)配置令PM=63度，相當(dāng)于巴特沃思特性 （3,7）， 極點(diǎn)配置令PM=71度，相當(dāng)于貝賽爾特性 （6,6），三負(fù)極點(diǎn)運(yùn)放反饋與穩(wěn)定性如果三極點(diǎn)運(yùn)放具有共扼復(fù)數(shù)極點(diǎn)，

10、那么單位負(fù)反饋后，三個(gè)極點(diǎn)有可能形成最佳位置 結(jié)論反饋與穩(wěn)定性從分析角度看 仿真結(jié)果應(yīng)滿足相位裕度要求 PM=60- 63度：幅度最大平坦：頻率特性好 PM=67- 71度：群延時(shí)最大平坦：時(shí)域特性好從設(shè)計(jì)角度看 雙極點(diǎn)運(yùn)放極點(diǎn)配置方案 fp2=2GBw: Butterworth fp2=3GBw: Bessel 三負(fù)實(shí)極點(diǎn)運(yùn)放極點(diǎn)配置方案 fp2=3GBw, fp3=7GBw 至少 fp2=4GBw, fp3=4GBw: 近Butterworth fp2=6GBw, fp3=6GBw 至少 fp2=4GBw, fp3=8GBw: 近Bessel密勒補(bǔ)償運(yùn)算放大器內(nèi)容米勒補(bǔ)償運(yùn)放由穩(wěn)定性分析推

11、出的極點(diǎn)配置方案兩級(jí)密勒補(bǔ)償運(yùn)算放大器三級(jí)密勒補(bǔ)償運(yùn)算放大器極點(diǎn)配置方案米勒補(bǔ)償運(yùn)放雙極點(diǎn)運(yùn)放根據(jù)穩(wěn)定性分析，雙極點(diǎn)運(yùn)放在單位反饋應(yīng)用下穩(wěn)定且能獲得優(yōu)良低通特性的條件是，第二個(gè)極點(diǎn)fnd是增益帶寬積GBW(=A0fd)的 倍l fnd=2GBW; PM=63度: Butterworthl fnd=3GBW; PM=72度: Bessell fnd=4GBW; PM=76度: RR極點(diǎn)配置方案米勒補(bǔ)償運(yùn)放三極點(diǎn)運(yùn)放三極點(diǎn)運(yùn)放在單位反饋應(yīng)用下穩(wěn)定且能獲得優(yōu)良低通特性的條件是，第二、三個(gè)負(fù)實(shí)極點(diǎn)是增益帶寬GBW(=A0fd)的 、 倍l fnd1=3GBW, fnd2=7GBWl (3,7), (4

12、,4): PM=63度: A. Butterworthl fnd1=4GBW, fnd2=9GBWl (4,9), (6,6): PM=70度: A. Bessel兩級(jí)米勒放大器米勒補(bǔ)償運(yùn)放為什么兩級(jí)？放大器級(jí)數(shù)越多，可產(chǎn)生極點(diǎn)的高阻抗結(jié)點(diǎn)數(shù)目就越多，非主極點(diǎn)很容易進(jìn)入到增益帶寬積之內(nèi)，放大器在單位負(fù)反饋應(yīng)用條件下就越難以保證穩(wěn)定性優(yōu)良低通特性）單級(jí)？單級(jí)運(yùn)放的增益可能達(dá)不到要求 過高的增益導(dǎo)致極大的管子尺寸，導(dǎo)致帶寬下降 采用Cascode結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致輸入共模電平和輸出擺幅降低 Folded Cascode結(jié)構(gòu)，功耗增大，輸出擺幅沒有改善兩級(jí)是最常見的！ 較大的增益，較大的輸出擺幅：以較大的功耗為代價(jià)兩級(jí)米勒放大器米勒補(bǔ)償運(yùn)放原理如果沒有其他措施，非主極點(diǎn)一般在增益帶寬積之內(nèi)！兩級(jí)米勒放大器米勒補(bǔ)償運(yùn)放假如第二個(gè)極點(diǎn)離第一個(gè)很近，會(huì)怎么樣呢？兩個(gè)極點(diǎn)大小由兩個(gè)結(jié)點(diǎn)位置的阻容決定兩個(gè)極點(diǎn)極為接近相位裕度很小希望改善穩(wěn)定性希望獲得優(yōu)良的低通特性需要采取手段將第二個(gè)極點(diǎn)推出GBW！兩級(jí)米勒放大器米勒補(bǔ)償運(yùn)放如何將第二個(gè)極點(diǎn)推出GBW之外？增加fp2 降低ro2? 降低CL ? 降低fp1 增加ro1 ? 增加Cn1? 兩級(jí)米勒放大器米勒補(bǔ)償運(yùn)放米勒補(bǔ)償增益帶寬積完全由密勒補(bǔ)償電容決定！兩