CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)課程第八章反饋

1、CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)課程第八章 反饋Design of Analog CMOS Integrated Circuit 2本章內(nèi)容第八章 反饋3本章內(nèi)容8.1 概述8.2 反饋結(jié)構(gòu)8.3 負(fù)載的影響8.4 反饋對(duì)噪聲的影響48.1 概述 反饋是模擬電路中廣泛采用的一種電路技術(shù)。 負(fù)反饋可以提供高精度的信號(hào)處理，正反饋可是使電路建立振蕩。本章主要對(duì)負(fù)反饋進(jìn)行研究，說(shuō)明反饋(指負(fù)反饋)電路的優(yōu)點(diǎn)。研究四種常用的反饋電路結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，并分析反饋網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載效應(yīng)。58.1 概述 右圖是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。由四個(gè)要素構(gòu)成1、H(s)：前饋放大器2、G(s)：反饋網(wǎng)絡(luò)3、檢測(cè)輸出的方式4、產(chǎn)生反饋誤差的方式對(duì)

2、于設(shè)計(jì)優(yōu)良的反饋系統(tǒng)誤差信號(hào)接近于零，也就是說(shuō)輸入輸出關(guān)系僅僅由G(s)來(lái)決定。6反饋電路的特性1、增益更穩(wěn)定開(kāi)環(huán)增益的工藝、溫度的依賴(lài)性很大。而對(duì)于閉環(huán)增益只要電容采用同樣的材料和較好布局匹配，其電容的比值可以設(shè)計(jì)的相當(dāng)精確。所以說(shuō)增益的“靈敏度”降低了。注意：計(jì)算開(kāi)環(huán)低頻增益時(shí)，認(rèn)為電容是開(kāi)路的。計(jì)算閉環(huán)增益時(shí)利用兩個(gè)電容流過(guò)的小信號(hào)電流相同列出等式求解。7反饋電路的特性對(duì)于一個(gè)更一般的系統(tǒng)(右圖)可以看出閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)環(huán)增益的變化并不敏感。稱(chēng)為環(huán)路增益，可以發(fā)現(xiàn)：8反饋電路的特性環(huán)路增益的求法開(kāi)環(huán)增益中忽略了反饋網(wǎng)絡(luò)的影響。9反饋電路的特性分析一下這個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)中的四個(gè)要素：M1和電流源構(gòu)成

3、前饋放大器，電容C2檢測(cè)輸出電壓并將其轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。C1，C2的串聯(lián)為反饋網(wǎng)絡(luò)。X點(diǎn)電流匯合是產(chǎn)生反饋誤差的方法。即使開(kāi)環(huán)增益因?yàn)闇囟取⒐に?、頻率、負(fù)載的變化而發(fā)生變化，閉環(huán)增益會(huì)表現(xiàn)的不那么敏感。 比如在頻率較高時(shí)，開(kāi)環(huán)增益減小很多，但閉環(huán)增益相對(duì)保持穩(wěn)定，其幅值平坦的帶寬范圍也要寬的多。10反饋電路的特性2、終端阻抗的變化反饋引起輸入阻抗的變化 (忽略溝道調(diào)制)輸入阻抗下降到原來(lái)的環(huán)路增益的倒數(shù)倍。說(shuō)明反饋的四個(gè)部分？11反饋電路的特性反饋引起輸出阻抗的變化(低頻情況，不計(jì)溝道調(diào)制) 輸出阻抗減小到大約環(huán)路增益的倒數(shù)的倍數(shù)。12反饋電路的特性3、帶寬的變化閉環(huán)系統(tǒng)相對(duì)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)來(lái)講，增益

4、減小，帶寬增加。兩者單位增益帶寬保持一致 13反饋電路的特性 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)增益高但延時(shí)常數(shù)比較大，閉環(huán)系統(tǒng)增益小但延時(shí)常數(shù)比較小。那么如何通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速高增益結(jié)構(gòu)呢？采用具有指標(biāo)：增益100，-3dB帶寬=10M的運(yùn)放設(shè)計(jì)系統(tǒng)。要求增益100。采用單個(gè)運(yùn)放和閉環(huán)電路分別實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)時(shí)延常數(shù)為16ns和。4、非線性情況好轉(zhuǎn)14放大器的種類(lèi)之前分析的大多放大器屬于電壓放大器，這些電路在輸入端檢測(cè)電壓信號(hào)，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。下面總結(jié)了其它三種放大器。(1)檢測(cè)電壓、電流的電路必須分別具有高、低的輸入阻抗。(2)產(chǎn)生電壓、電流的電路必須分別具有低、高的輸出阻抗。158.1.2 放大器的種類(lèi)下面

5、舉出四種放大器對(duì)應(yīng)的實(shí)例：這些電路的性能往往不能達(dá)到理想，比如(a)，(b)中，作為產(chǎn)生電壓的電路，它們的輸出阻抗太高?？梢陨宰龈倪M(jìn)，改善輸出阻抗、增益等指標(biāo)，如右圖。(c)圖增益可以表示為168.1.3 檢測(cè)和返回機(jī)制反饋網(wǎng)絡(luò)必須檢測(cè)輸出信號(hào)(電壓或電流)，并將該信號(hào)以電壓或電流的方式返回到輸入端與輸入信號(hào)相減。(a)檢測(cè)電壓，返回電壓(b) (c)檢測(cè)電流，返回電壓(d) 使電壓相減可以采用差分對(duì)(e) (f)采用單獨(dú)的MOS管使電壓相減。(g)(h) 實(shí)現(xiàn)電流相減。 17反饋結(jié)構(gòu)1、電壓電壓反饋 反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)輸出電壓信號(hào)，產(chǎn)生反饋電壓信號(hào)，所以對(duì)于這樣的網(wǎng)絡(luò)理想情況下輸入阻抗無(wú)窮大，輸出

6、阻抗為0。增益減小實(shí)例原理節(jié)的分析認(rèn)為反饋網(wǎng)絡(luò)阻抗為理想值18反饋結(jié)構(gòu)電壓電壓反饋對(duì)終端阻抗的影響據(jù)前分析，電壓電壓反饋使增益靈敏度下降，即系統(tǒng)的負(fù)載RL的變化，不容易對(duì)反饋系統(tǒng)的輸出幅值造成影響，換言之，反饋系統(tǒng)接近于一個(gè)理想的電壓源，其必然具備小的輸出阻抗。可稍作分析。輸出阻抗較開(kāi)環(huán)阻抗明顯減小19反饋結(jié)構(gòu)接下來(lái)分析輸入阻抗輸入阻抗較開(kāi)環(huán)明顯增加對(duì)于開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，Vin的全部變化由Rin承擔(dān)，而在反饋結(jié)構(gòu)中Vin的變化只有一部分被Rin承擔(dān)，所以流過(guò)Rin的電流減小，輸入阻抗相應(yīng)增加?？蓮挠覉D證明：以共柵極為例，根據(jù)前面講過(guò)的共柵極跨導(dǎo)可知輸入阻抗： Vx/Ix=Rs+1/gm。而此處Rs作為

7、反饋網(wǎng)絡(luò)提供反饋電壓。根據(jù)Rin=1/gm，Rout=RD,A0=gmRD, =Rs/RD?？捎?jì)算出輸入阻抗。20反饋結(jié)構(gòu)例：求圖中反饋結(jié)構(gòu)的閉環(huán)增益和輸出阻抗(先求環(huán)路增益)開(kāi)環(huán)增益隨開(kāi)環(huán)阻抗一起變化，造成閉環(huán)輸出阻抗的變化對(duì)開(kāi)環(huán)阻抗變化的不明顯。21反饋結(jié)構(gòu)例：求圖中反饋結(jié)構(gòu)的輸入電阻(不考慮溝道調(diào)制)環(huán)路增益為閉環(huán)輸入阻抗為由于反饋的存在，Vin的變化只有一部分加在了柵源電壓之間，所以由它產(chǎn)生的電流也會(huì)相應(yīng)減小。輸入阻抗相應(yīng)的有所增加。22反饋結(jié)構(gòu)2、電流電壓反饋 反饋網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)輸出端的電流，產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓。因此反饋網(wǎng)絡(luò)具有電阻的量綱。其理想的輸入輸出阻抗都為零。閉環(huán)增益：環(huán)路增益：閉環(huán)

8、增益約減小為開(kāi)環(huán)增益的 。23反饋結(jié)構(gòu)電流電壓的反饋對(duì)終端阻抗的影響 反饋檢測(cè)輸出電流，并使之成為輸入信號(hào)的精確復(fù)制，所以對(duì)于輸出端來(lái)講這一電流信號(hào)應(yīng)保持相對(duì)恒定。這種特性近似于恒流源，所以此類(lèi)反饋應(yīng)具備高輸出阻抗。輸入、輸出阻抗都增加環(huán)路增益的倍數(shù)。Gm產(chǎn)生的電流與Ix反向，事實(shí)上減小了測(cè)試源產(chǎn)生的電流輸入阻抗輸出阻抗24反饋結(jié)構(gòu)例：求電路的輸出阻抗(r非常小)r用來(lái)檢測(cè)電流，并輸出一個(gè)反饋電壓。25反饋結(jié)構(gòu)3、電壓電流反饋輸出端檢測(cè)電壓，前饋放大器為跨阻放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)具有跨導(dǎo)的量綱。增益減小。這種反饋應(yīng)該使輸入阻抗和輸出阻抗同時(shí)減小。下頁(yè)進(jìn)行詳細(xì)的分析。26反饋結(jié)構(gòu)電壓電流反饋的終端阻抗

9、分析(前饋網(wǎng)絡(luò)以共柵極為例，R0是負(fù)載)27反饋結(jié)構(gòu)例：求下面電路的低頻輸出跨阻(不考慮溝道調(diào)制)環(huán)路增益低頻跨阻28反饋結(jié)構(gòu)例：求下面電路的輸入輸出阻抗確定反饋類(lèi)型為電壓-電流反饋開(kāi)環(huán)輸入阻抗為(判斷此輸入阻抗時(shí)可與圖8.32(a)進(jìn)行類(lèi)比:輸入阻抗承載的電流是反饋電流與輸入電流之差，這個(gè)電流差流過(guò)前饋跨阻產(chǎn)生成Vout，該結(jié)構(gòu)減小了輸入阻抗)開(kāi)環(huán)輸出阻抗為所以閉環(huán)情況下的輸入輸出阻抗分別為：29反饋結(jié)構(gòu)電壓-電流反饋低輸入阻抗應(yīng)用實(shí)例感光二極管將光轉(zhuǎn)換為電流，這一電流通過(guò)電阻R1轉(zhuǎn)換為電壓。對(duì)于微弱的光信號(hào)R1不能太小。但是由于二極管的等效電容比較大，所以此處形成的RC延遲常數(shù)也相對(duì)較大。

10、為了緩解這一問(wèn)題，可以采用(b)中的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一個(gè)電壓電流反饋，使R1的左端呈現(xiàn)出較小的輸入阻抗。輸出電壓近似等于R1ID130反饋結(jié)構(gòu)4、電流-電流反饋閉環(huán)電流增益輸入輸出阻抗31反饋結(jié)構(gòu)電流-電流反饋實(shí)例，計(jì)算其閉環(huán)增益(不考慮溝道調(diào)制)錯(cuò)了，需修改環(huán)路增益(從RF右側(cè)斷開(kāi))推導(dǎo)時(shí)注意開(kāi)環(huán)的輸入阻抗為RF 不考慮溝道調(diào)制時(shí)，輸出阻抗為無(wú)窮大與反饋無(wú)關(guān)。32反饋結(jié)構(gòu)電壓電壓反饋：增益輸入阻抗輸出阻抗減小增大減小電流電壓反饋： 減小 增大 增大電壓電流反饋： 減小 減小 減小電流電流反饋： 減小 減小 增大反饋使電路趨于理想特性：檢測(cè)電壓的反饋輸出阻抗減小，檢測(cè)電流的反饋輸出阻抗增大。電壓做反

11、饋量的輸入阻抗增大，電流做反饋量的輸入阻抗減小。33負(fù)載的影響 前面分析的反饋網(wǎng)絡(luò)，都認(rèn)為具有理想的輸入輸出阻抗特性，認(rèn)為其對(duì)電路的開(kāi)環(huán)特性沒(méi)有影響。事實(shí)上一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)是個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它的加入改變了開(kāi)環(huán)電路的負(fù)載環(huán)境，會(huì)對(duì)開(kāi)環(huán)特性造成影響。首先，復(fù)習(xí)一下二端口網(wǎng)絡(luò)。無(wú)獨(dú)立源二端口網(wǎng)絡(luò)模型包括Z模型，Y模型，H模型，G模型。34負(fù)載的影響響應(yīng) 激勵(lì)35負(fù)載的影響36負(fù)載的影響37負(fù)載的影響38負(fù)載的影響選擇合適的模型是進(jìn)行反饋網(wǎng)絡(luò)阻抗分析的關(guān)鍵。比如對(duì)于電壓電壓反饋來(lái)說(shuō)：所選擇的模型，必須滿(mǎn)足這一類(lèi)反饋的理想特性即輸入阻抗無(wú)窮大，輸出阻抗為0，所以：Y模型也不合適。H模型也可由類(lèi)似分析推出一樣不

12、合適。G模型是適合的39負(fù)載的影響1、電壓電壓反饋的負(fù)載特性 (G模型等效反饋網(wǎng)絡(luò))令G11及G22為零可求出理想情況下的閉環(huán)增益40負(fù)載的影響此時(shí)電路可轉(zhuǎn)化為上頁(yè)(b)。開(kāi)環(huán)增益可以重新寫(xiě)出在下頁(yè)。41負(fù)載的影響Zin如果太小，Zin和G22之間的電壓分配會(huì)使經(jīng)過(guò)前饋通路的信號(hào)衰減。Zout如果太大，Zout和G11之間的電壓分配會(huì)使輸出信號(hào)衰減。反饋網(wǎng)絡(luò)阻抗的非理想性使開(kāi)環(huán)電路中輸入端看到的電壓及輸出電壓減小。進(jìn)一步計(jì)算環(huán)路增益時(shí)可以用G21乘以本頁(yè)最上方有負(fù)載的開(kāi)環(huán)增益。等效的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)如右圖所示：42負(fù)載的影響可見(jiàn)，只要求出G11和G22就能可以算出開(kāi)環(huán)增益。計(jì)算環(huán)路增益時(shí)只需將開(kāi)環(huán)增益

13、乘以G21。也可以進(jìn)一步計(jì)算出輸入和輸出阻抗。如何計(jì)算G11和G22呢？根據(jù)左圖原理將電路斷開(kāi)即可獲得相應(yīng)的導(dǎo)納或阻抗的值。43負(fù)載的影響例：求圖中電路的開(kāi)環(huán)增益和閉環(huán)增益。(忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制) 輸出網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的影響可以由RF左端開(kāi)路得到。輸入網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的影響可以由RF右端接地得到。由(b)圖可直接寫(xiě)出開(kāi)環(huán)增益(根據(jù)開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)寫(xiě))斷開(kāi)反饋的原理44負(fù)載的影響也可對(duì)照?qǐng)D8.38(b)，構(gòu)建類(lèi)似的反饋系統(tǒng)。閉環(huán)增益為：45負(fù)載的影響2、電流電壓反饋的負(fù)載特性 (Z模型等效反饋網(wǎng)絡(luò)) 理想情況下要求輸入阻抗為0，輸出阻抗為0。帶有導(dǎo)納的二端口網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)出現(xiàn)V1或V2被短路的情況，因此都不合適?？紤]Z

14、模型如(a)。忽略Z12得到(b)46負(fù)載的影響輸入端的電壓分配和輸出端的電流分配可由下圖表示根據(jù)斷開(kāi)I2，求Z11。斷開(kāi)I1求Z22。47負(fù)載的影響例：求所示電路的開(kāi)環(huán)閉環(huán)增益采用上面講的方法將反饋網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，可直接寫(xiě)出開(kāi)環(huán)增益那么閉環(huán)增益為注意輸出信號(hào)為電流，反饋網(wǎng)絡(luò)是RS1RS3RF三個(gè)電阻構(gòu)成的。也可構(gòu)建反饋系統(tǒng)按參數(shù)帶入求解。48負(fù)載的影響3、電壓電流反饋的負(fù)載特性 (Y模型等效反饋網(wǎng)絡(luò)) 理想情況下要求輸入阻抗為無(wú)窮大，輸出阻抗為無(wú)窮大。Y模型適合于描述此類(lèi)反饋。49負(fù)載的影響 下圖描述了輸入端電流分配，和輸出端電壓分配的情況。根據(jù)短路V1和V2求出相應(yīng)跨導(dǎo)50負(fù)載的影響 例：計(jì)算(a)電路的電壓增益。 RF檢測(cè)輸出電壓，返回一個(gè)電流。將輸入信號(hào)變換為電流信號(hào)就能夠與返回信號(hào)做差。故做諾頓等效(b)。 如果把RF換成電容，計(jì)算時(shí)不會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)。是由于忽略了反饋網(wǎng)絡(luò)的反向傳輸(Y12)51負(fù)載的影響4、電流電流反饋的負(fù)載特性 (H模型等效反饋網(wǎng)絡(luò)) 理想情況下要求輸入阻抗為0，輸出阻抗為無(wú)窮大。H模型適合于描述此類(lèi)反饋。52負(fù)載的影響 下圖描述了反饋網(wǎng)絡(luò)在輸入輸出端的電流分配關(guān)系根據(jù)可以將反饋網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)。53負(fù)載的影響 例：求電路開(kāi)環(huán)閉環(huán)增益。54負(fù)載的影響 本節(jié)小結(jié)1、用適當(dāng)?shù)姆椒〝嚅_(kāi)反饋環(huán)路2、計(jì)算開(kāi)環(huán)增益，反饋系數(shù)，進(jìn)而得到環(huán)路增益。3、通