第四講頻率特性與補(bǔ)償

第四講頻率特性與補(bǔ)償演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（優(yōu)選）第四講頻率特性與補(bǔ)償現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二頻率特性放大器高頻反饋穩(wěn)定性問(wèn)題頻率補(bǔ)償

由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容，所以電路的傳輸函數(shù)是頻率的函數(shù)，稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。2現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二4.1放大器的頻率特性1、概述2、共源級(jí)頻率特性3、源跟隨器頻率特性4、共柵級(jí)頻率特性5、共源共柵級(jí)頻率特性6、差動(dòng)對(duì)頻率特性3現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二1、概述

（1）密勒效應(yīng)密勒定理：圖（a）等效成圖（b）的電路，其中其中Av=VY/VX4現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二利用密勒等效定理，計(jì)算圖（a）電路的輸入電容，其中電壓放大器的增益為-AZ=1/(CFs)→Z1=[1/(CFs)]/(1+A)→Cin=CF(1+A)5現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二在阻抗Z與信號(hào)主通路并聯(lián)的許多情況下，密勒定理被證明是有用的。注意：如果阻抗Z在X點(diǎn)和Y點(diǎn)之間只有一個(gè)信號(hào)通道，則蜜勒轉(zhuǎn)換往往是不成立的。用密勒效應(yīng)估算極點(diǎn)十分簡(jiǎn)便，在對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的估算中非常有用，但簡(jiǎn)化時(shí)通常丟掉傳輸函數(shù)的零點(diǎn)。6現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（2）極點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)放大器的級(jí)聯(lián)有三個(gè)極點(diǎn)，電路的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸函數(shù)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)。Wj＝時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)頻率R為各結(jié)點(diǎn)看到地的總電阻，C為各結(jié)點(diǎn)看到地的總電容。7現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二“一個(gè)結(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)”有時(shí)是不成立的，且極點(diǎn)的計(jì)算較難，如圖所示情況，R3和C3在X點(diǎn)和Y點(diǎn)之間產(chǎn)生相互作用。

盡管如此，在許多電路中，一個(gè)極點(diǎn)和相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的這種聯(lián)系為估算傳輸函數(shù)提供了一種直觀的方法。8現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二

如果用密勒定理用來(lái)獲得輸入-輸出的傳輸函數(shù)，則不能同時(shí)用該定理來(lái)計(jì)算輸出阻抗！在輸入端加電壓源在輸出端加電壓源9現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二2、共源級(jí)頻率特性（1）根據(jù)密勒效應(yīng)估算傳輸函數(shù)主要誤差：（1）沒(méi)有考慮電路零點(diǎn)的存在。（2）另一個(gè)誤差來(lái)源于用-gmRD近似放大器的增益。實(shí)際上，由于輸出結(jié)點(diǎn)的電容等原因，放大器的增益是會(huì)隨著頻率而變化的。AV＝－gmRD10現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（2）根據(jù)小信號(hào)模型精確計(jì)算輸入結(jié)點(diǎn)輸出結(jié)點(diǎn)11現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二S的系數(shù)近似等于假設(shè)：12現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二輸入極點(diǎn)與通過(guò)密勒效應(yīng)估算的輸入極點(diǎn)進(jìn)行比較輸入極點(diǎn)S2系數(shù)為輸出極點(diǎn)13現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二若：即若CGS在頻率特性中占優(yōu)勢(shì)則：輸出極點(diǎn)近似于密勒效應(yīng)估算輸出極點(diǎn)14現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二該零點(diǎn)是輸入、輸出通過(guò)CGD直接耦合產(chǎn)生的，位于右半平面。傳輸函數(shù)零點(diǎn)的計(jì)算：當(dāng)s=sz時(shí)，Vout（s）=0產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題：使相位裕度更差簡(jiǎn)便而有效15現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二輸入阻抗：

高頻時(shí)，需考慮輸出結(jié)點(diǎn)（電容CDB)對(duì)輸入阻抗的影響中頻：CS放大器輸入阻抗的計(jì)算＝（1/CGS)||若CGD很大，近似短路16現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二3、源跟隨器頻率特性（1）頻率特性：通過(guò)小信號(hào)模型計(jì)算：包含一個(gè)零點(diǎn)，位于左半平面17CL包含CSB現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二假設(shè)兩個(gè)極點(diǎn)相距遠(yuǎn)，wp1<<wp2，則主極點(diǎn)的值為：如果RS=0主極點(diǎn)輸出極點(diǎn)18現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（2）輸入阻抗:先不考慮CGD低頻增益AV＝CGS蜜勒電容考慮CGD19現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二高頻時(shí)，輸入阻抗由電容CGS，CL和一個(gè)負(fù)電阻串聯(lián)組合其中的負(fù)電阻等于，這種特性在振蕩器中應(yīng)用。負(fù)電阻20現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（3）輸出阻抗：（a）(b)忽略CGD、體效應(yīng)以及CSB產(chǎn)生的并聯(lián)輸出阻抗與頻率有關(guān)作為緩沖器工作，則必須是較低的阻抗，因此，1/gm<Rs，如圖（b）。21現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二輸出阻抗隨頻率增加,我們假定阻抗包含電感元件。22現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二計(jì)算電感：Z1=ZoutL和R1阻抗R1R1和L的并聯(lián)電感L若源跟隨器被大電阻RS驅(qū)動(dòng)，則輸出阻抗表現(xiàn)出電感的行為。此時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載電容在階躍響應(yīng)中表現(xiàn)為“減幅振蕩”。已知23現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二4、共柵級(jí)頻率特性（1）若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)沒(méi)有密勒乘積項(xiàng)，可以達(dá)到寬帶?。?）考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，極點(diǎn)計(jì)算很復(fù)雜，可以根據(jù)小信號(hào)模型計(jì)算其極點(diǎn)24現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二CGD1的密勒效應(yīng)由A點(diǎn)到X點(diǎn)的增益決定A點(diǎn)到X點(diǎn)的增益：由于A到X點(diǎn)的增益小，因此與共源極相比，密勒效應(yīng)小得多5、共源共柵級(jí)頻率特性約為125現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二2.共源共柵電路中三個(gè)極點(diǎn)的相對(duì)數(shù)值取決于實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)，一般情況下，取ωPX離原點(diǎn)最遠(yuǎn)。說(shuō)明：1.密勒效應(yīng)對(duì)共源共柵放大器的頻率特性影響較小X節(jié)點(diǎn)的總電容為：這種選擇對(duì)運(yùn)放的穩(wěn)定性起重要作用。26現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二6、差動(dòng)對(duì)頻率特性簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)電流源為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)有源電流鏡為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)27現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（1）簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)由于+Vin1/2和-Vin2/2均與相同的傳輸函數(shù)相乘，在Vout/Vin中的極點(diǎn)數(shù)等于一條通道上的極點(diǎn)數(shù)，而不是兩條通路中極點(diǎn)數(shù)之和。（a）1）差動(dòng)信號(hào)與共源級(jí)相同等效半邊差動(dòng)電路共模等效電路28現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二2）共模信號(hào)1）高頻時(shí)電路的共模抑制比下降很多。

2）M3存在電壓余度與共模抑制比折中的問(wèn)題?？紤]M1和M2的失配，低頻共模增益：M3的寬度大共模抑制比降低輸出結(jié)點(diǎn)的電容高頻共模增益：29現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（2）電流源為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)（高阻抗負(fù)載的差動(dòng)對(duì)）30現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二1）差動(dòng)信號(hào)2）共模信號(hào)與簡(jiǎn)單差動(dòng)對(duì)類似交流地差動(dòng)半邊等效電路輸出極點(diǎn)Wp2＝1/[(ro1||ro3)CL]差動(dòng)信號(hào)主極點(diǎn)31現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二（3）有源電流鏡為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)：

該電路包含差動(dòng)傳輸函數(shù)的兩條信號(hào)通路。

與結(jié)點(diǎn)E相對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)稱為“鏡像極點(diǎn)”。Wp1Wp2戴維南等效位于左半平面CE包括CGS3、CGS4、CDB3、CDB1，以及CGD1、CGD4的密勒項(xiàng)32現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二零點(diǎn)的計(jì)算方法：電路由慢通路（M1，M3，M4）和快通路（M1，M2)并聯(lián)而成，兩路傳輸函數(shù)分別為：疊加SZ=2wp233現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二NOTICE：電流源為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)沒(méi)有鏡像極點(diǎn)有源電流鏡為負(fù)載的差動(dòng)對(duì)（單端輸出）有鏡像極點(diǎn)因此，通常來(lái)說(shuō)，以電流源為負(fù)載的全差動(dòng)電路穩(wěn)定更好，這是相對(duì)于單端電路的優(yōu)點(diǎn)之一。34現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二

4.2穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償為何產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題35現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二1、反饋系統(tǒng)的正反饋與負(fù)反饋正反饋可以增強(qiáng)放大器對(duì)微弱信號(hào)的靈敏度或增加增益。負(fù)反饋則可以提高放大器的增益穩(wěn)定性，工作點(diǎn)的穩(wěn)定性、減小失真、改善輸入輸出電阻、拓寬頻帶等。36現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二2、負(fù)反饋基本負(fù)反饋系統(tǒng)增益為無(wú)窮大，產(chǎn)生振蕩環(huán)路增益負(fù)反饋開(kāi)環(huán)環(huán)路以及負(fù)反饋分別產(chǎn)生-180°相移，因此閉環(huán)環(huán)路共產(chǎn)生360相移，和源信號(hào)同相疊加，如要產(chǎn)生振蕩，環(huán)路增益≥137現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二不穩(wěn)定系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)的環(huán)路增益波特圖（頻率響應(yīng)）3、增益交點(diǎn)和相位交點(diǎn)要使系統(tǒng)穩(wěn)定，必須將相移減至最小，使得當(dāng)|βH|=1時(shí)，∠βH相移未到－180°，或∠βH=－180°時(shí)，|βH|＜138現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二使環(huán)路增益幅值＝1的頻率，稱為“增益交點(diǎn)”

GX使環(huán)路增益的相位＝－180°的頻率，稱為“相位交點(diǎn)”

PXGX和PX對(duì)穩(wěn)定性起重要作用GXPX在穩(wěn)定系統(tǒng)中，增益交點(diǎn)必定發(fā)生在相位交點(diǎn)之前若β減小，幅值曲線下移，增益交點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。最壞情況是β＝1即單位增益的情況。39現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二4、波特圖（Bode圖）：頻率特性的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，由對(duì)數(shù)幅頻特性及相頻特性組成。Bode圖橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)：W每變化10倍，長(zhǎng)度變化1個(gè)單位，稱為10倍頻程縱坐標(biāo)：采用均勻分度，值為：Bode圖特點(diǎn)：－可以將幅值相乘轉(zhuǎn)化為幅值相加，便于繪制多個(gè)零極點(diǎn)系統(tǒng)的對(duì)數(shù)頻率特性。－可以采用漸進(jìn)線法近似的方法繪制對(duì)數(shù)幅頻圖。40現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二Bode圖的繪制：1）幅頻特性：在每個(gè)零點(diǎn)頻率處，幅值曲線的斜率按+20dB/dec變化；在每個(gè)極點(diǎn)頻率處，斜率按-20dB/dec變化。2）相頻特性：對(duì)一個(gè)的極點(diǎn)（零點(diǎn)），相位約在0.1的地方開(kāi)始下降（上升），在處經(jīng)歷-45o（+45o）的變化，在大約10處達(dá)到-90o(+90o）的變化。

高頻極點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)相位的影響可能比幅值的影響更大41現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二5、復(fù)平面中極點(diǎn)的位置復(fù)平面極點(diǎn)為：其時(shí)域沖激響應(yīng)為：極點(diǎn)在右半平面極點(diǎn)在左半平面幅值增大的不穩(wěn)定態(tài)等幅振蕩的不穩(wěn)定態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)極點(diǎn)在零點(diǎn)42現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有45頁(yè)\編輯于星期二單極點(diǎn)系統(tǒng)的環(huán)路增益的波特圖