1、重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 1,第10章運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償,系統(tǒng)的傳輸函數(shù),令 Z( S)=0,得零點(diǎn)SZ，令 P( S)=0,得極點(diǎn)SP。零、極點(diǎn)都是復(fù)數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)要求RE(SP)0。 在A(S)令S=j，則| A(j) |模值的大小即是放大器的幅頻特性，它是頻率f的函數(shù)。 在A(S)令S=j，則| A(j) |的大小即是放大器的相頻特性，它也是頻率f的函數(shù)。,在線性系統(tǒng)中，電容C的阻抗用1/SC，電感L的阻抗用SL，利用純電阻分析方法求得輸出電壓與輸入電壓之比即為系統(tǒng)的傳輸,函數(shù)A(S)。即：A(S)=V0(S)/Vin(S),它是算子S的函數(shù)。,重郵光

2、電工程學(xué)院,2,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 3,極點(diǎn)與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 4,負(fù)反饋系統(tǒng)的振蕩條件,判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定的有力工具是波特圖！,波特圖的畫(huà)法,幅頻曲線中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)極點(diǎn)P(零點(diǎn)Z)，曲線斜率以-20dB/dec (+20dB/dec )變化。 相頻曲線中，相位在0.1P(0.1Z)處開(kāi)始變化，每經(jīng)過(guò)一個(gè)極點(diǎn)P(零點(diǎn)Z)，相位變化-45 (45)，相位在10P(10Z)處變化-90 (90) 一般來(lái)講，極點(diǎn) (零點(diǎn))對(duì)相位的影響比對(duì)幅頻的影響要大一些。,重郵光電工程學(xué)院,5,利用波特圖判斷運(yùn)放穩(wěn)定

3、性的方法,先求得反饋系數(shù)F(F一般是一個(gè)實(shí)數(shù))，在幅頻曲線上作直線-20logF，交幅頻曲線于點(diǎn)A。,過(guò)A作垂線交相頻曲線于點(diǎn)B,若B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位B-180,則系統(tǒng)穩(wěn)定, 反之不穩(wěn)定。B與-180 的差值稱(chēng)為相位余度PM。,也可以在相頻曲線上作直線交相頻曲線于點(diǎn)D，過(guò)D作垂線交幅頻曲線于E，若E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增益AE-20logF，則系統(tǒng)穩(wěn)定，,反之系統(tǒng)不穩(wěn)定，AE與-20logF的差值稱(chēng)為增益余度GM。,實(shí)際中取PM=60 ，此時(shí)放大器上升時(shí)間tS最小。,重郵光電工程學(xué)院,6,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 7,穩(wěn)定與不穩(wěn)定系統(tǒng)的波特圖,運(yùn)放的穩(wěn)定性及其判斷（例）,Vi

4、n,Vin,Vo,Vo,99k,1k,右圖兩個(gè)電路是否穩(wěn)定？若需相位余度PM45 ，幅頻特性應(yīng)如何變化(及零、極點(diǎn)應(yīng)如何變化)。,重郵光電工程學(xué)院,8,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 9,相位裕度與時(shí)間響應(yīng)的關(guān)系,相位余度PM與運(yùn)放閉環(huán)響應(yīng)的關(guān)系,實(shí)際中取=60 ，此時(shí)放大器上升時(shí)間tS最小。,Vin,Vo,重郵光電工程學(xué)院,10,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 11,跟隨器連接運(yùn)放的階躍響應(yīng),小信號(hào)PM 65 , 但大信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)仿真結(jié)果與前面分析有差異。這是因?yàn)榇笮盘?hào)仿真時(shí)有的效應(yīng)在小信號(hào)分析中沒(méi)有體現(xiàn)。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)

5、定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 12,單極點(diǎn)系統(tǒng)的波特圖,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 13,多極點(diǎn)系統(tǒng)的波特圖,運(yùn)放極點(diǎn)與單位增益帶寬GW的關(guān)系,第一主極點(diǎn)越大，f3dB越寬。 第一、第二主極點(diǎn)相離越遠(yuǎn)，GW越寬。,重郵光電工程學(xué)院,14,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 15,相位裕度與極點(diǎn)的關(guān)系,-180,PM = 45,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 16,頻率補(bǔ)償（1）,頻率補(bǔ)償?shù)姆椒?重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 17,頻率補(bǔ)償（2）,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與

6、頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 18,單端輸出運(yùn)放的極點(diǎn)圖,1. 輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)是第一主極點(diǎn),2. 節(jié)點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)是第二主極點(diǎn)，一般該節(jié)點(diǎn)的寄生電容和小信號(hào)輸入電阻比X、Y、N都大,3. 節(jié)點(diǎn)N、X(Y)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)很難斷定誰(shuí)大誰(shuí)小，一般同屬一個(gè)數(shù)量級(jí)，節(jié)點(diǎn)X、Y只產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 19,單端輸出運(yùn)放的波特圖及補(bǔ)償,顯然，PA嚴(yán)重影響了帶寬。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 20,更高輸出電阻時(shí)的波特圖,增加輸出電阻雖然使第一主極點(diǎn)前移，但低頻增益也同時(shí)增大，相頻特性只在低頻段發(fā)生變化，相頻特性PM沒(méi)有發(fā)生任

7、何變化。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 21,運(yùn)放的頻率補(bǔ)償（例1）,假定在單位增益帶寬GB(f0dB)內(nèi)只有一個(gè)主極點(diǎn)fP1 ，求低頻增益A0、 f0dB 與fP1的關(guān)系。,由單位增益的定義可知：,顯然fP1越大， GB(f0dB)越寬。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 22,運(yùn)放的頻率補(bǔ)償（例2）,假定一三極點(diǎn)系統(tǒng)A05000, 單位增益帶寬頻率f0dB滿足 fp1f0dBfp2, 若fp2=25M, fp3=50M, 求當(dāng)PM=70時(shí)的單位增益帶寬頻率f0dB 及 fp1 。,由前面推導(dǎo)可得:,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率

8、補(bǔ)償 Ch. 10 # 23,相位裕度與極點(diǎn)的關(guān)系（例）,若運(yùn)放有三個(gè)極點(diǎn)，沒(méi)有零點(diǎn)，最高極點(diǎn)比GB高10倍，要達(dá)到60相位裕度，P2必須比GB高2.2倍。 若運(yùn)放有兩個(gè)極點(diǎn)，沒(méi)有零點(diǎn)，要得到60相位裕度， P2必須比GB高1.73倍。 若運(yùn)放有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)RHP零點(diǎn)，零點(diǎn)比GB高10倍，要得到45相位裕度， P2必須比GB高1.22倍，要得到60相位裕度， P2必須比GB高2.2倍。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 24,全差動(dòng)套筒式運(yùn)放的頻率特性,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 25,Cascode 電流鏡內(nèi)部節(jié)點(diǎn)處寄生電容的影響,

9、請(qǐng)注意,Zout與負(fù)載電容的并聯(lián)仍保持為單極點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)N的極點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)的極點(diǎn)是合并的，而不是兩個(gè)極點(diǎn)。只是這個(gè)合并的極點(diǎn)比輸出極點(diǎn)稍低一點(diǎn)，其時(shí)間常數(shù)為輸出節(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)與r07CN之和。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 26,兩極運(yùn)放的密勒補(bǔ)償（1）,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 27,兩極運(yùn)放的密勒補(bǔ)償（2）,一種兩級(jí)運(yùn)放的簡(jiǎn)化電路,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 28,密勒補(bǔ)償?shù)臉O點(diǎn)分裂現(xiàn)象（1）,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 29,密勒補(bǔ)償?shù)臉O點(diǎn)分裂現(xiàn)象（2）,假定CC

10、=CGD,當(dāng)CCCE時(shí):,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 30,密勒補(bǔ)償?shù)臉O點(diǎn)分裂現(xiàn)象（3）,補(bǔ)償后，在關(guān)心的頻率內(nèi)CC近似于短路，輸出電阻約為1/gm9/RL 1/gm9。第二主極點(diǎn)提高了約gm9RL倍。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 31,放大器零點(diǎn)的產(chǎn)生,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 32,零點(diǎn)與相位裕度的關(guān)系,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 33,RHP 零點(diǎn)的消除方法（1）,VE,當(dāng)gm9-1RZ， fZ ，零點(diǎn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，即零點(diǎn)被消除了！,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定

11、性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 34,RHP 零點(diǎn)的消除方法（2）,當(dāng)gm9-1RZ， 零點(diǎn)移到左半平面，若滿足下面條件，則以前的第二個(gè)極點(diǎn)就和該零點(diǎn)對(duì)消了，即以前的第二個(gè)極點(diǎn)消除了！,該零、極點(diǎn)對(duì)消技術(shù)的缺點(diǎn)是RZ是負(fù)載電容CL的函數(shù)，當(dāng)負(fù)載電容未知或變化時(shí)，該技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 35,RHP 零點(diǎn)的消除方法（3）,跟蹤溫度和工藝而生成Vb的電路,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 36,RHP 零點(diǎn)的消除方法（4）,RZ與RS的適當(dāng)比率可保證RZ=(1+CL/ CC)/gm9成立,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性

12、與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 37,負(fù)載電容對(duì)階躍響應(yīng)的影響,增大負(fù)載電容對(duì)單級(jí)運(yùn)放與兩級(jí)運(yùn)放階躍響應(yīng)的影響,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 38,兩極運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換（1）,簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)放,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 39,兩極運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換（2）,正轉(zhuǎn)換期間的簡(jiǎn)化電路,負(fù)轉(zhuǎn)換期間的簡(jiǎn)化電路,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 40,運(yùn)放的其它補(bǔ)償技術(shù)（1）,VoutminVGS2+VI2 ,源跟隨器M2減小了輸出電壓擺幅。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 41,運(yùn)放的其它補(bǔ)償技術(shù)（2）,

13、重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 42,運(yùn)放的其它補(bǔ)償技術(shù)（3）,前面補(bǔ)償技術(shù)中的源跟隨器限制了輸出電壓擺幅，本電路中VominVon1，從后面的分析中還可看見(jiàn)，其帶寬比前種補(bǔ)償技術(shù)更寬，但所需靜態(tài)功耗比前種補(bǔ)償技術(shù)更大。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 43,運(yùn)放的其它補(bǔ)償技術(shù)（4）,fp2增加了gm2RS倍,電路可提供更大帶寬。,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 44,前述補(bǔ)償技術(shù)兩極運(yùn)放中的轉(zhuǎn)換,正轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化電路,負(fù)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)化電路,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償 Ch. 10 # 45,采用共柵補(bǔ)償技術(shù)的全差動(dòng)兩級(jí)運(yùn)放,重郵光電工程學(xué)院,運(yùn)放的穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償