ch10 运放频率补偿78505.ppt

第第10章章运放运放的稳定性与频率补偿的稳定性与频率补偿 重邮光电工程学院重邮光电工程学院1系统的传输函数系统的传输函数1.令令 Z(S)=0,得零点得零点SZ，令令 P(S)=0,得极点得极点SP。零、。零、极点都是复数，稳定系统要求极点都是复数，稳定系统要求RE(SP)-180,则系统稳则系统稳定定,反之不稳定。反之不稳定。B与与-180 的差的差值称为值称为相位余度相位余度PM。3.也可以在相频曲线上作直线交也可以在相频曲线上作直线交相频曲线于点相频曲线于点D，过，过D作垂线交作垂线交幅频曲线于幅频曲线于E，若，若E点对应的增点对应的增益益AE45，幅，幅频特性应如何变化频特性应如何变化(及零、极点应如何变化及零、极点应如何变化)。重邮光电工程学院重邮光电工程学院8相位相位裕度与时间响应的关系裕度与时间响应的关系 重邮光电工程学院重邮光电工程学院9相位余度相位余度PM与运放闭环响应的关系与运放闭环响应的关系实际中取实际中取=60，此时放大器上升时间，此时放大器上升时间tS最小。最小。VinVo 重邮光电工程学院重邮光电工程学院10跟随跟随器器连接运放的阶跃响应连接运放的阶跃响应小信号小信号PM 65 ,但大信号的时域响应仿真结果但大信号的时域响应仿真结果与前面分析有差异与前面分析有差异。这是因为大信号仿真时有的。这是因为大信号仿真时有的效应在小信号分析中没有体现。效应在小信号分析中没有体现。重邮光电工程学院重邮光电工程学院11单极点单极点系统的波特图系统的波特图 重邮光电工程学院重邮光电工程学院12多极点系统的波特图多极点系统的波特图 重邮光电工程学院重邮光电工程学院13运放极点与单位增益带宽运放极点与单位增益带宽GW的关系的关系1.第一主极点越大，第一主极点越大，f3dB越宽。越宽。2.第一、第二主极点相离越远，第一、第二主极点相离越远，GW越宽。越宽。重邮光电工程学院重邮光电工程学院14相位相位裕度与极点的关系裕度与极点的关系-180PM=45 重邮光电工程学院重邮光电工程学院15频率频率补偿（补偿（1）频率补偿的方法频率补偿的方法 重邮光电工程学院重邮光电工程学院16频率频率补偿（补偿（2）重邮光电工程学院重邮光电工程学院17单端单端输出运放的极点图输出运放的极点图1.输出节点对应的极点是第一主极点输出节点对应的极点是第一主极点2.节点节点A对应的极点是第二主极点，对应的极点是第二主极点，一般该节点的寄生电容和小信号一般该节点的寄生电容和小信号输入电阻比输入电阻比X、Y、N都大都大3.节点节点N、X(Y)对应的极点对应的极点很难断定谁大谁小，一般很难断定谁大谁小，一般同属一个数量级，节点同属一个数量级，节点X、Y只产生一个极点。只产生一个极点。重邮光电工程学院重邮光电工程学院18单端单端输出运放的波特图及补偿输出运放的波特图及补偿显然，显然，PA严重严重影响了带宽。影响了带宽。重邮光电工程学院重邮光电工程学院19更高更高输出电阻时的波特图输出电阻时的波特图增加输出电阻虽然使第一主极点前移，但低增加输出电阻虽然使第一主极点前移，但低频增益也同时增大，相频特性只在低频段发频增益也同时增大，相频特性只在低频段发生变化，相频特性生变化，相频特性PM没有发生任何变化。没有发生任何变化。重邮光电工程学院重邮光电工程学院20运放运放的频率补偿（例的频率补偿（例1）假定在单位增益带宽假定在单位增益带宽GB(f0dB)内只有一个主极内只有一个主极点点fP1，求低频增益，求低频增益A0、f0dB 与与fP1的关系。的关系。由单位增益的由单位增益的定义可知：定义可知：显然显然fP1越大，越大，GB(f0dB)越宽。越宽。重邮光电工程学院重邮光电工程学院21运放运放的频率补偿（例的频率补偿（例2）假定一三极点系统假定一三极点系统A05000,单位增益带单位增益带宽频率宽频率f0dB满足满足 fp1f0dBfp2,若若fp2=25M,fp3=50M,求当求当PM=70时的单位增益带宽频时的单位增益带宽频率率f0dB 及及 fp1。由前面推导可得由前面推导可得:重邮光电工程学院重邮光电工程学院22相位相位裕度与极点的关系（例）裕度与极点的关系（例）1.若运放有三个极点，没有零点，最高极点比若运放有三个极点，没有零点，最高极点比GB高高10倍，要达到倍，要达到60相位裕度相位裕度，P2必须比必须比GB高高2.2倍。倍。2.若运放有两个极点，没有零点，要得到若运放有两个极点，没有零点，要得到60相相位裕度，位裕度，P2必须比必须比GB高高1.73倍。倍。3.若运放有两个极点和一个若运放有两个极点和一个RHP零点，零点比零点，零点比GB高高10倍，要得到倍，要得到45相位裕度，相位裕度，P2必须比必须比GB高高1.22倍，要得到倍，要得到60相位裕度，相位裕度，P2必须比必须比GB高高2.2倍。倍。重邮光电工程学院重邮光电工程学院23全全差动套筒式运放的频率特性差动套筒式运放的频率特性 重邮光电工程学院重邮光电工程学院24Cascode 电流镜电流镜内部节点处寄生电容的影响内部节点处寄生电容的影响请注意请注意,Zout与负载电与负载电容的并联仍保持为单容的并联仍保持为单极点，即节点极点，即节点N的极的极点与输出节点的极点点与输出节点的极点是合并的，而不是两是合并的，而不是两个极点。只是这个合个极点。只是这个合并的极点比输出极点并的极点比输出极点稍低一点，其时间常稍低一点，其时间常数为输出节点的时间数为输出节点的时间常数与常数与r07CN之和。之和。重邮光电工程学院重邮光电工程学院25两极两极运放的密勒补偿（运放的密勒补偿（1）重邮光电工程学院重邮光电工程学院26两极两极运放的密勒补偿（运放的密勒补偿（2）一种两级运放的简化电路一种两级运放的简化电路 重邮光电工程学院重邮光电工程学院27密勒补偿的极点分裂现象（密勒补偿的极点分裂现象（1）重邮光电工程学院重邮光电工程学院28密勒补偿的极点分裂现象（密勒补偿的极点分裂现象（2）假定假定CC=CGD当当CCCE时时:重邮光电工程学院重邮光电工程学院29密勒补偿的极点分裂现象（密勒补偿的极点分裂现象（3）补偿后，在关心的频率内补偿后，在关心的频率内CC近似于短路，近似于短路，输出电阻约为输出电阻约为1/gm9/RL 1/gm9。第二主第二主极点提高了约极点提高了约gm9RL倍。倍。重邮光电工程学院重邮光电工程学院30放大器放大器零点的产生零点的产生 重邮光电工程学院重邮光电工程学院31零点零点与相位裕度的关系与相位裕度的关系 重邮光电工程学院重邮光电工程学院32RHP 零点零点的消除方法（的消除方法（1）VE当当gm9-1RZ，fZ ，零点在零点在无穷远处，即零点被消除了！无穷远处，即零点被消除了！重邮光电工程学院重邮光电工程学院33RHP 零点零点的消除方法（的消除方法（2）当当gm9-1RZ，零点移到左半平面，若满足下面条件，则以前的零点移到左半平面，若满足下面条件，则以前的第二个极点就和该零点对消了，即以前的第二个极点消除了！第二个极点就和该零点对消了，即以前的第二个极点消除了！该零、极点对消技术的缺点是该零、极点对消技术的缺点是RZ是负载电容是负载电容CL的函的函数，当负载电容未知或变化时，该技术很难实现。数，当负载电容未知或变化时，该技术很难实现。重邮光电工程学院重邮光电工程学院34RHP 零点零点的消除方法（的消除方法（3）跟跟踪踪温温度度和和工工艺艺而而生生成成Vb的的电电路路 重邮光电工程学院重邮光电工程学院35RHP 零点零点的消除方法（的消除方法（4）RZ与与RS的适当比率可保证的适当比率可保证RZ=(1+CL/CC)/gm9成成立立 重邮光电工程学院重邮光电工程学院36负载负载电容对阶跃响应的影响电容对阶跃响应的影响增大负载电容对单级运放与两级运放阶跃响应的影响增大负载电容对单级运放与两级运放阶跃响应的影响 重邮光电工程学院重邮光电工程学院37两极两极运放中的转换（运放中的转换（1）简单简单两级运放两级运放 重邮光电工程学院重邮光电工程学院38两极两极运放中的转换（运放中的转换（2）正正转换期间的简化电路转换期间的简化电路负转换期间的简化电路负转换期间的简化电路 重邮光电工程学院重邮光电工程学院39运放运放的其它补偿技术（的其它补偿技术（1）VoutminVGS2+VI2,源跟随器源跟随器M2减小了减小了输出电压摆幅。输出电压摆幅。重邮光电工程学院重邮光电工程学院40运放运放的其它补偿技术（的其它补偿技术（2）重邮光电工程学院重邮光电工程学院41运放运放的其它补偿技术（的其它补偿技术（3）前面补偿技术中的源跟随器限制了输出电压摆幅，本电路中前面补偿技术中的源跟随器限制了输出电压摆幅，本电路中VominVon1，从后面的分析中还可看见，其带宽比前种补偿技从后面的分析中还可看见，其带宽比前种补偿技术更宽，但所需静态功耗比前种补偿技术更大。术更宽，但所需静态功耗比前种补偿技术更大。重邮光电工程学院重邮光电工程学院42运放运放的其它补偿技术（的其它补偿技术（4）fp2增加了增加了gm2RS倍倍,电路可提供电路可提供更大带宽。更大带宽。重邮光电工程学院重邮光电工程学院43前述补偿技术两极运放中的转换前述补偿技术两极运放中的转换正正转换简化电路转换简化电路负转换简化电路负转换简化电路 重邮光电工程学院重邮光电工程学院44采用共栅补偿技术的全差动两级运放采用共栅补偿技术的全差动两级运放 重邮光电工程学院重邮光电工程学院45采用共栅补偿技术的单端输出两级运放采用共栅补偿技术的单端输出两级运放 重邮光电工程学院重邮光电工程学院46本章基本要求本章基本要求1.理解和掌握理解和掌握运放的稳定性条件，会利用波特图判运放的稳定性条件，会利用波特图判断运放是否稳定。断运放是否稳定。2.理解和掌握理解和掌握系统零点、极点与系统稳定性的相互系统零点、极点与系统稳定性的相互关系。关系。3.理解和掌握理解和掌握运放密勒补偿的特点及运用条件。运放密勒补偿的特点及运用条件。4.理解和掌握理解和掌握利用跟随器进行补偿时的特点及其与利用跟随器进行补偿时的特点及其与密勒补偿法的区别。密勒补偿法的区别。5.理解理解采用共栅级进行补偿时的特点。采用共栅级进行补偿时的特点。6.理解理解两级运放中的转换。两级运放中的转换。重邮光电工程学院重邮光电工程学院47