第8章反馈
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
北大微电子：模拟集成电路原理
第八章 反 馈
授课教师：鲁文高 Email: wglu@ime.pku.edu.cn 2007年4月23日
Feedback Ch. 8 # 1
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈
• 反馈：正反馈、负反馈
– 正反馈：振荡（麦克风与扬声器） – 负反馈：稳定（空调自动调温器） – 本章只讨论负反馈
Feedback Ch. 8 # 26
北大微电子：模拟集成电路原理
阻抗的改变（1）
VX − VM VX − (− βA0VX ) IX = = Rout Rout Rout VX = Rout,CL = IX 1+ βA0
输出端并联，阻抗减小
Feedback Ch. 8 # 27
北大微电子：模拟集成电路原理
Feedback Ch. 8 # 35
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电流反馈的例子
R0 = RD R0GmF C1 = g m1 RD C1 + C2 RD C1 g m1 RD C1 + C2
Feedback Ch. 8 # 36
Vout ∴ = I in 1 +
北大微电子：模拟集成电路原理
Feedback Ch. 8 # 31
北大微电子：模拟集成电路原理
电流-电压反馈
I out Gm = Vin 1 + Gm ⋅ RF
• • • • • • • 前馈网络Gm：V-I；反馈网络RF：I-V 信号检测：前馈网络的输出，电流信号，串联 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 也称串联-串联反馈 Gm：前馈网络增益，导纳的量纲 RF：反馈网络增益，电阻的量纲 Gm×RF：无量纲
Feedback Ch. 8 # 9
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈的特性3： 扩展带宽
Given A = A0 1+ s
ω0
A0 s 1+
扩展前
A0 ω0 1 + A0 β A ACL = = = s 1 + Aβ 1 + A0 β 1+ s ω0 (1 + A0 β ) 1+
扩展后
ω0
Feedback Ch. 8 # 10
– 输入电阻减小
Rin ,cl Rout ,cl
• 输出端并联，
– 输出电阻减小
Vout R0 = I in 1 + R0GmF
Feedback Ch. 8 # 38
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 3
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈
X(s)：输入信号；Y(s)：输出信号 Y(s)/ X(s)：闭环传输函数，闭环增益 H(s)：前馈网络；开环传输函数，开环增益 G(s)：反馈网络；若与频率无关，可用β代替 H(s)× G(s)：环路增益 β ：反馈系数
Feedback Ch. 8 # 33
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 30
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
阻抗的改变（2）
VX = Rin,CL = Rin (1+ β A0 ) IX
输入端串联，阻抗增大
Feedback Ch. 8 # 28
北大微电子：模拟集成电路原理
闭环增益与输出电阻的计算
β=
C1 C1 + C2 & A0 = g m1 (ro 2 || ro 4 )
∴ A cl =
g m1 (ro 2 || ro 4 ) C1 × g m1 (ro 2 || ro 4 ) 1+ C1 + C2 ro 2 || ro 4 C1 1+ × g m1 (ro 2 || ro 4 ) C1 + C2
北大微电子：模拟集成电路原理
环路增益的计算
• Step1：输入置为0，并断开环路 • Step2：加测试信号Vt，求VF
VF C2 = × (− g m1ro1 ) Vt C1 + C2
Feedback Ch. 8 # 14
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
Feedback Ch. 8 # 21
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈系统中信号的检测
• 检测对象：H(s)的输出信号
– 若H(s)是跨导放大器或电流放大器， 则检测I；为串联采样； – 若H(s)是跨阻放大器或电压放大器， 则检测V；为并联采样。
Feedback Ch. 8 # 22
北大微电子：模拟集成电路原理
Feedback Ch. 8 # 34
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电流反馈
Vout R0 = I in 1 + R0 ⋅ GmF
• • • • • • • 前馈网络R0：I-V；反馈网络gmF：V-I 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 信号返回：前馈网络的输入，电流信号，并联 也称并联-并联反馈 R0：前馈网络增益，电阻的量纲 GmF：反馈网络增益，导纳的量纲 R0×GmF ：无量纲
北大微电子：模拟集成电路原理
MOSFET的不同接法（单管）
• 共源单管：跨导放大器
– 输入V – 输出I
• 共漏单管：电压放大器
– 输入V – 输出V
• 共栅单管：电流放大器
– 输入I – 输出I
Feedback Ch. 8 # 17
北大微电子：模拟集成电路原理
不同放大器的组合（1）
• 跨阻放大器（I-V）可以由电阻实现 • 图(a)：M1，V-I（共源）；RD，I-V。组合V-V V • 图(b)：M1，I-I（共栅）；RD，I-V。组合I-V I
ACL =
Y A 1 Aβ 1 = = ⋅ ≈ (if Aβ >> 1) X 1 + Aβ β 1 + Aβ β dACL 1 = dA (1 + Aβ )2 dACL 1 dA = × ACL 1 + Aβ A
Feedback Ch. 8 # 6
北大微电子：模拟集成电路原理
增益灵敏度降低的例子
(Vin − VX )sC1 = (VX − Vout )sC2
Vout A0 = Vin 1 + β ⋅ A0
• • • • 前馈网络A0：V-V；反馈网络β：V-V 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 也称串联-并联反馈：
– “串联-并联反馈”，反馈信号与输入信号串联，检测信号与输出信号并 联 – “电压-电压反馈”，描述了反馈网络的特性 – 两种说法角度不同，信号的顺序也不同
Rout ,cl =
Feedback Ch. 8 # 29
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
Rin ,cl = (1 + A0 β ) Rin Rout ,cl Rout = 1 + A0 β
• 输出端并联，
– 输出电阻减小
Vout A0 = Vin 1 + A0 β
信号的返回
• 电压信号：
– 差分对 – 共漏 – 反馈信号与输入信号不同节点，串联
• 电流信号：
– 反馈信号与输入信号同一节点，并联
Feedback Ch. 8 # 23
北大微电子：模拟集成电路原理
信号的检测及返回的一些实例
Feedback Ch. 8 # 24
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈的作用：
– – – – 降低增益灵敏度 改变输入/输出阻抗 扩展系统带宽 抑止非线性
Feedback Ch. 8 # 2
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
反馈的特性2：改变输入/输出阻抗
VX − VM VX − ( − βA0VX ) IX = = Rout Rout VX Rout = Rout ,CL = IX 1 + βA0
Feedback Ch. 8 # 8
北大微电子：模拟集成电路原理
负反馈改变阻抗的例子
1 Rin,open = g m1 + gmb1 C1 C1 VP = Vout = ( g m1 + gmb1 )Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ RD C1 + C2 C1 + C2 C1 I X = ( g m1 + gmb1 )VX + g m2 ( g m1 + g mb1 )VX RD C1 + C2 VX 1 1 Rin,closed = = I X g m1 + gmb1 1 + g R m2 D C1 C1 + C2
北大微电子：模拟集成电路原理
带宽扩展前后的波特图
扩展前 扩展后
Feedback Ch. 8 # 11
北大微电子：模拟集成电路原理
扩展带宽的使用实例
Feedback Ch. 8 # 12
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈的特性4：抑止非线性
• 第13章中具体介绍
Feedback Ch. 8 # 13
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 20
北大微电子：模拟集成电路原理
信号的检测
• (a)：检测电压，并联电压表 • (b)：检测电流，串联电流表 • (c)：检测电流的实际电路，测Rs的压降
以上二式联立，得 VOUT 1 C =− ≈ − 1 , for large g m1ro1 VIN C2 1 C2 1 1 + g r C + g r m1 o1 1 m1 o1
Feedback Ch. 8 # 7
Vout = − g m1ro1 VX
北大微电子：模拟集成电路原理
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 25
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电压反馈
Feedback Ch. 8 # 32
北大微电子：模拟集成电路原理
电流-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
Rin ,cl = (1 + Gm RF ) Rin Rout ,cl = (1 + Gm RF ) Rout I out Gm = Vin 1 + Gm RF
• 输出端串联，
– 输出电阻增大
电压-电流反馈的应用：光纤接收器
• 左图，输入阻抗R1
– 时间常数大，带宽小
• 右图，输入阻抗为R1/(1+A)
– 时间常数小，带宽大
Feedback Ch. 8 # 37
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电流反馈的特性
Rin = 1 + R0GmF Rout = 1 + R0GmF
• 输入端并联，
Feedback Ch. 8 # 18
北大微电子：模拟集成电路原理
不同放大器的组合（2）
图（a） • M1: 共源V-I • RD: I-V • M2: 共漏V-V 组合以后： V-V
Feedback Ch. 8 # 19
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
Feedback Ch. 8 # 4
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈：闭环传输函数
Y(s) = H (s)[X(s) − G(s)Y (s)] Y(s) H (s) = X(s) 1+ G(s)H (s)
Feedback Ch. 8 # 5
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈的特性1：降低增益灵敏度
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 15
北大微电子：模拟集成电路原理
放大器的种类
电流放大器
V-V
I-V
V-I
I-I
Feedback Ch. 8 # 16
第八章 反 馈
授课教师：鲁文高 Email: wglu@ime.pku.edu.cn 2007年4月23日
Feedback Ch. 8 # 1
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈
• 反馈：正反馈、负反馈
– 正反馈：振荡（麦克风与扬声器） – 负反馈：稳定（空调自动调温器） – 本章只讨论负反馈
Feedback Ch. 8 # 26
北大微电子：模拟集成电路原理
阻抗的改变（1）
VX − VM VX − (− βA0VX ) IX = = Rout Rout Rout VX = Rout,CL = IX 1+ βA0
输出端并联，阻抗减小
Feedback Ch. 8 # 27
北大微电子：模拟集成电路原理
Feedback Ch. 8 # 35
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电流反馈的例子
R0 = RD R0GmF C1 = g m1 RD C1 + C2 RD C1 g m1 RD C1 + C2
Feedback Ch. 8 # 36
Vout ∴ = I in 1 +
北大微电子：模拟集成电路原理
Feedback Ch. 8 # 31
北大微电子：模拟集成电路原理
电流-电压反馈
I out Gm = Vin 1 + Gm ⋅ RF
• • • • • • • 前馈网络Gm：V-I；反馈网络RF：I-V 信号检测：前馈网络的输出，电流信号，串联 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 也称串联-串联反馈 Gm：前馈网络增益，导纳的量纲 RF：反馈网络增益，电阻的量纲 Gm×RF：无量纲
Feedback Ch. 8 # 9
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈的特性3： 扩展带宽
Given A = A0 1+ s
ω0
A0 s 1+
扩展前
A0 ω0 1 + A0 β A ACL = = = s 1 + Aβ 1 + A0 β 1+ s ω0 (1 + A0 β ) 1+
扩展后
ω0
Feedback Ch. 8 # 10
– 输入电阻减小
Rin ,cl Rout ,cl
• 输出端并联，
– 输出电阻减小
Vout R0 = I in 1 + R0GmF
Feedback Ch. 8 # 38
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 3
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈
X(s)：输入信号；Y(s)：输出信号 Y(s)/ X(s)：闭环传输函数，闭环增益 H(s)：前馈网络；开环传输函数，开环增益 G(s)：反馈网络；若与频率无关，可用β代替 H(s)× G(s)：环路增益 β ：反馈系数
Feedback Ch. 8 # 33
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 30
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
阻抗的改变（2）
VX = Rin,CL = Rin (1+ β A0 ) IX
输入端串联，阻抗增大
Feedback Ch. 8 # 28
北大微电子：模拟集成电路原理
闭环增益与输出电阻的计算
β=
C1 C1 + C2 & A0 = g m1 (ro 2 || ro 4 )
∴ A cl =
g m1 (ro 2 || ro 4 ) C1 × g m1 (ro 2 || ro 4 ) 1+ C1 + C2 ro 2 || ro 4 C1 1+ × g m1 (ro 2 || ro 4 ) C1 + C2
北大微电子：模拟集成电路原理
环路增益的计算
• Step1：输入置为0，并断开环路 • Step2：加测试信号Vt，求VF
VF C2 = × (− g m1ro1 ) Vt C1 + C2
Feedback Ch. 8 # 14
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
Feedback Ch. 8 # 21
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈系统中信号的检测
• 检测对象：H(s)的输出信号
– 若H(s)是跨导放大器或电流放大器， 则检测I；为串联采样； – 若H(s)是跨阻放大器或电压放大器， 则检测V；为并联采样。
Feedback Ch. 8 # 22
北大微电子：模拟集成电路原理
Feedback Ch. 8 # 34
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电流反馈
Vout R0 = I in 1 + R0 ⋅ GmF
• • • • • • • 前馈网络R0：I-V；反馈网络gmF：V-I 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 信号返回：前馈网络的输入，电流信号，并联 也称并联-并联反馈 R0：前馈网络增益，电阻的量纲 GmF：反馈网络增益，导纳的量纲 R0×GmF ：无量纲
北大微电子：模拟集成电路原理
MOSFET的不同接法（单管）
• 共源单管：跨导放大器
– 输入V – 输出I
• 共漏单管：电压放大器
– 输入V – 输出V
• 共栅单管：电流放大器
– 输入I – 输出I
Feedback Ch. 8 # 17
北大微电子：模拟集成电路原理
不同放大器的组合（1）
• 跨阻放大器（I-V）可以由电阻实现 • 图(a)：M1，V-I（共源）；RD，I-V。组合V-V V • 图(b)：M1，I-I（共栅）；RD，I-V。组合I-V I
ACL =
Y A 1 Aβ 1 = = ⋅ ≈ (if Aβ >> 1) X 1 + Aβ β 1 + Aβ β dACL 1 = dA (1 + Aβ )2 dACL 1 dA = × ACL 1 + Aβ A
Feedback Ch. 8 # 6
北大微电子：模拟集成电路原理
增益灵敏度降低的例子
(Vin − VX )sC1 = (VX − Vout )sC2
Vout A0 = Vin 1 + β ⋅ A0
• • • • 前馈网络A0：V-V；反馈网络β：V-V 信号检测：前馈网络的输出，电压信号，并联 信号返回：前馈网络的输入，电压信号，串联 也称串联-并联反馈：
– “串联-并联反馈”，反馈信号与输入信号串联，检测信号与输出信号并 联 – “电压-电压反馈”，描述了反馈网络的特性 – 两种说法角度不同，信号的顺序也不同
Rout ,cl =
Feedback Ch. 8 # 29
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
Rin ,cl = (1 + A0 β ) Rin Rout ,cl Rout = 1 + A0 β
• 输出端并联，
– 输出电阻减小
Vout A0 = Vin 1 + A0 β
信号的返回
• 电压信号：
– 差分对 – 共漏 – 反馈信号与输入信号不同节点，串联
• 电流信号：
– 反馈信号与输入信号同一节点，并联
Feedback Ch. 8 # 23
北大微电子：模拟集成电路原理
信号的检测及返回的一些实例
Feedback Ch. 8 # 24
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈的作用：
– – – – 降低增益灵敏度 改变输入/输出阻抗 扩展系统带宽 抑止非线性
Feedback Ch. 8 # 2
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
反馈的特性2：改变输入/输出阻抗
VX − VM VX − ( − βA0VX ) IX = = Rout Rout VX Rout = Rout ,CL = IX 1 + βA0
Feedback Ch. 8 # 8
北大微电子：模拟集成电路原理
负反馈改变阻抗的例子
1 Rin,open = g m1 + gmb1 C1 C1 VP = Vout = ( g m1 + gmb1 )Vቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ RD C1 + C2 C1 + C2 C1 I X = ( g m1 + gmb1 )VX + g m2 ( g m1 + g mb1 )VX RD C1 + C2 VX 1 1 Rin,closed = = I X g m1 + gmb1 1 + g R m2 D C1 C1 + C2
北大微电子：模拟集成电路原理
带宽扩展前后的波特图
扩展前 扩展后
Feedback Ch. 8 # 11
北大微电子：模拟集成电路原理
扩展带宽的使用实例
Feedback Ch. 8 # 12
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈的特性4：抑止非线性
• 第13章中具体介绍
Feedback Ch. 8 # 13
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 20
北大微电子：模拟集成电路原理
信号的检测
• (a)：检测电压，并联电压表 • (b)：检测电流，串联电流表 • (c)：检测电流的实际电路，测Rs的压降
以上二式联立，得 VOUT 1 C =− ≈ − 1 , for large g m1ro1 VIN C2 1 C2 1 1 + g r C + g r m1 o1 1 m1 o1
Feedback Ch. 8 # 7
Vout = − g m1ro1 VX
北大微电子：模拟集成电路原理
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 25
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电压反馈
Feedback Ch. 8 # 32
北大微电子：模拟集成电路原理
电流-电压反馈的特性
• 输入端串联，
– 输入电阻增大
Rin ,cl = (1 + Gm RF ) Rin Rout ,cl = (1 + Gm RF ) Rout I out Gm = Vin 1 + Gm RF
• 输出端串联，
– 输出电阻增大
电压-电流反馈的应用：光纤接收器
• 左图，输入阻抗R1
– 时间常数大，带宽小
• 右图，输入阻抗为R1/(1+A)
– 时间常数小，带宽大
Feedback Ch. 8 # 37
北大微电子：模拟集成电路原理
电压-电流反馈的特性
Rin = 1 + R0GmF Rout = 1 + R0GmF
• 输入端并联，
Feedback Ch. 8 # 18
北大微电子：模拟集成电路原理
不同放大器的组合（2）
图（a） • M1: 共源V-I • RD: I-V • M2: 共漏V-V 组合以后： V-V
Feedback Ch. 8 # 19
北大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容
• 反馈概述
– 反馈的特性 – 放大器的种类 – 检测与返回机制
Feedback Ch. 8 # 4
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈：闭环传输函数
Y(s) = H (s)[X(s) − G(s)Y (s)] Y(s) H (s) = X(s) 1+ G(s)H (s)
Feedback Ch. 8 # 5
北大微电子：模拟集成电路原理
反馈的特性1：降低增益灵敏度
• 反馈结构
– – – – 电压-电压反馈：串联-并联 电流-电压反馈：串联-串联 电压-电流反馈：并联-并联 电流-电流反馈：并联-串联
• 反馈系统中负载的影响
Feedback Ch. 8 # 15
北大微电子：模拟集成电路原理
放大器的种类
电流放大器
V-V
I-V
V-I
I-I
Feedback Ch. 8 # 16