【精品课件】运算放大器的频率补偿
高二物理竞赛课件集成运放的频率响应和频率补偿
20lg Aod / dB
Gm为幅值裕度
O
fc
m为相位裕度
Gm f
φ
00
f0
Gm 20lg Aod f f0
f
-900
-1800
m
m 1800 f fc
一般要求Gm 10dB，m 450
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1. 滞后补偿
滞后补偿：加入补偿电路后，
使运放的幅频特性在大于0dB的频率范围内
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ui
UI
o
uo
Um 0.9Um
0.1Um
o tr
uo
Uom U o m
t o
tp t
1. 上升时间 tr 2. 倾斜率
Uom Uom 100%
t
Uom
3. 超调量
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频率响应与阶跃响应的关系
以单管共射放大电路为例
f H 与tr 之间的关系 tr 2.2RC
集成运放的频率响应和频率补 偿
集成运放的频率响应和频率补偿
频率响应
频率补偿
一、集成运放的频率响应
20lg Aod / dB
-20dB/十倍频 -40dB/十倍频
低频特性很好
-60dB/十倍频
O
φ
100 101
f0 fc
102 103 104
f /HZ
C 或Cgs很大
-450 -900
f 内部必须接补偿电容
f = f0 时极间电容引起的附加相移为±1800
20lg Aod / dB
fc ：单位增益带宽 此时差模增益下降为0dB
O
φ
-450 -900 -1350 -1800 -2250 -2700
5_第五讲_运算放大器及频率补偿分析
Design of Analog CMOS Integrated Circuit
Institute of VLSI Design, Hefei U.of Tech
第五讲 运算放大器及频率补偿
1
5.1 概述
5.2 单级运放 5.3 两级运放 5.4 增益的提高 5.5 共模反馈 5.6 输入范围 5.7 转换速率 5.8 电源抑制 5.9 运放的频率补偿 5.10 运放的设计
能否级联比两级更多的级数来获得更高的增益？
折叠共源 共栅尾电 流源
PMOS为输入对管的折叠式共源共栅运放结构
notice： （1）ISS1=ISS/2+ID3，折叠结构消耗更大的功率。 （2）输入共模电平需大于Vb1-VGS3+VTHP，允许 将输入和输出短接。
10
折叠式共源共栅运放的特点： （1）大的输出摆幅
单边输出摆幅：VDD -(VOD3 +VOD5 + VOD7 + VOD9 )
声和失调较大
5、噪声与失调 确定了能被处理的最小信号电平。
电流不变，过驱动电压降低 以提高输出摆幅，跨导增加， 漏电流噪声增加。
5
6、电源抑制 电源噪声会影响运放的性能，因此全差动结构更受欢 迎。
5.2 单级运放
前面研究的全部差动放大器均称 为运放。 注意两个 电路极点 区别
镜像 极点
简单运放结构
对于单极点系统，A(s）=A0/ （1+s/ω0），ω0是3dB带宽， A0 ω0 是增益带宽积（GBW），决定闭环系 统的时间常数。
4
在运放的整体设计中需对各参数进 行折衷考虑。
3、输出摆幅 使用运放的多数系统要求大的电压摆幅以适应大范 围的信号值。 对大输出摆幅的需求使全差动运放使用十分普遍。
放大电路的频率补偿
放大电路的频率补偿一、概述放大电路中的频率补偿是指在放大电路中加入相应的电路元件以使信号在不同频率下获得相同的增益，即在许多频率点上获得平坦的增益特性。
这种补偿电路是用来对放大电路的频率响应进行修正的，以确保放大电路对不同频率的信号进行准确的放大。
二、放大电路的频率响应放大电路在不同频率的信号输入下会产生不同的增益，通常会发生低频降低、高频升高的问题。
这是由于不同频率的信号经过传输后的电容、电感和电阻等电路元件的响应不同。
如果不进行修正，放大电路在不同频率下的输出信号将会失真，从而影响信号的传输质量。
三、频率补偿电路的分类1、毛刺电路毛刺电路是一种常见的频率补偿电路，用于平衡高频放大器在频谱上的响应。
在高频范围内，放大器电容和电阻之间的反馈路径会产生毛刺。
这时，可通过在反馈路径中添加一个毛刺电路，以平衡反馈路径上的响应。
2、反馈电容电路反馈电容电路也是常见的频率补偿电路之一，它通过在反馈回路中添加一个带有大电容的元件来平衡放大器在低频范围上的响应。
反馈电容电路还有一个优点，即可以抑制放大器的直流漂移。
3、半导体电子组件半导体电子元件也是常用的频率补偿电路之一。
在集成电路中，由于工艺的限制，晶体管的实际功率增益随频率而降低。
在这种情况下，可以通过添加半导体电子组件来抵消不同频率下的功率损失，从而实现频率补偿。
4、LC网络LC网络也是一种常见的频率补偿电路，它利用电感和电容来平衡放大器的频率响应。
对于低频区域，电感可以将低频信号过滤掉，而对于高频区域，电容则可以将高频信号过滤掉。
因此，通过调整电感和电容的组合，可以实现放大器在整个频率范围内的平坦增益特性。
四、应用实例频率补偿电路在实际应用中非常广泛。
例如，在功率放大器中，频率补偿电路用于保持电路的增益平坦，实现高品质的声音传输。
另外，在无线电通信领域，频率补偿电路是必要的，因为无线电信号在传输过程中会受到频率偏移影响，导致信号质量下降。
频率补偿电路可以对这种偏移进行补偿，以确保信号传输质量。
运算放大器稳定性及频率补偿
信息科学与技术学院模拟CMOS集成电路设计——稳定性与频率补偿学习报告姓名：学号：二零一零年十二月稳定性及频率补偿2010-12-3一、自激振荡产生原因及条件1、自激振荡产生原因及条件考虑图1所示的负反馈系统，其中β为反馈网络的反馈系数，并假定β是一个与频率无关的常数，即反馈网络由纯电阻构成，不产生额外的相移(0βϕ=)；H (s )为开环增益，则()H s β为环路增益。
所以，该系统输入输出之间的相移主要由基本放大电路产生。
图1 基本负反馈系统 该系统的闭环传输函数(即系统增益)可写为：()()1()Y H s s X H s β=+ 由上式可知，若系统增益分母1()H s j βω==-1，则系统增益趋近于∞，电路可以放大自身的噪声直到产生自激振荡，即：如果1()H j βω=-1，则该电路可以在频率1ω产生自激振荡现象。
则自激振荡条件可表示为：1|()|1H j βω=1()180H j βω∠=-注意到，在1ω时环绕这个环路的总相移是360，因为负反馈本身产生了180的相移，这360的相移对于振荡是必需的，因为反馈信号必须同相地加到原噪声信号上才能产生振荡。
为使振荡幅值能增大，要求环路增益等于或者大于1。
所以，负反馈系统在1ω产生自激振荡的条件为：(1)在该频率下，围绕环路的相移能大到使负反馈变为正反馈；(2)环路增益足以使信号建立。
2、重要工具波特图判断系统是否稳定的重要工具是波特图。
波特图根据零点和极点的大小表示一个复变函数的幅值和相位的渐进特性。
波特图的画法：(1)幅频曲线中，每经过一个极点P ω(零点Z ω)，曲线斜率以-20dB/dec(+20dB/ dec)变化；(2)相频曲线中，相位在0.1P ω(0.1Z ω)处开始变化，每经过一个极点P ω(零点Z ω)，相位变化-45(±45)，相位在10P ω(10Z ω)处变化-90(±90)；(3)一般来讲，极点(零点)对相位的影响比对幅频的影响要大一些。
运算放大器(3)
稳定相位裕度
由上式可以看出： 由上式可以看出：
上式的值大于1，即表示在ω 当PM＜60°时，上式的值大于 ，即表示在 ＝ ω1处系统的闭环频率响应存在一个尖峰，这表示该 处系统的闭环频率响应存在一个尖峰， 系统稳定，但可能还存在减幅振荡。 系统稳定，但可能还存在减幅振荡。 上式的值为1， 当PM＝60°时，上式的值为 ，表明此时在系统 的闭环频率响应中频率峰值已不存在。 的闭环频率响应中频率峰值已不存在。这表示反馈 系统的阶跃响应出现小的减幅振荡现象， 系统的阶跃响应出现小的减幅振荡现象，系统稳定 而且快速。所以通常认为PM=60°是最合适的相 而且快速。所以通常认为 位裕度。 位裕度。 系统虽然很稳定， 当PM＞60°时，系统虽然很稳定，但是其时间响 应速度减慢了。 应速度减慢了。
频率补偿
补偿方法概述
根据系统稳定的条件可以得到补偿的两种方法： 根据系统稳定的条件可以得到补偿的两种方法：
使系统总的相移减至最小， 使系统总的相移减至最小，即使∠FA达到－180°的频 达到 率值增大，即在电路设计时要求尽量减少系统的极点数， 率值增大，即在电路设计时要求尽量减少系统的极点数， 也即尽量减少放大器的级数，因此会降低增益、 也即尽量减少放大器的级数，因此会降低增益、限制输 出摆幅。 出摆幅。 降低环路增益，使其幅值|FA|减小，从而减小 减小， 降低环路增益，使其幅值 减小 从而减小|FA|为 为 零时的频率，这种方法保持了低频增益和输出摆幅， 零时的频率，这种方法保持了低频增益和输出摆幅，但 在更低频率时增益下降、带宽减小。 在更低频率时增益下降、带宽减小。
在运放的实际设计中选用频率补偿方法： 在运放的实际设计中选用频率补偿方法：
首先在满足运放的其它指标下尽量减少运放的极点数。 首先在满足运放的其它指标下尽量减少运放的极点数。 然后如不能达到系统稳定工作的条件， 然后如不能达到系统稳定工作的条件，则必须进行频率 补偿，以使 为零时的频率减小。 补偿，以使|FA|为零时的频率时的闭环增 益为|Y/X|≈1/F，所以有： ，所以有： 益为
运放频率补偿
运放频率补偿运放频率补偿是指在运放电路中，通过采取一定的措施来提高运放的频率响应的方法。
在实际应用中，运放的频率响应往往会受到多种因素的影响，如输入电容、输出电容、开环增益、内部电容等。
为了提高运放的频率响应，可以采取以下几种常见的补偿方法。
一、极点补偿在运放的传递函数中，如果极点位置导致频率响应下降，可以通过极点补偿来提高运放的频率响应。
极点补偿是指在运放电路中增加一个或多个补偿电容，使得极点位置移动到更高的频率位置，从而提高运放的频率响应。
二、零点补偿在运放的传递函数中，如果零点位置导致频率响应上升，可以通过零点补偿来改善运放的频率响应。
零点补偿是指在运放电路中增加一个或多个补偿电容，使得零点位置移动到更低的频率位置，从而改善运放的频率响应。
三、带宽增强带宽增强是通过改变运放的内部结构或采用特殊的电路技术来提高运放的频率响应。
其中一种常见的方法是采用高频增益补偿技术，通过在运放电路中增加一个或多个高频增益电路，使得运放在高频范围内具有更高的增益，从而提高运放的频率响应。
四、电流镜补偿电流镜补偿是通过在运放电路中增加一个或多个电流镜电路来改善运放的频率响应。
电流镜补偿的原理是通过在运放电路中引入一个高频的反馈路径，使得运放在高频范围内具有更高的增益，从而提高运放的频率响应。
五、反馈补偿反馈补偿是通过改变运放的反馈网络来提高运放的频率响应。
其中一种常见的方法是采用电容负反馈技术，通过在运放的反馈网络中增加一个或多个电容，使得运放在高频范围内具有更高的增益，从而提高运放的频率响应。
运放频率补偿在实际应用中具有重要意义。
对于需要处理高频信号的电路，如音频放大器、射频前端等，提高运放的频率响应可以保证信号的传输质量和准确性。
同时，在一些特殊的应用场合，如超声波传感器、精密测量仪器等，运放频率补偿也可以提高系统的稳定性和灵敏度。
运放频率补偿是提高运放电路频率响应的重要方法。
通过极点补偿、零点补偿、带宽增强、电流镜补偿和反馈补偿等手段，可以有效地提高运放的频率响应。
运放频率补偿
1. 令 Z( S)=0,得零点SZ，令 P( S)=0,得极点SP。零、 极点都是复数，稳定系统要求RE(SP)<0。 2. 在A(S)令S=jω，则| A(jω) |模值的大小即是放大器 的幅频特性，它是频率f的函数。 3. 在A(S)令S=jω，则∠| A(jω) |的大小即是放大器的 相频特性，它也是频率f的函数。
Vout(S) = Vin(S) R SR L C E C C + C E + C C C L S2 + R S 1+ g m9R L C C + C E + C L + C C R L S +1 CCS -g m9 R L(1- ) g m9
运放的稳定性与频率补偿 Ch. 10 # 28
1 CE + CL 2π g m9
运放的稳定性与频率补偿 Ch. 10 # 30
放大器零点的产生
g m9 fZ(RHP)= 2πCC
Vout(S) = Vin(S) R SR L C E C C + CE + CC CL S2 + R S 1+ gm9 R L CC + CE + CL + CC R L S +1
判断系统是否稳定的有力工具是波特图！
运放的稳定性与频率补偿 Ch. 10 # 4
波特图的画法 1. 幅频曲线中，每经过一个极点ωP(零点ωZ)， 曲线斜率以-20dB/dec (+20dB/dec )变化。 2. 相频曲线中，相位在0.1ωP(0.1ωZ)处开始变化 ，每经过一个极点ωP(零点ωZ)，相位变化45° (±45°)，相位在10ωP(10ωZ)处变化90° (±90°) 3. 一般来讲，极点 (零点)对相位的影响比对幅 频的影响要大一些。
教学课件：第五讲-运算放大器及频率补偿分解
运算放大器可以用于构建音频滤波器， 对音频信号进行滤波处理，去除噪声 或突出特定频段。
音频均衡器
通过使用运算放大器，可以调整音频 信号的频谱分布，实现音频均衡处理， 改善音质。
模拟电路中的信号放大
信号调理电路
运算放大器在模拟电路中常用于 信号调理，将微弱的模拟信号放
大到合适的幅度范围。
模拟电路放大器
02
运算放大器的频率响应
频率响应的定义与重要性
频率响应的定义
频率响应是指运算放大器在不同频率 下的输出电压与输入电压之比。它是 衡量运算放大器性能的重要参数之一 。
频率响应的重要性
频率响应决定了运算放大器在不同频 率下的放大倍数，从而影响电路的性 能。了解频率响应有助于合理选择和 使用运算放大器，优化电路设计。
பைடு நூலகம்
THANKS
感谢观看
随着新材料和新工艺的发展，未来运算放大器和频率补偿 技术将更加高效和可靠，具有更广泛的应用前景。
智能化与自动化的趋势
随着人工智能和自动化技术的不断发展，未来的运算放大 器和频率补偿技术将更加智能化和自动化，能够自适应地 调整参数以满足不同应用需求。
系统集成与小型化的挑战
随着电子系统集成度的不断提高和小型化的发展，如何实 现高性能、低噪声、小体积的运算放大器和频率补偿技术 将是一个重要的研究方向。
试。
元件选择
根据设计要求选择适当的电阻 和电容值，确保电路的稳定性
和性能。
仿真验证
使用电路仿真软件对设计进行 验证，调整元件值以优化性能
。
实际电路测试
搭建实际电路，测试其性能指 标，如带宽、稳定性、失真等
。
04
运算放大器的应用实例