放大电路的频率特性-课件

基本电路的频率特性
可能产生 极点
共源极频率特性
密勒定理
基本电路的频率特性
如果图a电路可以转换为图b电路，则有
共源极频率特性
放大器性能评价
FOM: Figure of Merit: 质量因数，价值
基本电路的频率特性
共源极
FOM越大越好，表明：用尽量小的电流ID获得尽量大的增 益带宽积GBW，并能够驱动足够大的电容负载CL
增益带宽积始终不变
两极点运放
两极点运放
反馈与稳定性
闭环反馈系统的极点始终在左半平面
环路增益LG(=AF)的相位<180度 系统始终是稳定的 稳定就够了吗？
两极点运放
较小的反馈
反馈与稳定性
两极点运放
较小的反馈
反馈与稳定性
犹如单极点系统，10倍增益下降换来10倍带宽增加
两极点运放
较大的反馈
反馈与稳定性
2倍：单位反馈运放具有幅度最大平坦特性 QF=0.707
3倍：单位反馈运放具有群延时最大平坦特性 QF=0.577
4倍以上：单位反馈运放没有复数极点 QF<0.5
通用运放与专用放大器的设计区别？
极点配置方案
特性 假设增益带宽积恒定（1rad/s）
反馈与稳定性
相位裕量
反馈与稳定性
相位裕量
反馈与稳定性
稳定性分析
反馈与稳定性
稳定性分析
运算放大器通常以负反馈的形式获得稳定的、可控的 线性放大增益
要求在负反馈应用的所有情况下，运算放大器都应该是稳定的
应用情况：单位增益负反馈是最大的负反馈应用情况 这里的稳定不仅是指系统稳定，同时指系统应具有良好的行为特性
希望反馈系统具有频域最佳响应或时域最佳响应，这就对运算放大器的 相位裕度提出了一定要求
多个负实极点
稳定性与零极点位置
主极点决定系统带宽
找到放大电路中的高电阻阻抗 节点，这个结点上的电容往往 决定了整个放大器的带宽 找到每个电容两端的开路电阻， 开路电阻最大的那个电容决定 带宽
多个负实极点频率特性
稳定性与零极点位置
优良性能的低通网络
什么样的低通网络才算性能优良？ 通带内幅度为常数
反馈与稳定性
稳定
非稳定
闭环系统函数的极点在左半平面
闭环系统函数的极点在右半平面
零点的影响
左零
反馈与稳定性
右零
从相位的角度看，右半平面零点相当于一个极点的作用，使得 相移多增加了一个90度
原系统函数中的右半平面零点对闭环系统稳定性的影响比一个极点要恶劣， 要重点考虑之！
稳定性的基本结论
反馈与稳定性
放 大 电 路 的 频率特 性
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稳定系统
稳定性与零极点位置
不稳定系统
稳定性与零极点位置
临界系统
稳定性与零极点位置
零点
稳定性与零极点位置
系统函数中的零点，只影响时域函数的幅度和相 位，不影响时域波形的形式
系统函数中的零点，只影响时域函数的幅度和相位， 不影响时域波形的形式
极点配置方案
反馈与稳定性
在系统三个极点均为负实极点的情况下，反馈 系统的根轨迹运行决定了不可能找到最优解
可以用二极点运放进行类比
相位裕度63度，巴特沃斯响应 相位裕度71度，群延时最平坦
如果在单位增益负反馈情况下运放都是稳定的，则认为运放是稳定的
负反馈
稳定性分析
稳定判据
稳定性分析
一个反馈系统如果同时满足如下两个条件，则系统为不 稳定的，在某个频率点上将产生振荡
在该频率点上，反馈环路的相移大到使得反馈变化为正反馈 正反馈时，增益足够高，使得信号可以建立
闭环系统的稳定与非稳定
如果环路增益是单极点系统，则闭环系统一定是稳定的：相 移< 90度
如果环路增益是两极点系统，则闭环系统一定是稳定的：相来自百度文库移< 180度 如果环路增益是两极点一零点系统
如果零点在左半平面，则闭环系统一定是稳定的：相移<180度 如果零点在右半平面，则闭环系统有可能是不稳定的：相移<270度
如果环路增益是三极点系统，则闭环系统可能是不稳定的： 相移<270度
闭环增益有过量增益或过量相位时，闭环系统函数的极点将会跑到右半平
面去，系统不稳定！
稳定性分析
反馈与稳定性
稳定性分析
反馈与稳定性
单极点运放
单极点运放
反馈与稳定性
闭环系统的极点始终位于左半平面
环路增益LG(=AF)的相位<90度 闭环系统始终是稳定的
单极点运放
增益带宽积
反馈与稳定性
增益每下降20dB，带宽就增加10 倍，这两者之间是简单的互换关系
两个极点重合
两极点运放
过大的反馈
反馈与稳定性
100倍的增益下降只能换来10倍的带宽增加，且 幅频特性出现过冲量
两极点运放
单位反馈
反馈与稳定性
单位增益，过冲量为
极点配置方案
反馈与稳定性
第二个极点至少应该在增益带宽积之外！
极点配置方案
反馈与稳定性
在单位反馈条件下，若要两极点运算放大器有较好的时域/频域 性能，那么第二个极点（非主极点）应该是增益带宽积的：
共源极频率特性
零点
零点的产生是由于信号有两个路徂 可由输入端到达输出端
两个路徂中，一个通过电容耦合，另一个不 通过电容
零点出现在右半平面，原因在于两 个路徂的信号到达输出端后相位相 反
基本电路的频率特性
右半平面零点影响系统的相位裕度
共源共栅频率特性
基本电路的频率特性
注意第二极点位置
差分对的频率特性
两极点运放的相位裕量一般取45-72度
三负极点运放
反馈与稳定性
三极点运放闭环反馈有可能不稳定
环路增益LG如果有过量增益或过量相位，则对应 的闭环系统的极点可能跑到右半平面
要想获得较佳的时域或频域特性， 必须妥善安排极点之位置
三负极点运放
第二、三极点应该在GBW之外
反馈与稳定性
极点配置方案
三负极点运放
相位为直线
群延时为常数
稳定性与零极点位置
优良性能的低通网络
实现优良的低通网络
稳定性与零极点位置
在通带内幅度尽量的平
希望通带内信号到达输出端后，各频率分量的幅度比例关 系不变 幅度最大平坦逼近：巴特沃思
在通带内群延时特性尽量的平
希望通带内信号能够同时到达输出端 群延时最大平坦逼近：贝塞尔
共源极频率特性
基本电路的频率特性
差分对的频率特性
极零点
基本电路的频率特性
差分对的频率特性
零极偶对
基本电路的频率特性
差分电压放大器
基本电路的频率特性
单边小信号分析
电压放大器的高频特性很大程度上取决于负载电容大小 由于存在密勒倍增效应，3dB带宽可能严重受限
稳定性分析
➢负反馈系统的稳定性判据 ➢运算放大器闭环系统稳定性分析 ➢极点配置方案及其对应的相位裕度