反馈电路_清华微电子课件

2016/11/8清华大学微纳电子系1反馈2016/11/8清华大学微纳电子系2内容-电路分析分析方法系统级电路级低频小信号分析电路结构前向电路反馈电路环路电路指标-反馈起源定义分类负反馈的判别系统框图对电路的作用稳定增益等…改变阻抗主要参数开环增益闭环增益环路增益开环输入电阻开环输出电阻闭环输入电阻闭环输出电阻低频、负反馈2016/11/8清华大学微纳电子系3本讲内容反馈的概念为什么需要反馈反馈的定义反馈的分类负反馈判断方法反馈的系统框图反馈的主要参数负反馈对电路的影响-I增益带宽噪声非线性负反馈对电路的影响-II负反馈电路的4种类型输入输出电阻的变化4种类型负反馈电路的特点负反馈电路的计算环路增益计算其它参数计算负载效应开环增益计算其它参数计算负反馈电路举例2016/11/8清华大学微纳电子系4反馈的概念2016/11/8清华大学微纳电子系5为什么需要反馈单向传输的电路直流：工作点不稳定使用电流源负载的放大器交流：性能受制造工艺和应用条件影响PVT的影响（process，voltage，temperature）问题输入－输出不可控解决输出返回控制输入，从而保证输出的稳定性-反馈2016/11/8清华大学微纳电子系6反馈的定义将电路的输出量（电压或者电流）通过一定的网络送回到输入，并影响输入量（电压或电流）的过程叫做反馈放大电路A输入信号（Ui或Ii）输出信号（Uo或Io）反馈网络B反馈信号（Uf或If）+正向传输反向传输参考：刘润生、高文焕，模拟电子技术2016/11/8清华大学微纳电子系7反馈电路和前馈电路的比较输入和输出之间存在反馈网络输出量通过该网络改变了输入量的大小RLM1vinC1C2VDDvoutRLM1vinC1VDDvoutveCgsCgs2016/11/8清华大学微纳电子系8反馈的分类反馈信号的极性正反馈：负反馈：反馈信号使放大器的净输入信号增强反馈信号使放大器的净输入信号减小反馈信号的属性直流反馈交流反馈混合反馈2016/11/8清华大学微纳电子系9判断反馈类型－瞬时极性法设定输入信号的瞬时极性（即输入电压或电流是上升，还是下降）沿信号正向传输的方向依次判断各节点信号的瞬时极性，直到输出节点为止（即判断各节点电压、电流信号是上升或下降，在低频下，基本不用考虑电路带来的相移影响）通过反馈网络，确定反馈信号的瞬时极性判断输入信号和反馈信号之间的关系。如果两者之和增大，那就是正反馈，反之就是负反馈。2016/11/8清华大学微纳电子系10反馈类型的判断M1M2VDDM5VIN1VIN2VPVOUTVNM3M4VBRFM1M2VDDM0vin1vin2vout1vout2M3M4VBAVCMvout信号求和2016/11/8清华大学微纳电子系11思考题1问：瞬时极性法的分析中如何看待电容和电感？高频下反馈的极性如何判断？答：低频下电容开路，电感短路，不考虑相移高频下由于相移作用可能使反馈极性变化电路稳定性的判断2016/11/8清华大学微纳电子系12反馈的系统框图基本电路H(s)反馈网络F(s)Xi(s)Y(s)Xf(s)Xe(s)H(s)开环（前向）电路F(s)反馈电路系统闭环电路构成前向电路反馈电路输出取样电路输入求和电路反馈分析中只考虑信号的单向传输，主要指反馈电路部分实际近似单向（放大器等）实际双向，但仅考虑单向（电阻、电容）2016/11/8清华大学微纳电子系13反馈的主要参数()iYsHsXsFsYs1iYsHsXsFsHs开环传输函数：H(s)反馈系数：F(s)闭环传输函数：H(s)/[1+F(s)H(s)]环路增益：F(s)H(s)开环输入、输出阻抗闭环输入、输出阻抗2016/11/8清华大学微纳电子系14负反馈对电路的影响-I2016/11/8清华大学微纳电子系15负反馈对电路性能的影响优点：稳定直流工作点稳定开环电路的增益（交流）提高开环电路的带宽降低开环电路的非线性失真改变开环电阻的输入输出电阻（阻抗）缺点：增益和带宽是互换的不改善开环电路的噪声高频存在稳定性问题2016/11/8清华大学微纳电子系16负反馈提高增益稳定性2016/11/8清华大学微纳电子系17分析1：开环电路增益变化原开环增益是Aop开环增益变化Aop新开环增益是Aop’相对变化量反馈网络的系数是F反馈系统的闭环增益及相对变化量'opopopopopAAAAA1opclopAAAF'11opclclclopopAAAAAFA'11opclclclopopopAAAAAAAF'1opopclopopAAAAAF2016/11/8清华大学微纳电子系18结论1优点：在反馈网络F保持稳定的条件下，负反馈系统闭环增益相对变化量是开环增益相对变化量的1/(1+AF)缺点：代价是增益也下降为1/(1+AF)2016/11/8清华大学微纳电子系19分析2：高频下的情况角频率增益AA/(1+AF)(1+AF)ω0ω01opclopAsAsAsFs11opclclopopAsAsAsAsFsAs近似等于高频下环路增益的模2016/11/8清华大学微纳电子系20结论2闭环系统和开环系统的稳定性由它们的比值——环路增益决定随着频率上升，环路增益下降，闭环系统的稳定性也变差不同应用对环路增益的要求不同稳定工作点：环路增益低频高增益高速电路：环路增益高带宽2016/11/8清华大学微纳电子系21分析3：反馈电路F增益变化原开环增益是Aop开环增益变化Aop新开环增益是Aop’相对变化量F发生F变化时，闭环系统的相对变化量''1opclopAAAFF''1opclclclopAFAAFAAFF'opopopopopAAAAA''1opclclclopAFAAAAFF'11opclclclopopAAAAAFA2016/11/8清华大学微纳电子系22结论3反馈网络F的变化将无损失地反映到闭环增益的变化中当需要保持增益稳定时，反馈网络F应该保持稳定电阻、电容反馈网络比值型的反馈网络2016/11/8清华大学微纳电子系23深度负反馈已有结论负反馈对前向电路的增益变化有稳定作用负反馈对反馈电路的增益变化没有作用负反馈实现前向电路：高增益，变化大反馈电路：稳定反馈网络FXi(s)Y(s)Xf(s)Xe(s)放大器A(s)11opopclopopAAAAFAFF深度负反馈，增益由反馈系数决定2016/11/8清华大学微纳电子系24负反馈展宽带宽2016/11/8清华大学微纳电子系25单极点放大器分析增益：A，3dB带宽：0，增益带宽积：A00()1AAss00001()11()1111(1)1AsAsAAAFssAsFAFAFsAF2016/11/8清华大学微纳电子系26结论角频率增益AA/(1+AF)(1+AF)ω0ω0闭环增益下降为A/(1+AF)闭环3dB带宽扩展为(1+AF)0增益带宽积不变，仍然是A0增益带宽互换2016/11/8清华大学微纳电子系27两极点放大器分析开环：闭环：0111AAsss01201011111AsAFAAsFAFssAF2016/11/8清华大学微纳电子系28方程根的变化规律负实根：随AF增大相互靠拢复数根：沿垂直方向分别向正负运动2010110ssAF20101011,242AFs2016/11/8清华大学微纳电子系29闭环带宽随环路增益的变化角频率增益AF增大增益-带宽互换，但不满足乘积等于常数F较大时，可能出现共轭极点，高频对应出现增益过冲参考：信号与系统2016/11/8清华大学微纳电子系30负反馈减小非线性失真2016/11/8清华大学微纳电子系31结论负反馈减小了前向电路的净输入信号，即XeXin。输入信号变小，失真减小。若开环输入和反馈系统中前向电路的输入相同，即Xinopen=Xe，则负反馈进一步降低前向电路的失真反馈网络FXi(s)Y(s)Xf(s)Xe(s)放大器A(s)Xi(s)Y(s)放大器A(s)参考：电子线路基础，312页2016/11/8清华大学微纳电子系32负反馈不改善电路噪声性能2016/11/8清华大学微纳电子系33包含反馈的电路噪声分析111outinnAvvvA反馈电路有噪声时，电路的总噪声更大2016/11/8清华大学微纳电子系34思考题2问：反馈网络F有噪声时，整个系统的噪声如何表示？前向放大器A和反馈网络F都有噪声时，整个系统的噪声如何表示？答：小信号等效电路分析2016/11/8清华大学微纳电子系35负反馈对电路的影响-II2016/11/8清华大学微纳电子系36负反馈对电路性能的影响对所有反馈都适用的结论优点：稳定增益提高带宽降低非线性失真缺点：增益和带宽是互换的不改善开环电路的噪声反馈网络带来更多的噪声高频存在稳定性问题（频率补偿部分）针对具体的电路结构稳定开环电路的电压或电流改变开环电路的输入电阻和输出电阻2016/11/8清华大学微纳电子系37负反馈电路的4种类型2016/11/8清华大学微纳电子系38负反馈系统中的信号形式输入信号Xin输出信号Y反馈信号Xf误差信号Xe放大器A反馈网络F电压电压电压电压电压/电压电压/电压电压电流电压电压电流/电压电压/电流电流电压电流电流电压/电流电流/电压电流电流电流电流电流/电流电流/电流反馈网络FXi(s)Y(s)Xf(s)Xe(s)放大器A(s)2016/11/8清华大学微纳电子系39前向放大器的类型类型增益量纲电压放大器－跨导放大器西门子跨阻放大器欧姆电流放大器－outinVGainV()outinIGainsiemensV()outinVGainOhmIoutinIGainI2016/11/8清华大学微纳电子系40输出端信号取样方式电压取样反馈网络的输入和放大器的输出并联电流取样反馈网络的输入和放大器的输出串联判断依据：取样节点和输出节点相同：电压取样取样节点和输出节点不同：电流取样2016/11/8清华大学微纳电子系41电压取样放大电路反馈网络RLvoutvout2016/11/8清华大学微纳电子系42电流取样放大电路反馈网络RLioutiout电流取样2016/11/8清华大学微纳电子系43输入端信号求和方式串联求和反馈网络的输出电压和放大器的输入电压串联并联求和反馈网络的输出电流和放大器的输入电流并联判断依据：反馈节点和输入节点相同：电流求和反馈节点和输入节点不同：电压求和2016/11/8清华大学微纳电子系44串联求和放大电路反馈网络串联求和Rsvsvinvevf2016/11/8清华大学微纳电子系45并联求和放大电路反馈网络并联求和isRsiinieif2016/11/8清华大学微纳电子系46课堂练习问：反馈电路的输出取样方式和输入求和方式？2016/11/8清华大学微纳电子系47负反馈电路的4种类型（输出）电压－（输入）串联负反馈（输出）电压－（输入）并联负反馈（输出）电流－（输入）串联负反馈（输出）电流－（输入）并联负反馈注意：Razavi的书上是（输出）电压－（输入）电压这种表示方法2016/11/8清华大学微纳电子系48输入输出电阻的变化2016/11/8清华大学