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放大器稳定性的概念 (一)

放大器稳定性的概念 1

 

运算放大器 (Operational Amplifier, OA) 无疑是所有模拟电子产品的主要组成部分。 它通常在反馈回路中实现,以提供稳定和可预测的增益和低噪声。 在本章中,我们将回顾确保该放大器在所有反馈条件下稳定所需的条件。 运算放大器不仅需要稳定,还需要提供良好的响应。 例如,通常要避免频域中的峰值。 此外,当方波应用于运算放大器时,我们不希望出现任何振铃效应。

所有这些要求都会对该放大器的极点和零点位置施加一些相当精确的设置, 加上最小化功耗的要求,我们会发现,考虑到一定的 GBW 和容性负载,很容易找到性能的最佳值。

但是,运算放大器还有更多规格, 他们将被推迟到这一章之后的章节介绍。

首先,我们来回顾一个运算放大器的一些术语,如开路和闭环增益,此外我们还要回顾一些二级系统的基本知识,这是前两个部分的内容,我们强调了两级放大器。我们已经在前面章节中讨论过了单晶体管的各个级。我们将特别关注在任何两个级的运放中出现的正零,它们可以通过额外的电流消耗来避免。然而,我们也可以使用一些电路技巧,允许减少总偏置电流。最后,我们将两级放大器的补偿技术扩展到三级放大器,许多ab类放大器都有三个级。此外,一旦每个级的增益降到实际低值,三个级成为必要,如纳米CMOS 实现的运放。

运算放大器被用于精确的处理模拟信号,它们允许对模拟电压进行加法、减法、乘法等操作。 下图中显示了三个输入电压, 输出电压是输入电压的精确总和,由相应的电阻提供比例。 这仅适用于运算放大器本身具有截止到高频的高增益、低噪声等的情况。高增益意味着对于任何输出电压,差分输入电压大约为零。

如果我们使用 MOST 而没有双极晶体管,则输入电流始终为零。 在纳米 CMOS 中,可能会出现一些栅极电流,从而导致输入电流出现问题! 这意味着运算放大器最重要的规格是其增益和带宽或其增益带宽积 GBW。 我们将针对某个容性负载优化运算放大器的 GBW,以实现最低功耗。

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图 1    运算放大器

 

单端还是差分?

大多数简单的运算放大器只有一个单输出, 分立电子器件搭成的运放更是这样, 所有电压均以地为基准, 很容易在印刷电路板上做到这点; 在集成电路中,越来越多的模拟功能与数字模块集成在一起, 结果,衬底受到时钟尖峰和逻辑噪声的污染。 在这种混合信号环境中,所有电路都必须是全差分的。 这使功耗加倍,但同时抑制了共模噪声。 我们将首先讨论单端放大器,在之后的章节中再构建全差分放大器。

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图 2    单端还是差分运放

 

电压输入还是电流输入?

运算放大器可以有电压输入或电流输入。 电压运算放大器有一个差分电压放大器作为输入(见下图左侧), 它感测输入电压,通常包含单个晶体管作为第二级, 输出本身处于高阻抗水平,至少在低频时是这样, 因此,它充当负载的电流源。 因此,我们有了电压-电流放大器或跨导放大器, 它通常被称为运算跨导放大器(OTA, Operational Transconductance Amplifier.)。 另一个放大器(见下图右侧)有一个电流输入端,因为输入端的第一个晶体管是级联共源共栅, 它还具有电流输出。 因此它是一个电流-电流放大器。 不用说,这些特性是放大器非常不同的, 它们很难比较,因为它们涉及外部电阻。

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图 3     电压/电流输入

 

下图描述了电压/电流输入和输出的所有可能组合, 运算跨导放大器是第二个, 如果我们向这个 OTA 添加一个(AB 类)输出,我们将获得一个电压输出, 现在这是一个传统的运算放大器, 它的电压增益通常非常高。

将 OTA 与运算放大器进行比较并不容易,因为 OTA 的电压增益取决于负载 RL。 两种放大器都可以通过电流输入来实现。 他们在不同的文献有不同的名字。

将电流输入放大器与电压输入放大器进行比较更困难。实际上,有时电流输入放大器由输入电压源驱动,具有源电阻RS 。 显然,该电阻在与电压放大器的比较中显示出来。

很明显RS 越小越好。

我们将从 OTA 开始。

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图 4    运放分类

 

运算放大器和 OTA 与反馈一起使用。 通常,使用电阻器,但也使用(开关)电容器,有时甚至使用电感器。 下图勾画了一些简单的配置, 第一个是反相放大器,第二个是同相放大器,它们具有易于精确设置的增益, 都有不同的输入电阻。

最后一个结构是缓冲器, 增益是一,但输入阻抗非常高而输出阻抗低。

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图 5     反馈结构

 

运算放大器也用于制作各种滤波器, 最简单的可能就是积分器。

在越来越低的频率下,增益不断增加,直到达到运算放大器本身的开环增益值。

在所有其他频率下,获得 -20 dB/十倍频程 的恒定斜率和 90° 的恒定相移。

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图 6     积分器

 

一阶低通滤波器是一个积分器,在电容器两端有一个电阻, 它也被称为有损积分器。 在越来越低的频率下, 增益现在由两个电阻的比率设置。 在极点频率或带宽处,相移恰好在 0 到 90° 的中间,即 45°。 请注意,称为极点的一阶递减特性始终显示 -20 dB/十倍频程的斜率和 -90° 相移。

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图 7     低通滤波器

 

显然也可以使用电感器。 用电感器代替电容器可提供高通特性。 在高频下,运算放大器本身的内部极点会降低增益,我们将在本章后面看到。

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图 8     高通滤波器

 

下图显示了另一个高通滤波器。 它使用电容, 传输特性非常不同。 在非常低的频率下,增益是恒定的, 它从fz 频率处开始增加。 请注意,由零引起的一阶增加特性始终显示 20 dB/十倍频程的斜率和 90° 相移。 显然,在高频下,增益会降低,因为 运算放大器本身的内部极点。

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图 9     高通滤波器

 

下图显示了另一个具有低通特性的滤波器。 在高频下,它具有恒定增益。 由于我们处理的是零频率的极点和此处的零,因此相移是不同的。 通过运算放大器可以实现更多的滤波器, 添加了这几个示例来说明这一点。 我们现在将关注运算放大器本身的极点和零点。

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图 10    无限衰减的低通滤波器

 

运算放大器总是有一个内部主导极点, 它发生在频率 f1。 它通常是由放大器内部较大的电容之一引起的。 开环增益 Ao 与该极点频率 f1 的乘积就是 GBW。 对于每个增益设置,GBW 是增益和带宽的乘积。 实际上,例如在反相放大器中,两个电阻的比率设置了闭环增益 Ac。 对应的带宽是f1c, 他们的乘积又是GBW。 在单位增益缓冲器的情况下,带宽与 GBW 一致,这是该运算放大器可以使用的最大频率。 因此,运算放大器允许用带宽交换增益。 闭环增益越低,带宽越高, 乘积始终是 GBW。 运算放大器是一个非常通用的构建模块。

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图 11    增益带宽互换

 

使用带反馈的运算放大器只是反馈系统的一个特例。 然而,在这样的系统中,增益模块 G 有很大的增益,但不是很精确。 反馈元件(电阻和电容)决定了闭环特性, 它们非常精确。 环路增益是开环增益与闭环增益的比值, 这是在循环中运行的增益, 它具有决定反馈系统所有属性的量值, 它是显示输入和输出阻抗如何变化的量。 这将在其后以更严格的方式进行解释。

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图 12     开环和闭环增益

 

运算放大器实际上是一个单极系统, 因此,它允许在特定 GBW 内用带宽交换增益。 因为只有一个主导极点,所以高阻抗的内部节点只能有一个。 如果有更多的高阻抗节点,那么我们就有更多的极点, 在这种情况下,我们必须增加电容或增加电流,以使第二个极点(非主导极点)处于足够高的频率,超出 GBW。 所有两级放大器都有两个高阻抗节点,因此有两个极点。 由此,所有具有两个高阻抗节点的放大器都称为二级放大器,而与晶体管的数量无关。

我们将不得不补偿这些两级放大器,即我们将不得不增加电容或增加电流以将非主导极点移出到足够高的频率。 结果,放大器再次类似于单极系统。 宽带放大器非常不同, 它们由更多级组成,每个级都有一个极点。 它们通常在增益的一种特定设置下进行补偿。 它们并不是为了交换带宽增益。 相反,在该增益设置下,它们针对最大带宽。

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图 13     运算放大器的要素

 

Posted in CMOS模拟集成电路

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