CMOS模拟集成电路设计ch10稳定性和频率补偿
模拟CMOS集成电路设计(拉扎维)第十章稳定性与频率补偿
tan1 f(u ) f p2
tan1 G(BW ) f p2
Stability Ch. 10 # 27
西电微电子：模拟集成电路设计
补偿的例子
问： 假设低频增益AV 0 = 5000V / V , f p1 = 2MHz, f p 2 = 25MHz, f p 3 = 50MHz 要求PM = 70°，应该将f p' 1的值减小到多少？ 答： PM = 70°，修改后的单位增益带宽f p1 fu' f p 2 所以fu' AV 0 f p' 1
Stability Ch. 10 # 24
西电微电子：模拟集成电路设计
GBW与fp2的关系
环路：H ( j
)
= (1
+
)
p1
p2
若 p 2 >> >> p1
则H ( j ) = A0 j
A0 p1
j
p1
近似：在（
p1，
p 2）区间内， H ( j
A0 )
p1
为保证PM > 45，GX p 2，位于（ p1， p 2）区间内
所以GX A0 p1补偿的方法：减小 p1，使GX A0 p1 p 2
最坏情况，＝1,因此GBW = A0 f p1 f p 2
Stability Ch. 10 # 25
西电微电子：模拟集成电路设计
极点位置与相位裕度（1）
设单位增益频率fu 极点分别是f p1、f p 2、 f pn
则PM = 180° tan 1f(u ) tan 1 (f u ) tan 1f( u )
f p1
f p2
f pn
补偿后，fu >> f p1，所以 tan 1 ( fu ) 90° f p1
模拟CMOS集成电路设计：稳定度与频率补偿
Y (s) H (s)
X 1 H (s)
如果 βH(s=jω1)=－1，增益將會趨近於無限大，而電路會 放大自身所產生的雜訊直到其開始振盪為止。
巴克豪森條件：
H ( j1) 1 H ( j1) 180o
類比CMOS積體電路設計 第十章 穩定度與頻率補償
482
不穩定和穩定系統
不穩定系統和穩定系統迴路增益之波德圖。
單端輸出伸縮運算放大器之迴路增益波德圖。
類比CMOS積體電路設計 第十章 穩定度與頻率補償
501
移動主要極點
將主要極點往原點移動將會影響強度圖形而不會影 響相位圖形中的重要部份。
1
exp(
j175o
)
1 0.9962 j0.0872
0.0038 j0.0872
Y X
(
j1)
1
1 0.0872
11.5
相位安全邊限定義為 PM 180o H ( 1)
類比CMOS積體電路設計 第十章 穩定度與頻率補償
493
例題 10.3
設計一雙極點系統使得 |βH (ωp2)|=1 且 |ωp1|<<|ωp2| (圖10.10)，其相位安 全邊限為何? 答：
類比CMOS積體電路設計 第十章 穩定度與頻率補償
484
時域響應
系統的時域響應 vs. 極點位置，(a)強度大小增加造成之不 穩定狀態；(b)固定強度振盪造成之不穩定狀態；(c)穩定 狀態。
類比CMOS積體電路設計 第十章 穩定度與頻率補償
485
單極點前授放大器之回授系統
單極點系統之迴路增益波德圖。
類比CMOS積體電路設計 第十章 穩定度與頻率補償
491
相位安全邊限
一种高性能低功耗CMOS分频器电路设计
一种高性能低功耗CMOS分频器电路设计
殷树娟
【期刊名称】《北京信息科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(030)003
【摘要】对低功耗CMOS数字系统设计中分频器电路设计问题,基于中芯国际0.18 μm混合工艺,设计了一个基于真单相时钟结构的二分频单元,并通过将二分频单元多级串联实现26分频比的分频器电路.对电路的瞬态仿真结果表明:在500 MHz输入频率下,分频器可以分别实现2分频、4分频、8分频、16分频、32分频、64分频的信号输出,对应电路静态功耗为23.7 μW.由于版图的电源线VDD、GND采用了双U型结构,避免了芯片面积浪费,每个二分频单元的版图面积仅为
18×5.4 μm2.基于版图的后仿真结果验证了该电路的功能正确性.
【总页数】5页(P15-19)
【作者】殷树娟
【作者单位】北京信息科技大学理学院,北京100192
【正文语种】中文
【中图分类】TN4
【相关文献】
1.一种新的低功耗CMOS三值电路设计 [J], 杭国强;徐月华
2.一种低功耗CMOS晶振电路设计 [J], 彭伟娣;张文杰;谢亮;金湘亮
3.一种新型高速低功耗BiCMOS分频器 [J], 李勇;许永生;赖宗声;金玮;陶永刚;洪亮;
景为平
4.一种BiCMOS 11-GHz低功耗静态分频器 [J], 王永禄;杨毓军
5.一种2.4G的低功耗BiCMOS预置数分频器 [J], 汪猛;丁瑞雪;杨银堂
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
CMOS模拟集成电路设计_ch10稳定性和频率补偿.
gm6
I6 (6 7 )
GB gm1 / Cc p2 gm6 / CL
z1 gm6 / Cc
60deg PM要求p2>2.2GB ，else>10GB
VinCM ,max VDD VGS3 VTHN
VOD
2ID
,
KW L
COX
W L
VinCM ,min VSS VOD5 VGS1 VSS VOD5 VOD1 VTHN1
CMOS模拟集成电路设计
稳定性和频率补偿
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2019/8/9
提纲
提纲
1、概述 2、多极点系统 3、相位裕度 4、频率补偿 5、两级运放的补偿
HIT Microelectronics
王永生
2019/8/9
相位裕度
相位裕度对反馈系统稳定性的影响
当PM=45°时，
Y X
(
j1)
1.3
当PM=60°时，
Y X
( j1)
1
当PM=90°时，
Y X
(
j1)
0.7
HIT Microelectronics
11
王永生
2019/8/9
频率补偿
12
4、频率补偿
增大PM的方法
2
王永生
2019/8/9
概述
3
1、概述
反馈系统存在潜在不稳定性
H (s j1) 1
振荡条件（巴克豪森判据）
CMOS模拟集成电路设计_ch10运算放大器4——稳定性
相位裕度
这意味着尽管系统稳定，但其的阶跃 响应会出现减幅振荡的情况
频域上有Peaking
时域上有Ringing
相位裕度
考虑相位裕度等于45度的情况：
瞬态振荡的幅度随裕度的增加而减小
相位裕度
通常认为PM=60、70度是合适的选择
相位裕度
以上是小信号的情况，如果阶跃信号很大，即使相位 裕度大于60度，仍然可能出现减幅震荡。因此我们 需要在时域中进行仿真来判断系统的稳定性
频率（相位）补偿
因此要想办法让“极点分离”
频率（相位）补偿
电路主要有A、B、C三个结点，A的极点频率较高，B、C的极点频率较 低且通常具有同一数量级，为了使它们分离，我们加上密勒补偿电容。
CMOS模拟集成电路设计
运 算 放 大 器（四）
闭环工作时的稳定性
振荡条件（巴克豪森判据） 即： 1、在ω1下，围绕环路的相移能大到使反馈变为正反馈 2、环路增益足以使信号建立
稳定性条件
相对的，
稳定系统的 波特图：
ห้องสมุดไป่ตู้定性条件
是稳定性最差的情况，因此常常分析这个最坏情况 下的波特图
单极点系统
单极点系统是稳定的。
多极点系统
两极点系统是稳定的，但裕度可能不大。
多极点系统
三极点系统可能是不稳定的。
相位裕度
从前面的分析我们知道：要得到稳定的负反馈系统，相位裕度必 须大于零。那么是不是只要大于零就可以满足系统需要呢？
相位裕度
我们考虑相位裕度等于5度的情况，这时在增益交点 GX处相位等于-175度 于是，在GX处有：
cmos模拟集成电路设计_实验报告概论
北京邮电大学实验报告实验题目：cmos模拟集成电路实验姓名：何明枢班级：2013211207班内序号：19学号：2013211007指导老师：韩可日期：2016 年 1 月16 日星期六北京邮电大学电子工程学院2013211207班何明枢CMOS模拟集成电路与设计实验报告目录实验一:共源级放大器性能分析 (1)一、实验目的 (1)二、实验内容 (1)三、实验结果 (1)四、实验结果分析 (3)实验二:差分放大器设计 (4)一、实验目的 (4)二、实验要求 (4)三、实验原理 (4)四、实验结果 (5)五、思考题 (6)实验三：电流源负载差分放大器设计 (7)一、实验目的 (7)二、实验内容 (7)三、差分放大器的设计方法 (7)四、实验原理 (7)五、实验结果 (9)六、实验分析 (10)实验五：共源共栅电流镜设计 (11)一、实验目的 (11)二、实验题目及要求 (11)三、实验内容 (11)四、实验原理 (11)五、实验结果 (15)六、电路工作状态分析 (15)实验六：两级运算放大器设计 (17)一、实验目的 (17)二、实验要求 (17)三、实验内容 (17)四、实验原理 (21)五、实验结果 (23)六、思考题 (24)七、实验结果分析 (24)实验总结与体会 (26)一、实验中遇到的的问题 (26)二、实验体会 (26)三、对课程的一些建议 (27)实验一:共源级放大器性能分析一、实验目的1、掌握synopsys软件启动和电路原理图（schematic）设计输入方法；2、掌握使用synopsys电路仿真软件custom designer对原理图进行电路特性仿真；3、输入共源级放大器电路并对其进行DC、AC分析，绘制曲线；4、深入理解共源级放大器的工作原理以及mos管参数的改变对放大器性能的影响二、实验内容1、启动synopsys，建立库及Cellview文件。
2、输入共源级放大器电路图。
最新CMOS模拟集成电路设计-ch6放大器的频率特性2教学讲义ppt
痹论篇
黄帝问曰：痹之安生？ 岐伯对曰：风寒湿三气杂至，合而为痹也。 其风气胜者为行痹，寒气胜者为痛痹，湿气胜者为着痹也。 帝曰：其有五者何也？ 岐伯曰：以冬遇此者为骨痹，以春遇此者为筋痹；以夏遇此者为脉痹 肌痹；以秋遇此者为皮痹。 帝曰：内舍五脏六腑，何气使然？ 岐伯曰：五脏皆有合，病久而不去者，内舍于其合也。故骨痹不已， 肾；筋痹不已，复感于邪，内会于肝；脉痹不已，复感于邪，内会于 感于邪，内舍于脾；皮痹不已，复感于邪，内舍于肺；所谓痹者，各 湿之气也。
虽然古老的砭石刮或刺、 药物外敷、火疗、按挼、 针刺、气功、推拿等等治 疗方式，是真对不同的疾 病而发明的，是发源于不 同地区的。但在古代就有 高明的人士，认真研究， 并且综合利用了这些治疗 方式，来创造性地扩展治 疗各种疾病，这样一经研
从以上情况 高明的医（ 机构、医生 要能够将这 治病方法综 来，根据具 况，随机应 灵活运用， 者得到适宜 所以在世上 疗方式尽管
黄帝向岐伯——他的老师请教说，我发现医生给人 看到这几个人得的是同样的病，但是呢，医生却用 这个方法指什么？我们指的是大的方法，比如说我 什么？内治、外治。药也有内服药和外用药。
文章中列举了
但是，在这种方法它有一个基本的 生选择这种不同的方法，最后指导
砭石的方法；
就是我们说的那个“道”。“道” “器”。方向是“道”，至于采取
用针刺的方法；
具体的操作了。这就是涉及到我们 诊。
有艾灸的方法；
还有内服中药；
还有这个导引、按蹻的 方法。
不止于此，还有佩的方 法、服的方法。
在问完名字后会问“何方人氏” 一方水土养一方人。或者人杰地灵，地灵人杰 产生的那个人，他有一种特定的饮食、风俗，等 会造就他不同的状态，比如健康状态、心理状态 态。我们经常说，“穷山恶水出刁民”，或者说 叫“无湘不成军”。这就是什么？就是，一方水 这方人。说明中华东、南、西、北、中央五方的 自然气候的差异，以及生活习惯的不同，对人体 和疾病发生的常见影响。以及最为医生应当采取 法，对临床有着重要的意义。
CMOS模拟集成电路设计_ch11基准
按照适当的比例 正温度系数（PTAT） 想加就可以得到
零温度系数
I VDlnK•LR R
PTAT电压
VD
CTAT电压
调整比例L使正负温度系数抵消
V R E F V R V D V TlR nK •L R V D 1 .2 V
可以看到要得到准确的零温系数，电阻的比例L非常 关键。因此电阻的阻值大小可能需要Trimming。
CMOS模拟集成电路设计
带隙基准
什么是基准？
模拟集成电路中，我们常常要用到基准电压或电流 （其大小不随工艺偏差、电源电压和温度变化）
the ideal reference is independent of PVT
基准电压运用举例
电阻型基准
优点 缺点
为了获得与电源电压无关的基准电压，我们使用 自偏置结构的基准源
自偏置的MOS基准源
Bootstrapped 自举
Bootstrapping or booting refers to a group of metaphors that share a common meaning: a self-sustaining process that proceeds without external help
I
Vs
I
Vs
二极管的电压电流满足指数关系：
IDISexp(VD/VT)
VD1VTln(ID/IS) VD2VTln(ID/KIS)
因为VS相等，有
I VD VT lnK RR
选择R的阻值，我们可以 得到想要的电流大小，该 电流与电源电压无关。
现在我们来探讨一下，怎样得到一个与温度无关（零温度系 数）的电压量。
第十章频率补偿
Sz
gm1 CCC CGD
右半面零点影响
华侨大学IC设计中心
两级运放中右半平面的零点是一个严重的问题，
因为在它的表示式中，gm较小，而要使主极点 处在适当的位置，Cc又要选得足够大。Sz比较
靠近原点。
Sz
gm1 CCC CGD
SPole Rout [1 gm9 RL ](CC CGD9 )
放大器的转换速率
华侨大学IC设计中心
放大器的转换速率
华侨大学IC设计中心
两级运放中的转换
华侨大学IC设计中心
其他补偿技术
华侨大学IC设计中心
gm1V1 Vout RL1 CL s
V1
Vout g m1 RL
1 RLCLs
Vout V1
1
1
gm2 ccs
Iin
V1 RS
其他补偿技术
华侨大学IC设计中心
Vout
gm1RL RS gm2 CC s
Iin RLCLCC 1 gm2 RS s2 1 gm1gm2 RL RS CC gm2 RLCL s gm2
p2 ? p1
p1
gm2 gm1gm2 RL RS Cc
p2
gm1gm2 RL RS CC RL RS CLCC gm2
在增益交点频率 1处，相位为-135°
反馈系统的频率响 应有30%的峰值。
时域响应
华侨大学IC设计中心
大信号时域响应
华侨大学IC设计中心
模拟得到的相位裕度为65°，单位增益频率为150MHz。 然而，该电路的大信号阶跃响应，有相当大抖动。
频率补偿
华侨大学IC设计中心
常用的运放电路包含许多极点。运放通常必须 “补偿”，以使闭环电路是稳定的，而且时间响 应的性能也是良好的。
最新专升本《cmos模拟集成电路分析与设计》_试卷_答案讲课教案
专升本《CMOS模拟集成电路分析与设计》一、（共75题,共150分）1. Gordon Moore在1965年预言:每个芯片上晶体管的数目将每（）个月翻一番（2分）A.12B.18C.20D.24.标准答案：B2. MOS 管的小信号输出电阻是由MOS管的（）效应产生的。
（2分）A.体B.衬偏C.沟长调制D.亚阈值导通.标准答案：C3. 在CMOS模拟集成电路设计中，我们一般让MOS管工作在（）区。
（2分）A.亚阈值区B.深三极管区C.三极管区D.饱和区.标准答案：D4. MOS管一旦出现（）现象，此时的MOS管将进入饱和区。
（2分）A.夹断B.反型C.导电D.耗尽.标准答案：A5. （）表征了MOS器件的灵敏度。
（2分）A.B.C.D..标准答案：C6. Cascode放大器中两个相同的NMOS管具有不相同的（）。
（2分）A.B.C.D..标准答案：B7. 基本差分对电路中对共模增益影响最显著的因素是（）。
（2分）A.尾电流源的小信号输出阻抗为有限值B.负载不匹配C.输入MOS不匹配D.电路制造中的误差.标准答案：C 8. 下列电路不能能使用半边电路法计算差模增益（）。
（2分）A.二极管负载差分放大器B.电流源负载差分放大器C.有源电流镜差分放大器D.Cascode负载Casocde差分放大器.标准答案：C9. 镜像电流源一般要求相同的（）。
（2分）A.制造工艺B.器件宽长比C.器件宽度WD.器件长度L.标准答案：D10. 某一恒流源电流镜如图所示。
忽略M3的体效应。
要使和严格相等，应取为（）。
（2分）A.B.C.D..标准答案：A11. 选择题:下列结构中密勒效应最大的是（）。
（2分）A.共源级放大器B.源级跟随器C.共栅级放大器D.共源共栅级放大器.标准答案：A12. 下图中，其中电压放大器的增益为-A，假定该放大器为理想放大器。
请计算该电路的等效输入电阻为（）。
（2分）A.B.C.D..标准答案：A13. 对电路进行直流工作点分析的Hspice命令是（）。
- 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)。
GB z
180
60
令z=10GB时
90
arctg
GB p2
arctg
0.1
180
60
若PM>60 °, p2>2.2GB ，并由z=10GB
gmII 2.2 gmII
CL
10CC
CC 0.22 CL
2020/7/13
20
• 密勒补偿（续）
两级运放的补偿
消除密勒补偿中零点的方法 ▪增加与补偿电容串联的电阻
2020/7/13
7
多极点系统
2、多极点系统
• 两极点系统
两极点系统是稳定的，但裕度不大。
2020/7/13
8
• 三极点系统
多极点系统
↓β
三极点系统可能是不稳定的。
附加的极点（和零点）对相位的影响比对幅值的影响更大。
2020/7/13
9
相位裕度
3、相位裕度
• 稳定的边缘情况 例如，在GX处，相位=-175°
( j1)
1
当PM=90°时，
Y X
( j1)
0.7
2020/7/13
11
频率补偿
4、频率补偿
• 增大PM的方法
2020/7/13
减少极点数, PX往外推
减小带宽, GX往里推
12
频率补偿
• 单级运放的频率补偿
以右图的电流镜作负载的 差动共源共栅运放为例， 估计极点： Out，A，N，X（Y）
↑ Rout→AV↑，虽然ωp，out=(RoutCL)-1降低, 由于不影响GX和PX，因此，增大Rout并不能对运放进行补偿
2020/7/13
16
频率补偿
• 单级运放的频率补偿（续）
全差动套筒式运放： ▪没有镜像极点 ▪包含一个主极点（输出极点）和一 个非主极点（X或Y） ▪PMOS的共源共栅中的极点（N或K） 可以和输出极点合并 ▪稳定
2020/7/13
13
频率补偿
• 单级运放的频率补偿（续）
Bode图，β＝1
2020/7/13
14
频率补偿
• 单级运放的频率补偿（续）
方法： ▪增加负载电容，即调整主极点 ▪避免镜像极点 ▪第一非主极点，必须离原点尽量远（大于等于GB）
2020/7/13
15
频率补偿
• 单级运放的频率补偿（续）
2020/7/13
17
两级运放的补偿
5、两级运放的补偿
• 极点分析
▪增加一级放大器，至少增加一个极点 ▪X(Y)，E（F），A（B） ▪两个主极点： E（F），A（B），均 靠近原点 ▪不稳定，需要补偿
2020/7/13
18
两级运放的补偿
• 密勒补偿
▪增加密勒电容 ▪以一个中等电容建立一个低频极点 ▪形成“极点分裂”效应
当CL> CC>>CE
p1
1 Rout1( gmII RL
)CC
(gmII=gm9) (miller pole)
GB
Av (0) | p1 |
gmI CC
p2
gmII CL
(output pole)
（补偿前(Cc=0)：
p1
1 Rout1CE
p2
1 RLCL
）
可以计算得到
GB
Av (0) | p1
Y X
(
j1)
H ( j1) 1 H ( j1)
得到
Y X
( j1)
11.5
相位裕度（PM）：定义为
PM=180°+∠βH(ω= ω1)
其中， ω1为增益交点频率
2020/7/13
10
相位裕度
• 相位裕度对反馈系统稳定性的影响
当PM=45°时，
Y X
( j1)
1.3
当PM=60°时，
Y X
CMOS模拟集成电路设计
稳定性和频率补偿
提纲
提纲
• 1、概述 • 2、多极点系统 • 3、相位裕度 • 4、频率补偿 • 5、两级运放的补偿
2020/7/13
2
概述
1、概述
• 反馈系统存在潜在不稳定性
H (s j1) 1
• 振荡条件（巴克豪森判据）
1、在ω1下，围绕环路的相移能大到使反馈变为正反馈 2、环路增益足以使信号建立
• 相位裕度PM＝60deg，可以兼顾稳定性和瞬态反应速度
• 补偿方法：
– 减少极点数
– 减小带宽
– 密勒补偿 ：需要考虑RHZ
2020/7/13
GB
Av (0) | p1 |
gmI CC
p2
gmII CL
z
g mII CC
23
二级运放设计实例
• 带补偿的两级运放的转换
正转换速率(红色)，当I1≥ISS
Sr
I ss CC
当I1<ISS
Sr
ID5 CC
负转换速率（青色），当I1 ≥ ISS
Sr
I ss CC
当I1<ISS
Sr
I D3 CC
2020/7/13
22
小结
• 反馈系统存在潜在不稳定性
H (s j1) 1
– 单极点系统是稳定的 – 双极点系统是稳定的，但相位裕度不大 – 三极点（以上）系统是不稳定的，需要相位补偿
2020/7/13
3
概述
• 增益交点 • 相位交点
在一般反馈电路的处理中，β小于或等于1，且与频率无关；当β<1，幅值 曲线会下移，增益交叉点会向原点方向移动，系统更易稳定。因此，常 分析βH=H （β=1）的相位图和幅值图。
2020/7/13
4
概述
• 波特（Bode）图
1、在每个零点频率处，幅值曲线 的斜率按20dB/dec变化；在每个极 点频率处，其斜率按－20dB/dec变 化。 2、对一个在左半平面的极点（零 点）频率ωm ，相位约在0.1 ωm处开 始下降（上升），在ωm处经历－ 45°（ ＋45）的变化，在大约10 ωm处达到－90 °（ ＋90 °）的变 化。右半平面的情况，反之。
|
gmI CC
2020/7/13
19
• 密勒补偿（续）
两级运放的补偿
▪密勒补偿中，零点的影响不可忽略
▪右平面的零点减缓增益的下降（增益交点 外推），延迟相位（相位交点向原点移动）
zg mII CC源自考虑零点的影响，CC的选取：PM=60°时，GB处
arctg
GB p1
arctg
GB p2
arctg
右半平面的零点对反馈系统的稳定性更加有害，因为它提高增益， 但延迟相位。
2020/7/13
5
概述
• 极点位置与稳定性的关系
每个极点频率表示为sp=jω P +σp，冲击响应包含exp(jω P +σP)，如图
2020/7/13
具有位于右半平面的极点的反馈放大器是不稳定的；
6
概述
• 单极点系统
单极点系统是稳定的。
将零点移到右平面无穷远处，或者左平面 并抵消第一非主极点
1
gm9
(gm19 Rz )CC CC
Rz
CL CC g m9CC
▪切断补偿电容的前馈通路
p1
1 gmII RS RLCC
z
gm2 Cc
2020/7/13
p2
gmII CL
CC
AV=1,Rout=1/gm2
Av=-gmIIR2
21
两级运放的补偿