网站是数据,网上企业管理系统免费版,wordpress文章上传不了,微信公众商城网站开发【模拟集成电路】反馈系统——基础到进阶 前言1 概述2 反馈电路特性2.1增益灵敏度降低2.2 终端阻抗变化2.3 带宽拓展2.4 非线性减小 3 放大器分类4 反馈检测和返回机制4.1 按照检测物理量分类4.2 按照检测拓扑连接分类 5 反馈结构分析6 二端口方法7 波特方法6 麦德布鲁克方法 前… 【模拟集成电路】反馈系统——基础到进阶 前言1 概述2 反馈电路特性2.1增益灵敏度降低2.2 终端阻抗变化2.3 带宽拓展2.4 非线性减小 3 放大器分类4 反馈检测和返回机制4.1 按照检测物理量分类4.2 按照检测拓扑连接分类 5 反馈结构分析6 二端口方法7 波特方法6 麦德布鲁克方法 前言 本文主要对集成电路中反馈相关内容进行归纳总结并在总结的基础上融入个人的一些理解首先是反馈的一些相关概念这是深入学习反馈并完成进阶所不可或缺的然后在对反馈基本结构和相关特性有了基本的认识后将会深入讨论四种典型反馈结构的特性 在讨论四种反馈时主要采用了直接开环的反馈系统分析方法后续在掌握该方法后也将对“二端口方法”、“波特方法”、“麦德布鲁克方法”进行分析和说明。相关内容实时更新。
1 概述 在模拟集成电路中反馈是一种常用的技术通过反馈技术可以使电路实现更高精度的信号处理并且可以使电路更加稳定可控甚至可以通过合理的控制正反馈使振荡器成为可能反馈应用带来的电路环路也会使电路分析变得困难也会给电路带来稳定性问题下面对反馈进行总结。常见负反馈系统结构如图1.1所示。 其中H(s)和G(s)分别叫做前馈网络和反馈网络对反馈框图进行分析有 即 特别的将H(s)称为“开环”传输函数Y(s)/X(s)称为“闭环”传输函数 反馈环路的工作过程描述输出信号Y(s)的一部分被反馈网络G(s)检测并按照一定比例反馈至输入端与输入信号相比较随后将得到的“比较信号”送入前馈网络实现闭环控制。 组成反馈系统的四个部分①前馈放大器H(s)②检测输出的方式③反馈网络G(s)④输入信号与反馈网络输出信号的比较方式输入X和输出Y可以都为电流或电压也可以是二者混合根据输入和输出信号的不同前馈和反馈网络的传输量纲也有所不同将在下文说明。 一般来说反馈构成的闭环结构相比常规的开环结构具有巨大优势以运放为例开环运放静态点不宜稳定放大倍数Av不稳定易受工艺或环境影响运放增益Av不宜灵活改变。
闭环应用具有以下优点 ①Av稳定可靠且通过控制反馈系数F实现可控增益可编程性提高应用更灵活。 ②-3dB带宽提升频率特性相应提升高频性能提升。 ③线性范围拓展线性度提升。 ④通过闭环反馈更易实现阻抗匹配信号传输损耗小。
2 反馈电路特性 一般来说反馈电路可以使增益灵敏度降低、终端阻抗变化、拓展带宽和提高系统线性度下面将进行说明在此之前需要对一些概念进行了解。图2.1(a)是一个简单的反馈系统。 假设环路信号单向传输仅能按照箭头方向流动在反馈环路的任意一点断开环路如图2.1(b)所示则开环增益有 然后导出开环增益的负值称为环路增益 β A \beta A βA 。到此对开环增益和环路增益进行了定义。
2.1增益灵敏度降低 对一个反馈系统结构重新展示于图2.2所示. 对环路分析有 Y A ( X − β Y ) YA(X-\beta Y) YA(X−βY)则系统增益有式2.2. 假设 β A 1 \beta A1 βA1则有 Y / X ≈ 1 / β Y/X\approx1/\beta Y/X≈1/β从结果可以看出在没有反馈网络时增益A与网络内参数紧密相关一旦前馈网络A内部器件参数波动那么增益也将随之变化但是反观带有反馈的闭环系统闭环增益仅与反馈系数 β \beta β 有关基本不随A的变化而变化更加稳定。
2.2 终端阻抗变化 如图2.3所示对于放大器Av0输入阻抗为Rin现通过反馈系数为β的反馈网络对输出电压采样反馈电压为VF。 对于闭环后的输入阻抗进行计算因为 V e I X R i n V_eI_XR_{in} VeIXRin V F β A 0 I X R i n V_F\beta A_0I_XR_{in} VFβA0IXRin 通过VX与VF叠加得到Ve有 V e V X − V F V X − β A 0 I X R i n V_{e}V_{X}-V_{F}V_{X}-\beta A_{0}I_{X}R_{in} VeVX−VFVX−βA0IXRin 最终得到输入端阻抗 通过该结果可以看出在电路加入反馈结构会使输入端阻抗发生变化相比开环结构增加了 ( 1 β A 0 ) (1\beta A_{0}) (1βA0) 倍关于终端阻抗变化的具体细节在后文将进行详细说明。
2.3 带宽拓展 在该部分将会讨论负反馈对带宽的影响假定前馈放大器为单极点放大器则传输函数仅含有一个极点传输函数如式2.4所示 开环放大器极点频率为 对于负反馈系统传输函数可以表示为 将式2.4带入式2.5得到 因此闭环系统的直流增益变为 A 0 / ( 1 β A 0 ) A_{0}/(1\beta A_{0}) A0/(1βA0) 极点频率变为 ( 1 β A 0 ) ω 0 (1\beta A_0)\omega_0 (1βA0)ω0 相比放大器负反馈系统的带宽增大了 β A 0 \beta A_{0} βA0 倍这是以增益按照同样比例减小为代价的带宽拓展如图2.4所示。 总的来说带宽增大来源于反馈降低增益灵敏度的特性GBW不变增益下降带宽则会上升随着频率增大 β A 0 \beta A_{0} βA0 变得与1可以比拟于是闭环增益降低至 1 / β 1/\beta 1/β 以下。对于一个带宽大的系统响应速度也会得到显著提升如图2.5主要体现在信号状态切换速度上。
2.4 非线性减小 非线性特性是输出曲线偏离直线的特性理想的放大器输出曲线是一条固定斜率的斜线但是由于输入过高放大器中部分器件逐渐脱离饱和区进入线性区甚至截止最终放大器输出曲线偏离线性由于负反馈增益灵敏度降低特性负反馈放大器的增益将对输入变化不太“敏感”最终会产生更加线性的输出特性曲线如图2.6所示。 假设在图2.6a中两个区间的增益分别记为A1和A2其中 则区间2与区间1的增益之比可以写为 对于一个闭环系统两个区间的闭环增益可以写为 相比式2.7闭环后的增益比更加接近1也就意味着更好的线性度。
3 放大器分类 常见的放大器根据输入和输出信号的不同分为电压放大器、跨阻放大器、跨导放大器和电流放大器如图3.1所示 其中第一行是四种放大器第二行分是其对应的理想等效电路表现为理想的输入输出阻抗若考虑输入和输出阻抗其对应的等效电路。如图3.2所示 其中(a)为电压放大器;(b)为跨阻放大器;©为跨导放大器;(d)为电流放大器;表现为有限的输入阻抗输入阻抗。
4 反馈检测和返回机制
4.1 按照检测物理量分类 对于反馈环路反馈电路对输出信号进行检测并使其输出的一部分以电流或电压的形式返回到输入端的求和节点根据输入和输出信号是电流值或电压值可以将反馈网络定义为四种类型的反馈电压-电压型 V − V V-V V−V、电压-电流型 ( V − I ) (V-I) (V−I)、电流-电流型 ( I − I ) (I-I) (I−I)和电流-电压型 ( I − V ) (I-V) (I−V) 对于该分类第一个词为“输出”检测方式第二个词为“输入”检测方式。
4.2 按照检测拓扑连接分类 检测类型的分类可参考电压表和电流表的使用检测电压需要在端口“并联”因此检测电压的方式也称为 “并联反馈” 检测电流需要在端口“串联”因此检测电流的方式也称为 “串联反馈” 根据这种方式也可以定义四种类型的反馈网络串联-并联负反馈、并联-并联负反馈、并联-串联负反馈和串联-串联负反馈 对于该分类第一个词为“输入”检测方式第二个词为“输出”检测方式。 两种分类一一对应。
5 反馈结构分析 关于该部分的内容后续更新更新后附链接
6 二端口方法 关于该部分的内容后续更新更新后附链接
7 波特方法 关于该部分的内容后续更新更新后附链接
6 麦德布鲁克方法 关于该部分的内容后续更新更新后附链接 支持催更
