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1、CMOS模拟集成电路设计 Design of Analog CMOS Integrated Circuit Oct.2013 郑然 zhengran 西北工业大学航空微电子中心 嵌入式系统集成教育部工程研究中心 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 2 本章内容 第八章 反馈 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 3 本章内容 n8.1 概述 n8.2 反馈结构 n8.3 负载的影响 n8.4 反馈对噪声的影响 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8
2、章 反馈 4 8.1 概述 反馈是模拟电路中广泛采用的一种电路技术。 负反馈可以提供高精度的信号处理，正反馈可是使电路建立 振荡。本章主要对负反馈进行研究，说明反馈(指负反馈)电路的 优点。研究四种常用的反馈电路结构及其特点，并分析反馈网络 的负载效应。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 5 8.1 概述 右图是一个负反馈系统。 由四个要素构成 1、H(s)：前馈放大器 2、G(s)：反馈网络 3、检测输出的方式 4、产生反馈误差的方式 对于设计优良的反馈系统 误差信号接近于零，也就 是说输入输出关系仅仅由 G(s)来决定。 CMOS模拟
3、集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 6 8.1.1反馈电路的特性 1、增益更稳定 开环增益的工艺、温度的 依赖性很大。而对于闭环增 益只要电容采用同样的材料 和较好布局匹配，其电容的 比值可以设计的相当精确。 所以说增益的“灵敏度”降低了。 注意：计算开环低频增益时，认为电容是开路的。计算闭环增益 时利用两个电容流过的小信号电流相同列出等式求解。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 7 8.1.1反馈电路的特性 对于一个更一般的系统(右图) 可以看出闭环系统对开环增益的变化并不敏感。 称为环路增益，
4、可以发现： CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 8 8.1.1反馈电路的特性 环路增益的求法 开环增益中忽略了反馈网络的影响。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 9 8.1.1反馈电路的特性 分析一下这个反馈网络中的四个要素： M1和电流源构成前馈放大器，电容C2检测 输出电压并将其转化为电流信号。C1，C2 的串联为反馈网络。X点电流汇合是产生反 馈误差的方法。 即使开环增益因为温度、工艺、频率、负载的变化而发生变 化，闭环增益会表现的不那么敏感。 比如在频率较高时，开 环增益减小很
5、多，但闭环增益相对保持稳定，其幅值平坦的 带宽范围也要宽的多。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 10 8.1.1反馈电路的特性 2、终端阻抗的变化 反馈引起输入阻抗的 变化 (忽略沟道调制) 输入阻抗下降到 原来的环路增益 的倒数倍。 说明反馈的 四个部分？ CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 11 8.1.1反馈电路的特性 反馈引起输出阻抗的变化 (低频情况，不计沟道调制) 输出阻抗减小到大约环 路增益的倒数的倍数。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhe
6、ngran 第8章 反馈 12 8.1.1反馈电路的特性 3、带宽的变化 闭环系统相对于开环系统来讲，增益减小，带宽增加。 两者单位增益带宽保持一致 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 13 8.1.1反馈电路的特性 开环系统增益高但延时常数比较大，闭环系统增益小但延时常 数比较小。那么如何通过闭环系统实现高速高增益结构呢？ 采用具有指标：增益100， -3dB带宽=10M的运放设计 系统。要求增益100。 采用单个运放和闭环电路 分别实现的系统时延常数 为16ns和1.6ns。 4、非线性情况好转 CMOS模拟集成电路设计 Copyrig
7、ht 2013, Zhengran 第8章 反馈 14 8.1.2放大器的种类 之前分析的大多放大器属于电压放大器，这些电路在输入端检 测电压信号，在输出端产生一个电压信号。下面总结了其它三 种放大器。 (1)检测电压、电流的电路必须分别具有高、低的输入阻抗。 (2)产生电压、电流的电路必须分别具有低、高的输出阻抗。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 15 8.1.2 放大器的种类 下面举出四种放大器对应的实例： 这些电路的性能往往不能达到理想，比 如(a)，(b)中，作为产生电压的电路，它 们的输出阻抗太高。可以稍做改进，改 善输出阻抗
8、、增益等指标，如右图。(c) 图增益可以表示为 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 16 8.1.3 检测和返回机制 反馈网络必须检测输出信号(电压或电流)，并将该信号以电压或 电流的方式返回到输入端与输入信号相减。 (a)检测电压，返回电压 (b) (c)检测电流，返回电压 (d) 使电压相减可以采用差分对 (e) (f)采用单独的MOS管使电压 相减。 (g)(h) 实现电流相减。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 17 8.2反馈结构 1、电压电压反馈 反馈网络检测输出电压信号，
9、产生反馈电压信号，所以对于 这样的网络理想情况下输入阻抗无穷大，输出阻抗为0。 增益减小 实例 原理 8.2节的分析认为反馈网络阻抗为理想值 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 18 8.2反馈结构 电压电压反馈对终端阻抗的影响 据前分析，电压电压反馈使增益 灵敏度下降，即系统的负载RL的 变化，不容易对反馈系统的输出 幅值造成影响，换言之，反馈系 统接近于一个理想的电压源，其 必然具备小的输出阻抗。可稍作分析。 输出阻抗较开环阻抗明显减小 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 19 8.
10、2反馈结构 接下来分析输入阻抗 输入阻抗较开环明显增加 对于开环结构，Vin 的全部变化由Rin承担， 而在反馈结构中Vin的 变化只有一部分被Rin承担，所以流过 Rin的电流减小，输入阻抗相应增加。 可从右图证明： 以共栅极为例，根据前面讲过的共栅极跨导可知输入 阻抗： Vx/Ix=Rs+1/gm。 而此处Rs作为反馈网络提供反馈电压。 根据Rin=1/gm，Rout=RD,A0=gmRD, =Rs/RD。 可计算出输入阻抗。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 20 8.2反馈结构 例：求图中反馈结构的闭环增益和输出阻抗(先求环路增益
11、) 开环增益随开环阻抗一起变化，造成闭环输出阻抗的变化对开 环阻抗变化的不明显。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 21 8.2反馈结构 例：求图中反馈结构的输入电阻(不考虑沟道调制) 环路增益为 闭环输入阻抗为 由于反馈的存在，Vin的变化只有一部分加在了栅源电压之间， 所以由它产生的电流也会相应减小。输入阻抗相应的有所增加。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 22 8.2反馈结构 2、电流电压反馈 反馈网络检测输出端的电流，产生 一个反馈电压。因此反馈网络具有 电阻的量纲。其理想
12、的输入输出阻 抗都为零。闭环增益： 环路增益： 闭环增益约减小为开环增益的 。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 23 8.2反馈结构 电流电压的反馈对终端阻抗的影响 反馈检测输出电流，并使之成为输入 信号的精确复制，所以对于输出端来 讲这一电流信号应保持相对恒定。这 种特性近似于恒流源，所以此类反馈 应具备高输出阻抗。 输入、输出阻 抗都增加环路 增益的倍数。 Gm产生的 电流与Ix反 向，事实上 减小了测试 源产生的电流 输入 阻抗 输出阻抗 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 2
13、4 8.2反馈结构 例：求电路的输出阻抗(r非常小) r用来检测电流，并输出一个 反馈电压。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 25 8.2反馈结构 3、电压电流反馈 输出端检测电压，前馈放大器为 跨阻放大器，反馈网络具有跨导的 量纲。 增益减小。 这种反馈应该使输入阻抗和输出阻抗同时减小。下页进行 详细的分析。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 26 8.2反馈结构 电压电流反馈的终端阻抗分析(前馈网络以共栅极为例，R0是负载) CMOS模拟集成电路设计 Copyright 201
14、3, Zhengran 第8章 反馈 27 8.2反馈结构 例：求下面电路的低频输出跨阻(不考虑沟道调制) 环路增益 低频跨阻 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 28 8.2反馈结构 例：求下面电路的输入输出阻抗 确定反馈类型为电压-电流反馈 开环输入阻抗为 (判断此输入阻抗时可与图8.32(a) 进行类比:输入阻抗承载的电流是反馈电流与输入电流之差，这 个电流差流过前馈跨阻产生成Vout，该结构减小了输入阻抗) 开环输出阻抗为 所以闭环情况下的输入输出阻抗分别为： CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengra
15、n 第8章 反馈 29 8.2反馈结构 电压-电流反馈低输入阻抗应用实例 感光二极管将光转换为电流，这一电流通过电阻R1转换为电 压。对于微弱的光信号R1不能太小。但是由于二极管的等效电 容比较大，所以此处形成的RC延迟常数也相对较大。为了缓解 这一问题，可以采用(b)中的结构，构造一个电压电流反馈，使 R1的左端呈现出较小的输入阻抗。 输出电压近似等于R1ID1 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 30 8.2反馈结构 4、电流-电流反馈 闭环电流增益 输入输出阻抗 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 31 8.2反馈结构 电流-电流反馈实例，计算其闭环增益 (不考虑沟道调制)错了，需修改 环路增益(从RF右侧断开) 推导时注意开环的输入阻抗为RF 不考虑沟道调制时，输出阻抗为无穷大 与反馈无关。 CMOS模拟集成电路设计 Copyright 2013, Zhengran 第8章 反馈 32 8.2反馈结构 电压电压反馈： 增益输入阻抗输出阻抗 减小增大减小 电流电压反馈： 减小 增大 增大 电压电流反馈： 减小 减小 减小 电流电流反馈： 减小 减小 增大 反馈使电路趋于理想特性： 检测电压的反馈输出阻抗减小，检测电流的反馈输出阻抗
