update內容:
(1)Gm(s)小信號圖中M1的小信號電流方向反了,雖然不影響計算結果,還是更正過來;
(2)增加“模型仿真驗證”這部分內容,通過建模仿真驗證推導的相關結論
本文介紹一種SSF穩定性補償方案,并推導其閉環特性,給出相關參數的設計指引。
基本結構:
在節點V1引入一個RC串聯支路,從直觀上來看會引入一個零點-1/(R1*C1),用于抵消環路中的某個極點。
Gm(s)的推導:
對照小信號圖,可以直接寫出結果:
Gm(s)=gm1+gm1GM2(R1+1/(sC1))
zout(s)的推導:
對照小信號圖,可以直接寫出結果,這里還是用導納吧,后面的推導似乎更簡潔一點:
痛風=gm1+gm1GM2(R1+1/(sC1))+sC2
閉環增益A(s)的推導:
聯合上面Gm(s)和gout(s)的表達式,可以得到閉環增益:
閉環穩定性分析:
零點和主極點抵消,整個系統近似為一個單極點系統,閉環帶寬為gm1/C2A2,其中A2=gm2R1。 這個帶寬明顯比常規Source Follower的帶寬gm1/C2要大得多。
通過引入Local Feedback,我們成功地將帶寬從gm1/C2擴展A2倍,為了得到更好的效果,A2=gm2*R1要足夠大。
接下來關于R1和C1的取值問題,初中數學我們知道,要想閉環系統兩個極點都是實根,必須滿足時b^2-4ac>0,此時系統為過阻尼系統,可以得到以下結論:
C1>4C2/(A1A2),其中A1=gm1R1,A2=gm2*R1, 相對于C2,C1是一個比較小的值
需要注意的是,我們在計算中忽略了V1節點的寄生電容Cp,C1在取值過程中需要保證C1>>Cp
小信號模型驗證:
搭建小信號模型,通過仿真驗證前面推導的相關結論,在次之前先把前面推導的基本結論先列舉一下:
p2=-gm1/C2*A2;p1=z1=-1/(R1*C1)
以上零極點表達式成立的前提條件是A2=gm2*R1>>1,仿真過程中至少保證A2>10
閉環帶寬: 理論上與C1取值無關,C1取值范圍:C1>4C2/(A1A2)
仿真Bench見下圖,各個參數的取值見上表
先通過仿真觀測R1和閉環帶寬之間的關系,從前面的推導可知,帶寬=gm1/C2(gm2*R1),R1和帶寬成正比。
仿真結果見下圖,仿真結果顯示,閉環帶寬完全和R1成正比,R1越大,閉環帶寬越高。
然后通過仿真觀測C1和閉環帶寬之間的關系,從前面的推導可知,帶寬=gm1/C2(gm2R1),C1理論上和帶寬無關,但是需要注意的是,需要滿足約束條件C1>4C2/(A1*A2)。
仿真結果見下圖,仿真結果顯示,只要C1足夠大(>2pF),閉環帶寬與C1無關的結論是成立的。但是也應該注意到,系統臨界阻尼狀態對應的C1和理論計算還是有所出入,造成這個計算誤差的原因應該是在計算關系式b^2-4ac>0時,系數b和a做了A2>>1的近似。在設計的時候可以將C1適當取大一點,pF級。However,這個其實不太重要,系統即便是進入輕微欠阻尼狀態,也不是什么大問題。
除了小信號模型,我還用真實電路進行了驗證,結果都很相近。
總結:
我們推導了SSF補償方案,給出了設計指引,并建模通過仿真對相關結論進行了確認。
RC串聯支路補償方案有效
R的取值和閉環帶寬成正比,帶寬越高,LDO 傳輸門Gate端極點頻率越高
C的取值和閉環帶寬無關,僅僅需要滿足一定的約束條件,取值范圍非常大
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