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Pole Splitting现象的根本解释

2022-01-14 08:25 作者:王见王见  | 我要投稿

我们在Miller效应的分析中,会用到极点分离现象,具体表现就是加了一个Miller电容之后,原本靠近的两个极点居然神奇地分开了。

这背后的电路原理是什么?为什么极点会往两边跑呢?会不会出现不往两边跑,而是两个极点同时减小的情况呢?

我们可以利用额外元件定理分析闭环传递函数的分母,再利用根轨迹来解释。所谓额外元件定理,其实就是把某个无源元件看成一个受控源,比如电阻,控制量是它的电流,受控量是它的电压。



电阻R的返回比,就是在原来的R处加电压源,求返回的电流。电流与电压源的传递函数再乘以R得到Return Ratio。其实就是求了R两端向外看的等效电阻。

如此我们可以借鉴返回比的方法分析Miller电容的作用,再用根轨迹法看闭环极点的移动。

根轨迹法告诉我们,任何一个闭环传递函数的分母,可以写成关于某个元件参数T的表达式:

格雷教材上的公式


此处T0是个不带s的数。

看分母的多项式,分别考虑T0趋于0和无穷的情形:

其实分母的多项式可以进一步写成这样子:

如果把N(s)/D(s)看作一个传递函数H,那么结论就是,随着T0从0到无穷的增大,闭环的极点会从H的极点跑到H的零点

T0*H其实就是我们的返回比。

这里我们其实只关心它的零极点,而并不关心dc量,所以不必写出具体的表达式,只要能看出T0*H的零极点的分布位置就可以了。

回到Miller电容中来,

我们这里的变量就是Cm了,电路添加这个Cm的过程就是Cm从0变大的过程。

那么我们把Cm看成导纳元件,根据上面的结论,对sCm的返回比就是sCm与其两端等效导纳的比值。故得到的T0*H结果应该是:

Yeq是从Cm两端向外看的等效导纳

于是问题就转变为:如何求Yeq的零极点?

我们把Yeq当成传递函数,I/V。 I/V的意思是:在Cm两端加的电压源是输入,返回的电流I是输出。

求这种传递函数的极点非常简单,将输入置零就容易看出来。

我们将所加的电压源置零,那么原来Cm的地方就被短路了。这个电路的极点很容易看出来,就是gm/(C1+C2)

那么Yeq的零点怎么求呢?零点是比较难处理的,但是这里可以耍一个小技巧:

我不用Yeq了,我用Zeq,Yeq的零点就是Zeq的极点

由于Yeq和Zeq的倒数关系,求Yeq的零点转化为求Zeq的极点。而Zeq也可以用同样的方法,看成是一个传递函数V/I。那么Zeq的极点就需要把Cm的地方换成电流源再置零,也就是令Cm开路。

很显然,这时候Zeq的极点就是原来的两个极点p1&p2.

于是T0*H的含义就出来了:

T0*H有两个极点,两个零点。极点就是原来Cm开路时的极点,零点就是Cm短路时的极点加上电容自带的DC零点。

加上Cm之后,随着Cm的增大,p1 p2会分别跑向gm/(C1+C2)以及原点,这就是极点分离现象。

要注意的是,如果gm/(C1+C2)比原来的1/(ro2*C2)还要小,那么次级点是不会往外跑的,它必须要跑向gm/(C1+C2)

这个极点分离的关键就在于用了一个电容,而不是电阻,电容本身自带s,加了一个dc零点进去,使得主极点必然径直跑向原点。


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