米勒電容補償是使運放放大器穩定的重要手法,可以使兩級運放的兩個極點分離,從而可以得到更好的相位裕度。
Miller 電容補償的本質是增加一條通路流電流,流電流才是miller效應的本質。給定一個相同的輸入,Miller 電容吃掉的電流比沒有miller電容大A倍。
假設輸入ΔV,輸出為-A*ΔV,電容兩端電壓變化-(1+A)*ΔV倍,流過電容的電流為Ifb=-(1+A)ΔVC/T,所以Iin=Ifb+Ierr,設輸入電阻為R1,則Ierr=ΔV/R1.如果沒有米勒電容,則Iin=Ierr。這意味著如果同樣的Iin電流,有米勒電容電流幾乎流向了Cf,Ierr分配的很少。
我們知道極點是分母為0的時候,如果是R1和C1并聯,R1和C1為輸入端電阻電容,另外,極點是流過電容C1的模值電流與流過電阻R1的電流模值相等的頻率點。所以在相同的輸入幅度下,流過Miller 電容Cf的電流比流過純粹的電容C1大A倍,所以等效到輸入電容就是ACf,此時為R1、ACf、C1并聯,C1可忽略,那么以R1的電流模值作參考,那ACf對應的頻率(帶米勒電容)就要比C1(不帶米勒電容)對應的頻率小A倍。第一個極點由原來的1/(R1C1)變成1/(R1ACf),這里C1被忽略,極點往原點靠了。
另外,對于增益級的輸出,假設在沒有米勒電容的情況下,由R2和C2并聯,形成極點。如果有米勒電容的情況下,可以看到同樣的Iin下,Ierr電流被分配的很少了,意味著IerrR1-A的輸出幅度變化小了,沒有米勒電容輸出幅度為IinR1-A。可以感覺到輸出端輸出電阻在米勒電容效應下,不再是R2,而是更小了,才會導致輸出幅度變小,假設輸出電阻變為R3,極點變成1/(R3C2),輸出極點跟1/(R2C2)比,往外推了。
故綜上所述,加上米勒電容后,系統的兩個極點可以做到比原來分離的更開,從而改善相位裕度。
這里有個問題,加入米勒電容后,電路有兩條電流路徑,一條是x通過-A,再通過Y,另一條是X通過Cf再到達Y,當兩條路徑產生的信號大小相同,方向相反時,導致Y端輸出為0,我們知道使信號幅度消失為0的頻率點就是零點,這里形成右半平面的零點。右零點增加幅值,減小相位,如果右零點靠近單位增益帶寬,會導致相位裕度急劇下降,使系統不穩定。
Miller 補償會有一個前饋通路,形成一個右半平面的零點,所以一般會切斷這個前饋通路,這里可以插入一個源極跟隨器(會限制輸出范圍)或一個反向放大器,這樣只有輸出到輸入的路徑,沒有了前饋路徑。這樣就可以把右邊零點變成左邊零點。如果A0的輸出電阻為R0,則有左邊零點-1/(R0*Cc).
這里舉個簡單的例子。利用M8共柵管切斷前饋通路。可以看到Vin到Cc到Vout,這條通路,由于Vin往M8漏極的電阻很大,大概是Rds。所以前饋通路被阻斷。Vout到Cc到Vin的反饋通路,從M8源極看進入,電阻大概是1/gm8,,這個阻抗很小,所以這個Vout到Cc到Vin的反饋通路是順暢的,1/gm8越小,即gm8越大,說明反饋通路越順暢。米勒補償效果更佳。這里說明一下,如果1/gm8越大,則第二級共軛復極點效應越強烈,會導致穩定性變差。