反饋電路中的相位補(bǔ)償?shù)降资鞘裁矗?/h2>
發(fā)布時間:2021-03-29 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】有一次幫朋友做鎳氫充電器,利用鎳氫電池充滿電時電壓有一個微小的下降這個特點(diǎn)來識別是否已經(jīng)充滿,比如1.2V的鎳氫電池,快充滿的時候,電壓在1.35V,之后逐步下降,電壓可以低于1.30V。所以需要單片機(jī)間歇檢測電池兩端電壓,大概充3秒鐘電再停止,之后檢測電池兩端電壓。
因為需要識別下降的微小電壓,所以需要加一級運(yùn)放,放大這個下降的幅度,如下圖:
那個時候剛進(jìn)入社會,實踐經(jīng)驗不足,為了更好的提升放大性能提高穩(wěn)定性,想當(dāng)然的在運(yùn)放的反相輸入端并了一顆小電容,我記得大概是10nF,如下圖:
調(diào)試程序的時候發(fā)現(xiàn),電池降壓的信號很難檢測到,往往電池充滿發(fā)熱很久才能檢測到,這個問題困擾了一段時間沒有解決,朋友帶回香港,跟一個硬件人員一起調(diào)試,用示波器一個個腳的看信號,最終發(fā)現(xiàn)運(yùn)放輸出存在短時間的振蕩,而這個振蕩導(dǎo)致了信號采樣問題,于是我很快想到是自己加了這顆電容的問題,并且在腦子中想象了整個振蕩過程,給朋友做了分析。這個畫蛇添足行為,最終導(dǎo)致了這個項目失敗。
上幾年做紅外溫度測試儀,溫度范圍是400~1200度,采用PID紅外傳感器,電流轉(zhuǎn)電壓放大部分電路如下圖:
測試中發(fā)現(xiàn),在700度附近溫度測量不準(zhǔn),最后用示波器看輸出,發(fā)現(xiàn)在這個溫度點(diǎn)上,輸出出現(xiàn)了振蕩,這個時候馬上想到,因為PID傳感器,內(nèi)阻高,寄生電容大,等價于在反相輸入上并聯(lián)了一顆電容,類似鎳氫電池的放大了,所以馬上按如下電路改進(jìn):
在做手機(jī)期間,測試發(fā)現(xiàn)一些劣質(zhì)手機(jī)充電器,用示波器測量發(fā)現(xiàn),其輸出電壓的紋波,除了100KHz附近的開關(guān)紋波外,還有一個5K附近的正弦波基于5V附近波動,比如輸出電壓5V,實際則是在4.8~5.2V之間按5KHz的頻率波動,當(dāng)時很奇怪怎么產(chǎn)生這個波動的?
以上三個案例是我碰到的,雖然前兩個問題解決了,但是還留有困惑,隨著自己對運(yùn)放理解的深入,認(rèn)識到這些問題的出現(xiàn),都是跟相位有關(guān),但是看很多運(yùn)放方面的書,雖然告訴我們穩(wěn)定的放大需要一個180度的負(fù)反饋,若相位在360度上,可能會引起振蕩,這個還要取決于放大倍數(shù),那么若反饋信號在270度呢?
實際上,相位引起的問題并不是太多,我做技術(shù)這么多年,也就是碰到這么幾個案例,但是看很多資料,比如PLL鎖相環(huán)的濾波,開關(guān)電源的反饋,運(yùn)放的一些參考電路,都寫著需要相位補(bǔ)償,實際中把這些補(bǔ)償去掉,似乎也沒有發(fā)現(xiàn)問題,所以這個讓我一直疑惑到底怎么回事?這也讓大家對于相位問題,并不是很關(guān)心。
去年應(yīng)朋友邀請錄制了運(yùn)放方面的視頻,為了要錄制視頻,專門深入的分析了一下相位,終于明白了相位到底怎么回事。
我們大部分電路的應(yīng)用,都是工作在穩(wěn)態(tài)下的,比如放大一個信號,開關(guān)電源輸入輸出比較穩(wěn)定等等,對于穩(wěn)態(tài)信號,相位問題確實不突出,哪怕相位是360度,但只要系統(tǒng)回路放大倍數(shù)小于1,也不會引起振蕩,以前三極管剛興起時代,一些放大電路還工作在自舉狀態(tài)下,典型的就是AM收音機(jī)。但是對于輸入輸出信號存在階躍突變的場合,因為每一個突變,導(dǎo)致系統(tǒng)回路失衡,系統(tǒng)需要再一次平衡,那么這個相位(這兒不討論放大增益)就決定了進(jìn)入平衡的時間周期,也就是說,相位在180度下,可以最快的進(jìn)入新的平衡,而相位在360度下,則需要較長的時間進(jìn)入再一次平衡。大家可以把180度理解為恰阻尼,越偏離180度,阻尼振蕩的時間就越長。
下面給大家提供multisim的仿真結(jié)果:
C1為1uF的效果:進(jìn)入穩(wěn)態(tài)相對快一些:
C1為10uF的效果,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時間較長:
所以對于存在階躍突變的反饋系統(tǒng)中,我們要盡可能的讓電路工作在180度上,提高系統(tǒng)再一次平衡的速度。
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