淺談音叉液位開關模擬采樣電路容補性分析

      在設計音叉液位開關的模擬采樣回路中,我們發現了電路振蕩Q點和音叉+壓電陶瓷組件的高階頻率階躍問題,此現象特別在音叉液位開關對高粘度介質(如蜂蜜、蓖麻油、洗潔精等)時極其容易復現。本文主要針對此問題做出詳細分析,如何通過容性補償方法使得這一采樣鏈路Q值處于穩定工作狀態。音叉液位開關模擬采樣回路采用的運放型號為AD8544,下圖顯示了AD8544放大器的開環增益和相位響應與頻率的關系。這是一款10MHz放大器,支持軌到軌輸出,并且只有4fA的偏置電流。主補償電路的-90°相位從大約1KHz達-90°開始,在約10KHZ時達到-135°,但在1MHz以上將越過-235°。

     在實際應用中,由于額外的增益級和輸出級電路,所有放大器除了基本的主補償外,都還有高頻相位。典型的額外相位從大約GBF/10開始。 AD8544的內部是一個多級放大器。其對數幅頻特性如下圖所示中的曲線①(實線)。對數幅頻特性曲線在零分貝以上的轉折點稱為極點。圖中,稱P1、P2點為極點。極點對應的頻率稱為轉折頻率,如fp1,fp2,即頻率極點稱為主極點。在極點處,輸出信號比輸入信號相位滯后45°,幅頻特性曲線按-20dB/10倍頻程斜率變化,每十倍頻程輸出信號比輸入信號相位滯后90。極點越多,越容易自激,即越不穩定。


     為使集成運放工作穩定,需進行相位(頻率)補償。 按補償原理分滯后補償、超前補償及滯后一超前補償(去掉極點作用的基本方法是引入零點。)引入零點的位置為Ro,Ro上并聯電容Cs可為MOS輸入端引入一個零點zo。 但Ro是運放內部電阻,無法操作,因此在Ro后輸出級添加一只電阻Rs和并一只CS。想當于阻容低通負載環路。滯后補償使主極點頻率,即放大器頻帶變窄。如補償后只有一個極點,則被稱為單極點。凡是使相移減小的補償即被稱為超前補償,超前補償使幅頻特性曲線出現零點,即放大器頻帶變寬。在零點處輸出信號比輸入信號相位超前45°,幅頻特性曲線按+20dB/10倍頻程斜率變化。補償辦法是將零點與補償前的一個極點重合。削弱輸入分布電容影響的補償,將補償電容并在閉環放大器的外部反饋電阻上,使輸入信號在高頻時能直接耦合到輸出端,削弱輸入分布電容的影響,改善電路的高頻特性。 補償條件為:RF*CB=Rr*Cr 容性負載CL與運放輸出電阻RD構成滯后網絡。該滯后網絡與反饋網絡串聯產生新的極點而引起電路過激勵。為此需要對容性負載進行相位補償。補償電容CB與反饋電阻RF構成超前補償網絡,形成新的零點,新的零點抵消容性負載CL與集成運放輸出電阻RD構成新的極點,從而過激勵。 計算公式:CB=CL(RD+RL)/RF 按補償原理分滯后補償、超前補償及滯后一超前補償(去掉極點作用的基本方法是引入零點。)引入零點的位置為Ro,Ro上并聯電容Cs可為MOS輸入端引入一個零點zo。但Ro是運放內部電阻,無法操作,因此在Ro后輸出級添加一只電阻Rs和并一只CS。想當于阻容低通負載環路。滯后補償使主極點頻率,即放大器頻帶變窄。如補償后只有一個極點,則被稱為單極點。凡是使相移減小的補償即被稱為超前補償,超前補償使幅頻特性曲線出現零點,即放大器頻帶變寬。在零點處輸出信號比輸入信號相位超前45°,幅頻特性曲線按+20dB/10倍頻程斜率變化。補償辦法是將零點與補償前的一個極點重合。削弱輸入分布電容影響的補償,將補償電容并在閉環放大器的外部反饋電阻上,使輸入信號在高頻時能直接耦合到輸出端,削弱輸入分布電容的影響,改善電路的高頻特性。補償條件為:RF*CB=Rr*Cr容性負載CL與運放輸出電阻RD構成滯后網絡。該滯后網絡與反饋網絡串聯產生新的極點而引起電路過激勵。為此需要對容性負載進行相位補償。補償電容CB與反饋電阻RF構成超前補償網絡,形成新的零點,新的零點抵消容性負載CL與集成運放輸出電阻RD構成新的極點,從而過激勵。計算公式:CB=CL(RD+RL)/RF反饋網絡本身也可能引起振蕩。利用反饋網絡相位為–atan(f/1MHz)這個事實,我們可以估計環路360°將發生在約1MHz時,此時放大器的為-235°,反饋網絡為-55°。在這個相位和頻率點,放大器仍有20dB的增益,而分壓電阻增益是分壓電阻增益=0.1114or-17dB。放大器的20dB增益加上反饋網絡-17dB增益可以得出在0°相位處的環路增益為+3dB,電路會發生振蕩。因此必須減小與寄生電容一起發生作用的反饋電阻值(增加電位器阻值就是減小反饋網絡電阻值),使反饋極點遠離環路的單位增益頻率。極點與GBF比值6倍以上。運放輸入本身可能呈很大的容性,模擬Cpar。特別是低噪聲和低Vos放大器具有大的輸入晶體管,其輸入電容比其它放大器都要大,會加載它們的反饋網絡。 

       就像反饋電容可能侵蝕相位余量一樣,它也會加載電容。下圖顯下示了在一些增益設置條件下AD8544輸出阻抗與頻率的關系。注意,單位增益輸出阻抗要低于更高增益的阻抗。完整反饋允許開環增益減小放大器的固有輸出阻抗。這樣,下圖中增益為1的輸出阻抗一般要高出單位增益結果10倍。反饋衰減器會低環路增益使之到1/10值,否則會減小閉環輸出阻抗。開環輸出阻抗約750,從增益100曲線高頻區的平坦部分很容易看出來。在從大約增益帶頻率/100到增益帶寬頻率的這段區域中,基本上沒有足夠的環路增益可減小開環輸出阻抗。
 
 

皖ICP備2021008018號-1
无码人妻丰满熟妇区,日本妇人成熟A片一区,日本妇人成熟A片一区