如何采用集成運(yùn)放進(jìn)行補(bǔ)償電路的設(shè)計？

運(yùn)放補(bǔ)償雖然很常見，但有時候也極具挑戰(zhàn)性，尤其是在要求和約束條件超過設(shè)計師控制的情況下，設(shè)計師必須選擇一種最優(yōu)補(bǔ)償技術(shù)之時。也許極具挑戰(zhàn)性的原因之一是一般文獻(xiàn)資料更多地專注于不同補(bǔ)償技術(shù)之間的區(qū)別而不是相似性。除了關(guān)注概念上的不同點外，還要關(guān)注相似點，這是非常明智的，只有這樣才能更好地理解明顯不同的技術(shù)和概念之間的緊密關(guān)系。為了達(dá)到這個目標(biāo)，本文首先討論了運(yùn)放的少量幾個確定因素，最終逐步過渡到 電路中經(jīng)常使用但少有人理解的補(bǔ)償技術(shù)。

基本積分電路

對電路施加階躍矩形脈沖，如時間常數(shù)RC遠(yuǎn)大于輸入脈寬，電容將緩慢充電，電容上電壓以指數(shù)曲線上升，輸出Uo與Ui近似成積分關(guān)系。實質(zhì)上它是一個低通濾波器，也是一個交流分壓器，對高頻成份來說，容抗Xc很少，高頻成份衰減至極小。無源積分電路受負(fù)載影響大，且階躍響應(yīng)曲線呈非線性，很難預(yù)算相關(guān)參數(shù)。為獲得線性充放電曲線，可利用運(yùn)放的虛斷特性，將電容作為運(yùn)放反饋元件，構(gòu)成有源積分器。但實際運(yùn)放都存在失調(diào)電壓、失調(diào)電流及輸入偏置電流，即使輸入Ui=0，這些等效信號也會被積分放大，使有源積分器的輸出電壓，不斷地向一個方向變化，產(chǎn)生積分漂移現(xiàn)象，甚至發(fā)生積分飽和。這一現(xiàn)象的本質(zhì)是電容C對直流信號呈現(xiàn)幾乎無窮大的容抗，放大倍數(shù)Xc/R1也無窮大，運(yùn)放處于開環(huán)放大狀態(tài)。為抑制積分漂移，常在電容兩端并聯(lián)一個電阻。

帶補(bǔ)償電容的微分電路

C1即為防止交流增益過大的補(bǔ)償電容，此時反饋支路的阻抗Zf=Xc1//R1，對C1的要求是，在通過電容C的信號頻率作用下，只要使C1容抗Xc1遠(yuǎn)大于R1,就可以忽略C1的影響，進(jìn)行微分計算時，只用R1計算也可以保證足夠的精度。為限制通過電容C的高頻電流，進(jìn)一步降低對高頻分量和高頻干擾的敏感性，在信號源內(nèi)阻比較小時，可在電容前面串聯(lián)一個電阻，以限制流過電容C的高頻電流。同時，為防止可能出現(xiàn)的過高電壓，可在反饋支路中再并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以限制輸出幅度。

運(yùn)放補(bǔ)償技術(shù)有很多種，如“主極點補(bǔ)償”，“增益補(bǔ)償”，“超前補(bǔ)償”，“補(bǔ)償衰減器”以及“超前-滯后補(bǔ)償”。任何補(bǔ)償技術(shù)的理想結(jié)果都是從純穩(wěn)定性角度使多極點系統(tǒng)(高階系統(tǒng))接近單極點整體系統(tǒng)，因為單極點反饋系統(tǒng)是無條件穩(wěn)定的。

大多數(shù)補(bǔ)償技術(shù)至少能實現(xiàn)有效的雙極點系統(tǒng)狀態(tài)，其中第二個極點(第一個非主要極點)盡可能遠(yuǎn)離第一個極點(主要極點)，并且通常具有較高的頻率拐點，而且拐點相對遠(yuǎn)，對穩(wěn)定性的影響可以忽略不計。在一些情況下，通過有意減小主要極點和非主要極點之間的距離來增強(qiáng)帶寬，這時通過增益頻率響應(yīng)可以觀察到一些高頻峰值。

在許多 電子技術(shù)文獻(xiàn)中，所有補(bǔ)償技術(shù)中解釋最不好的也許是超前-滯后補(bǔ)償技術(shù)了。遺憾的是，某些流行的參考文獻(xiàn)在開環(huán)增益曲線以及對超前-滯后補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)描述中存在錯誤，因此本文將重點討論這方面內(nèi)容。

超前網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格定義或至少清晰的定義是，它的零點頻率幅值比極點的要低，因此催生出純粹兩個拐點。在滯后網(wǎng)絡(luò)中則相反，極點頻率幅值比零點的低。超前-滯后網(wǎng)絡(luò)是這兩種網(wǎng)絡(luò)的組合，超前網(wǎng)絡(luò)的全部兩個拐點頻率的頻率幅值都要小于滯后網(wǎng)絡(luò)的頻率幅值。同樣，在滯后-超前網(wǎng)絡(luò)中，滯后網(wǎng)絡(luò)的兩個拐點的頻率幅值要小于超前網(wǎng)絡(luò)。不管是滯后-超前網(wǎng)絡(luò)還是超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，每種網(wǎng)絡(luò)都會形成4個拐點：兩個極點和兩個零點。

在給定總體系統(tǒng)與技術(shù)約束條件下，人們也許會使用任何合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)去補(bǔ)償具有與生俱來且有時不可修改拐點的系統(tǒng)。所選的補(bǔ)償技術(shù)可能專門用引入的零點去抵消固有的系統(tǒng)極點，反之亦然，從而得到一個純粹更低階的系統(tǒng)。本文采用開環(huán)增益表達(dá)式的Bode圖用于穩(wěn)定性分析，并得出極點和零點的定義。