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【我是工程师第三季】运算放大器闭环控制计算,仿真和实测
阅读: 4645 |  回复: 72 楼层直达

2017/05/05 15:26:25
1
cjhk[版主]
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LV9
军长
此帖被推荐到论坛首页,作者+2积分

QQ截图20160321155901  高效、易用、便捷的电源调试助理——是德科技E36313A可编程直流电源测评

QQ截图20160321155901  在测试完智能手表的功耗之后,我发现了两个比较严重的问题……

QQ截图20160321155901  有几个人知道Tag 在不同工作状态下背后隐藏的秘密!


    开一帖讲讲环路计算的相关话题吧。

四通道3MHz低功耗低噪1.8V CMOS运算放大器 IO-Link数字输入集线器参考设计 低噪声稳压开关电容电压逆变器
单电流限流配电开关5-SOT-23 -40至85 带音频附件支持的USB Type-C™电源通道保护 具有40μA静态电流的 2A SIMPLE SWITCHER®、降压稳压器
12位,2.7-GSPS,RF采样模数转换器 单USB车载充电器带电缆补偿和电池短路保护 LP38798-ADJ Hi PSRR超低噪声 800mA低输入电压稳压器
2017/05/05 15:29:37
2
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长
    关于环路控制的帖子我之前已经写了两帖,详见《晶体管放大电路及运算放大电路的计算与制作》及《单端正激式开关电源设计之环路控制设计》。

    说心里话,刚开始学习环路控制时,由于没有基础,学的相当吃力。环路控制的理论相对较抽象,且实测需要配合网络分析仪等昂贵的仪器,心里一直纠结是否有其它的办法来实测验证环路控制的诸多理论。同时由于仿真软件中集成了诸多的仿真仪器,所以想专门再开一帖讲讲环路控制的问题。

2017/05/05 16:20:27
3
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

    市面上常见的模拟电子技术的书籍只要是觉得好的,我都会入手,经过这7-8年的积累,家里到处都是电子技术类的书籍。闲暇时翻翻,偶尔会灵光乍现,一个疑问解决了。更多的时候是遇到问题,开始查阅各类相关的书籍。

    不瞒诸位看官,开关电源相关书籍,运算放大器相关书籍,滤波器相关书籍,磁学技术相关书籍等等我有很多本。看的多了,发现在环路控制这一块还是老外讲的比较简明扼要。

    最初接触环路控制的话题是在深入学习开关电源的反馈控制一章,当时觉得书中讲的犹如天书,很难理解。后来深入学习运算放大器的相关知识点发现运放的核心以及难点也是环路控制,不过相较与开关电源的环路控制的测试,运放的环路测试相对较简单,可以通过仿真软件验证,也可以通过示波器及信号源的配合进行实物验证。于是便想开一帖讲讲运放相关的环路计算,仿真及实物验证。

2017/05/05 16:34:57
4
cjhk[版主]
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LV9
军长

    最近家里又出了点事情,我老婆下班正常开车行驶,一中年妇女闯红灯且逆向行驶(视频为证),撞到我老婆的车上。该妇女头皮擦破,颅内轻微出血,被120拉到医院去了。老婆打电话给我,我赶紧打的奔赴现场,想说我老婆几句,看到她一脸无助的样子,心又软了,各种安抚。期间交警来了,又得配合交警调查取证,还要联系保险公司备案理赔。

    完事后,第一时间赶赴医院,安抚对方家属,垫付医药费等等。期间让我老婆先回家,告诉她所有的后续事情我来扛。忙到晚上9点,回来又是找各种法规,好累,好烦。

2017/05/05 16:39:39
5
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

    和广大的坛友抱怨抱怨,生活还要继续,技术还得钻研,希望这次劫难能够顺利度过。

    路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

    努力,奋斗。

2017/05/07 14:28:48
8
心如刀割[版主]
电源币:2249 | 积分:17 主题帖:52 | 回复帖:761
LV8
师长
2017/05/05 21:54:02
6
guang卢
电源币:4708 | 积分:10 主题帖:4 | 回复帖:363
LV6
团长
cjhk版  一切安好,好运连连!好给大伙讲更多的技术知识!!加油!
2017/05/06 14:43:19
7
cjhk[版主]
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LV9
军长
    谢谢你的关心,谢谢。
2017/05/10 13:25:08
9
cjhk[版主]
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LV9
军长

    正式开讲,从哪里开始讲起呢,就从电子学三大基础器件电阻,电容,电感开始讲起吧。诸位看官别嫌我啰嗦,我喜欢将知识点讲透,而不是单单去套用各种专业术语。

    我们知道电信号通过电阻时,部分电能会转化为热能,但是相较于输入的电信号,输出的电信号其电压和电流并没有出现相位差问题。

下图所示为电信号经过电阻后,其输出电压和电流信号波形:





2017/05/10 13:31:39
10
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

    对于电容器而言,当电信号经过电容器之后,输出的电压信号和电流信号会出现相位差问题,即电流总是超前于电压信号90゜,如下图所示:



2017/05/10 13:37:40
11
cjhk[版主]
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LV9
军长

    对于电感器而言,电信号经过之后,输出电压和电流信号也会出现相位差问题,如下图所示:


知道了电阻电容电感对电压电流信号的不同作用后,有什么用呢,我们明天继续讲解。




2017/05/16 12:55:20
12
cjhk[版主]
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LV9
军长

    上一帖我们讲解了三种常规的电子元器件对电压及电流的影响,这一讲我们需要讲讲正反馈和负反馈的特点及作用。

    使净输入信号增大的反馈称为正反馈,使净输入信号减小的反馈称为负反馈。这段解释来自与《模拟电子技术基础》一书(第三版P249),大家可以翻阅这本书看看。

    接下来讲讲个人对正负反馈的理解。先就字面意思解释,由反馈二字可知,必须将输出的部分信号送达输入端,从而构成环路才能形成反馈。

2017/05/16 13:05:37
13
cjhk[版主]
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LV9
军长

    由此可知反馈的第一要素是先得构造环路,用于将输出端信号采集传输至输入端。

    反馈的第二要素是如何采集输出端的信号,最简单的方法是电阻分压法,即通过两分压电阻将输出端电压信号传输至输入端。这一方法的缺陷是不能实现输入和输出的隔离,怎么办呢,将电信号转为光信号或者磁能传输即可,也就是通过光耦或者变压器采集输出信号并将其传输至输入端。

    反馈的第三要素是反馈极性的判断,如果采集的部分输出信号和输入信号同相,则为正反馈,反之则为负反馈。

    反馈的第四要素是交直流反馈量的区别,如果反馈的信号仅仅是直流分量,则称为直流反馈,反之则为交流反馈。

    反馈的第五要素是电压电流反馈量的区别,如果反馈的信号是电流信号,则称为电流反馈,反之则称为电压反馈。

    反馈的第六要素是串并联反馈的区别,当反馈量与输入量以电压方式叠加时称为串联反馈,当反馈量与与输入量以电流形式叠加时称为并联反馈。

    反馈的第七要素是反馈环数量问题,当需要同时对多个物理参数进行反馈控制时,必须针对需要控制的多个物理量分别构造环路,俗称多环路控制。常规开关电源有单电压环控制及双环控制,分别是电压环和电流环。电机的控制通常是三环控制,分别是速度环,位置环和电流环。

2017/05/16 13:32:51
14
cjhk[版主]
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LV9
军长

    反馈的诸多要素中,我们针对第三要素进行详细讲解。

    如果采集的部分输出信号和输入信号同相,则为正反馈,反之则为负反馈。从这句话中我们可以提炼出哪些信息呢?

    第一点也是最显而易见的一点即是输出信号和输入信号的相位关系。当输入信号和输出信号的相位差小于180度是为正反馈,当输入信号和输出信号的相位差大于180度,小于360度时为负反馈。

    第二点相对较隐蔽,由输入输出信号的相位关系我们知道正反馈和负反馈之间其实是可以相互转化的。这两种反馈形式其实是反馈的一体两面,正反馈可以变为负反馈,负反馈也可以变成正反馈,二者以正弦波形式交替变换,很好玩也很奇妙。

    正负反馈交替变换的规律中隐隐蕴藏着阴阳调协的天理,正所谓阴极生阳,阳极生阴,物极必反,天地之道也,妙哉,妙哉。

2017/05/16 13:50:08
15
cjhk[版主]
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LV9
军长

    前文讲解的电感电容器件可以将电压和电流错相90度,而正负反馈之间的转换仅需要控制输入输出信号的相位差即可,很显然正负反馈的转换离不开电感电容的作用,而深入探讨电感电容的特性也跳不开讨论反馈变换这一话题。

    在这一帖中,主要讲解的是运放的环路控制,所以电容与运放的反馈控制机理将是重点讨论的话题。那为什么讨论的是电容和运放的关系呢?

    我们知道晶体管极间存在寄生电容,而运放是由多个晶体管组成的(晶体管制作运放详见《晶体管放大电路及运算放大电路的计算与制作》),其寄生电容对信号的相位及增益的影响必然不能忽视。通过外接电容以正反馈或负反馈形式将运放的输入和输出相连可以补偿寄生电容对信号相位及增益的影响作用。

    那为什么甚少讨论电感呢,其实原因很简单,电感的体积与频率成反比,讨论运放对电信号的相位及增益的影响是建立在一定的频率范围之内的(俗称带宽)。相对来说电容在电路实物的调试中更加方便易行。

2017/05/16 14:17:43
16
cjhk[版主]
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LV9
军长
    接下来准备将环路控制中涉及的诸多基本概念讲解梳理一遍,后面会通过手算,仿真软件以及实物测试等验证诸多基本概念。至于更后期的知识点的讲解还是一步一步的架构中,鄙人才疏学浅,后面必然会存在诸多漏洞,万望诸位看官多多提点斧正,谢谢。
2017/05/16 16:19:07
17
pizige5241
电源币:0 | 积分:0 主题帖:8 | 回复帖:67
LV4
连长
期待版主大作。
2017/05/20 20:01:22
23
baobohenry
电源币:1 | 积分:0 主题帖:35 | 回复帖:54
LV5
营长
讲的很好,顶一个。搬个凳子来听课!
2017/06/03 23:38:30
52
wsyy1998
电源币:9 | 积分:3 主题帖:8 | 回复帖:20
LV3
排长
很透彻!呵呵,
2017/05/18 16:19:53
18
cjhk[版主]
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LV9
军长

    继续更新,前次讲解了三类电子器件电阻电容电感及运放反馈的各种形式,重点讲解了正负反馈的区别。

    今天讲点阻抗的故事。我们知道电阻的作用是用于阻碍电流的流通,至于说该类器件阻碍电流能力的大小主要根据其阻值来判断,阻值越大,阻碍电流流通的能力越强。这类器件阻碍电流能力的大小与时间并没有多大的关系,此处请忽略随时间的增加导致温度对阻值的影响。

    在《开关电源的技术闲思》一帖中,我曾经讲过时间的一体两面包括周期和频率。接下来我们讲讲电感和电容的阻抗问题。

2017/05/18 16:59:06
19
cjhk[版主]
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LV9
军长

    电感和电容也有阻抗特性。不过这两者的阻抗特性不仅仅与其自身的容值及感值有关,还与频率挂钩。此处分析二者的阻抗特性请忽略电容电感自身的寄生参数及温升特性等参数。

    电容的阻抗Xc=1/(2Pi*f*C),电感的阻抗Xl=2Pi*f*L。由这两个公式我们可以看出当容值或感值固定时,电容的阻抗随频率的增加不断减小,而电感的阻抗则随频率的增加而不断增加。

    同时随着频率增加导致的另一变化是电压和电流信号相位的变化。前文已经讲过,频率不断增加,容值不断减小,电流超前电压90度,当频率无穷小时,容抗变得无穷大,直接的表现形式就是阻碍直流电信号的通过,俗称隔直通交。

    而感抗随着频率增加不断增加,当频率无穷大时,感抗也变得无穷大,直接表现形式就是阻碍高频交流电信号的通过。

    

2017/05/19 08:29:30
20
cjhk[版主]
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LV9
军长

    知道了容抗和感抗的知识点有什么作用呢,作用相当大,待我一一揭示。

    从容抗和感抗的公式中大家是否发现他们均与频率有关,之前我说过时间的一体两面分别是周期和频率。至此答案已经揭晓,阻抗的概念讨论来讨论去其实是在讨论电信号与时间的关系。这一点很重要,物理世界中的诸多概念本质上都是在讨论其与时间空间的变化关系。

    稍微扩展一下,最初对于时间和空间,人类认为是不可分割的。当爱因斯坦这位超级大牛的相对论横空出世后,我们知道时间和空间是可以分割扭曲的,只要物质的速度足够快即可。当然常规的速度是无法穿越时空限制的,唯有光速可以。当物质的运动速度达到光速时,时空可以扭曲可以穿越。换句话说想要摆脱时空对于自我的约束只要达到光速即可。

2017/05/19 08:45:47
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cjhk[版主]
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LV9
军长

    人若摆脱了时空的限制,是否就能达到真正的自由与超脱呢,我不知道,因为到目前为止人类的技术还不能造出具备光速的运输机器。这是向外索求以破除我障的方法。

    是否有其他的方法可以摆脱我障,从而达到身心自由,不受时空的约束呢?当然有,那就是向内索求,这就是宗教的力量。

    万千法门皆可成佛,唯有不住与色声香味触法,因无所住以生其心,方得正道。人与外界沟通的方法无外乎色声香味触法,当断绝六识,了悟空明,人便于宇宙浑然一体,外界一大宇宙,内心一小宇宙。我即世界,世界即我。这便是佛家所述的突破我障,摆脱时空限制的另一法门。

2017/05/19 16:29:17
22
cjhk[版主]
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LV9
军长

    继续更新。

    前文讲到电信号通过电感电容器件时,其电压电流相位会随着频率的变化而变化。针对电信号我们通常还需要考虑的因素是幅值受频率变化的影响大小。此处的幅值专业术语称为增益。

    虽然电信号看不见摸不着,但需要考虑的因素无外乎电压特性,电流特性,幅值特性(增益),相位特性,频率特性等。对于电信号而言,不同的场合需求也不相同。有的场合需要对微弱信号进行放大,此时就需要用的放大电路,有的场合需要消弱电信号,滤波电路便派上了用场。有的场合需要产生电信号,振荡电路应运而生。

    说来说去就是电信号的产生,放大,消失三种状态的循环而已。如何判断某一信号是否是我们需要的呢,就通过上述我提到的那么几点来衡量,电压,电流,幅值,相位,频率等参数。

    

2017/05/20 20:07:03
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baobohenry
电源币:1 | 积分:0 主题帖:35 | 回复帖:54
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营长
坐等大神更新
2017/05/22 08:32:04
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cjhk[版主]
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LV9
军长

    继续更新,今天讲讲零极点的概念。

    刚开始学习电源环路控制时,遇到的第一个拦路虎就是零极点的概念理解问题。由于当时没有足够的知识储备,这两个概念困惑了我很长时间。下面我会分别从数学和物理学的角度解释这两概念。

    大家初次接触某一概念,不要被其文字本身所困惑,过于执着于文字本身是不利于初学者理解某一概念的。禅宗很早以前便看透了文字本身对学佛者慧根的阻碍作用,于是立下了”不立文字,教外别传,直指人心,见性成佛”的宗旨,所谓狗屎是佛,吃喝拉撒皆是佛说的便是此理。

    讲完禅宗这段公案,下面开始正式讲解零极点的概念。

2017/05/22 08:45:34
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cjhk[版主]
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LV9
军长

    先从数学角度解释,以C=A/B为例,当A趋于零时,C趋于零,这便是所谓的零点的概念。反之,当B趋于零,则C趋于无穷大,这便是极点的概念。零极点的方程式通常是以传递函数的形式出现,不过与我所举的例子类似,换汤不换药而已。

    接下来从物理学的角度解释,前文我讲到分析电学的概念通常无外乎频率,幅值,相位等参数的变化关系,零极点的概念也跳不出这一范围。那什么是零点呢,很简单,当频率提升10倍,增益变为原来的十分之一,相位滞后45度,此一点便是零点。那什么是极点呢:频率提升10倍,增益变为原信号的十倍,相位超前45度即是极点。

    这里涉及到增益,频率,角度的变化。而前文我讲到的电容,电感以及运放的作用时也涉及到上述诸多概念,诸位看官是否能将前后文之间关联呢,其实环路的诸多概念就是在讨论电容,电感运放与电压电流的增益,频率,角度的变化关系而已,很简单明了吧?

2017/05/22 08:59:45
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cjhk[版主]
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LV9
军长

    自动控制这门科学讨论的是什么内容,这个话题很大,不同的人从不同的角度都能说出一点东西来。早年我沉醉于佛老思想及阳明心学的学习,从中体悟出八个字,”因果体用,知行合一”。佛法有云:菩萨畏因,凡夫畏果。种瓜得瓜种豆得豆,说的便是此理。

    现今回过头来看,自动控制本质就是因果论的应用而已。为了追求某一设定的预期数值,我们通过各类复杂的电路及调控机制来消除外界的诸多杂波对系统的干扰作用。这里我们所追求的预期数值便是果,而外界诸多的干扰杂波便是因。自动控制系统通常是多因一果的系统。

2017/07/21 09:01:37
71
zhaomingming
电源币:332 | 积分:0 主题帖:3 | 回复帖:40
LV3
排长

频率提升十倍,增益下降十倍,相位滞后45 这个应该是极点吧

频率提升十倍,增益上升十倍,相位超前45 这个应该是零点吧

还有这个相位超前或滞后的概念,一般说的都是对应于电流来说的吧, 比如说极点电容电流滞后于电压45度,零点是电流超前电压45度。是这样吗?

2017/05/22 12:51:34
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cjhk[版主]
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LV9
军长

    继续更新,之前讲解了零极点的概念,接下来讲讲穿越频率的概念。

    什么是穿越频率,从字面意思看,大家可能觉得比较抽象,其实从物理学的角度解释很简单。前文讲到幅值(增益),相位会随着频率的变化而变化。而穿越频率指的是运放增益为1时所对应的频率,就这么简单。

    当说到运放增益为1时,大家是否想到运放的经典应用之跟随器的设计。跟随器的作用就是确保在设定的频率范围内(带宽),信号的增益始终为1,同时还起到阻抗变换的作用。

    跟随器电路原理很简单,但实际上好的跟随器的制作相当有难度,因为跟随器是介于正反馈与负反馈之间的应用,同时需要保证宽频带内增益不变,这是相当难做到的。大家可以动手实际做一做。在《晶体管放大电路及运算放大电路的计算与制作》一帖中我讲到了跟随器电路的制作,如果大家感兴趣可以去看看。

    

2017/05/22 13:16:17
29
cjhk[版主]
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LV9
军长

    接下来讲讲欠阻尼,过阻尼及临界阻尼的概念。

    我们知道控制过程本身是一个动态的调节过程,通过不断修正偏差,使实际数值无限趋近与目标设定值。修正过程中,实际数值是在目标数值的周围不断振荡变化的,不管反馈系统设计的多么精密可靠,这一振荡过程都不会消失,系统永远都处于动态振荡的状态。

    如何描述这一动态振荡过程的优劣呢,这便是通过欠阻尼,过阻尼及临界阻尼的概念来衡量。

    当系统的振荡状态逐渐趋于零,以至于振荡趋于停止,这便是过阻尼。反之,当系统的振荡状态趋于无穷大,最终导致系统崩溃即是欠阻尼。临界阻尼的状态介于欠阻尼与过阻尼之间,确保系统有些许的振荡,但此时的振荡是可控的,也是系统必须要有的。

    讲到此处,大家应该明白不管怎么设计开关电源,其输出都会有纹波。所谓的电压反馈就是将纹波电压放大后反馈至控制端,从而动态调节系统的稳定。

2017/05/22 13:47:13
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cjhk[版主]
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LV9
军长

    接下来扩充讲解点正负反馈的关系。

    提到正反馈,很多朋友都不喜欢,因为大家都知道系统不稳定就是因为正反馈在捣鬼。但实际上正反馈在系统的动态调节过程中起着非常大的作用。上文讲到开关电源的电压反馈其实是将采集的纹波电压放大后反馈至控制端以实现恒压作用。放大纹波电压其实就是正反馈的作用。

    前文提到正负反馈之间可以相互转换,由此可见负反馈和正反馈是相辅相成,同时又是对立统一的。

2017/05/27 12:51:29
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cjhk[版主]
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LV9
军长

       这几天事情较多,这会终于有点闲情静下心来码点文字。

    前面讲了很多关于正负反馈以及零极点的概念,接下来讲讲增益的相关概念。

    增益是什么,第一次看到这个词组时,我是懵了,什么玩意吗?电子技术领域很多的文字概念都蒙了一层纸,捅破它就豁然开朗了。虽然是薄薄的一层窗户纸,不过想捅破它,诸位还需花点心思。大力,巧力抑或是借力,这就是八仙过海,各显神通了。

    本人资质一般,天生蛮力,只能以大力的方式捅破这层窗户纸,颇费周折。希望诸位看官看了我的帖子后,能生出巧力乃至借力突破这层窗户纸的限制,快哉快哉。

2017/05/27 13:14:31
32
cjhk[版主]
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LV9
军长

    运放是通过三极管的拼拼凑凑搭出来的,三极管有一个重要的功能是信号放大。评价三极管的优劣通常需要看其在指定频率范围内(带宽)对于信号的放大能力的强弱,专业术语称作放大倍数,符号为Au,放大倍数Au=Uo/Uin。常规的三极管其放大倍数通常能达到1000倍乃至更高。

    我们知道电子技术领域很多时候喜欢采用图表法来表示某一特性曲线。这就带来一个问题,图表法需要涉及到坐标点的标注(不管是横轴该是纵轴),如果数值范围较大,那么不同坐标点之间的间距相对就很大,不便于直观的观察某一曲线的走势,怎么办呢?很简单,引入对数的概念,将数值以对数形式表示,则坐标轴的范围缩小了很多,曲线走势也清晰明了了。

    电子行业中的老货们或者叫先驱们规定Av=20lg|Au|,这里的Au便是我们通俗的称呼即“放大倍数”,而Av便是前文提到的“增益”的概念。

    至于说Av的另一层含义,大家都懂的,就不解释了。

2017/05/27 13:32:12
33
cjhk[版主]
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LV9
军长

    理解了增益这一概念,下面开始正式讲讲运放涉及到的几个增益相关的概念。

    开环增益,顾名思义就是运放没有引入反馈机制时所表现的放大倍数的特性。Av=Vout/Vin,如下图所示,采用LTSPICE仿真实现:

仿真文件

开环增益.rar





2017/05/27 13:45:17
34
cjhk[版主]
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LV9
军长

    由波形图可知,输入为0.1V正弦波,输出却为方波,且其幅值只比正负电源低一点点。这就是运放的开环增益,很明显输出波形已经失真。

   接下来是闭环增益,很显然这就是引入负反馈之后的常规的运放使用方法。以反向放大器为例,如下图所示:

仿真文件如下

闭环增益.rar


2017/05/27 13:51:22
35
cjhk[版主]
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LV9
军长

    接着来点炫酷特效,将信号源输出的信号频率由1K过渡到10k,步长为1k,特效画面出来了,个人觉得超级美,也超有意思。

好玩吗,挺好玩的,不过这点乐趣也只有电子工程师之间可以分享分享。



2017/07/11 16:17:44
64
心如刀割[版主]
电源币:2249 | 积分:17 主题帖:52 | 回复帖:761
LV8
师长
环路控制是一个难点,版主能把基本原理以各种玄学道理解释出来理更是难能可贵。实例中各种参数的计算和验证让我豁然开朗,对运放的应用是受益匪浅啊
2017/07/12 08:49:43
65
cjhk[版主]
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LV9
军长

心版高看我了,谢谢。

互相学习,互相指导。

2017/06/01 20:27:29
42
正在输入中
电源币:1 | 积分:3 主题帖:2 | 回复帖:2
LV1
士兵
版主,您这边说“当系统的振荡状态逐渐趋于零,以至于振荡趋于停止,便是过阻尼。反之,当系统的振荡状态趋于无穷大,最终导致系统崩溃即是欠阻尼。”是否有些问题?欠阻尼状态下系统的振荡逐渐趋于零,并不会导致系统崩溃。而过阻尼也是趋于零,不过不是以振荡的状态趋于0。
2017/06/02 08:40:12
43
cjhk[版主]
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LV9
军长

    这样的表述,是有些不清晰。欠阻尼状态会导致系统最终趋于静止状态,但实际上静止状态对于负反馈来说由于没有电压波动,负反馈几乎不起作用,从而导致不稳定。

    而过阻尼状态由于其振荡过度加上负反馈的作用很容易就变成正反馈,也会导致系统不稳定。

    谢谢你的提醒,如果还有问题,欢迎继续讨论。如果还有疑问,欢迎你把你个人的理解表述出来,谢谢。

2017/07/19 10:03:30
66
Aigis
电源币:0 | 积分:1 主题帖:0 | 回复帖:2
LV1
士兵

個人認為應把系統振盪與阻尼運動兩者分開來,系統震盪的原因是根落在y軸上,阻尼運動則是落在左半平面,根落在左半平面系統就趨近穩定,所以我認為不管是臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼最終都是趨進穩定而非震盪或發散,除非你系統的根本身有落在右半平面那應是零阻尼的系統,系統最終會發散。

而您那邊說的欠阻尼因震盪過度造成正反饋可能性不大,除非系統本身就是一根作落在右半平面的零阻尼系統,那即有可能發生你所描述的狀況。

這是在下的愚見,有錯誤請多包涵。

2017/07/19 11:20:06
67
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

首先谢谢你的回复,谢谢。

如果通过根轨迹法来描述,确实很明了。根在左半平面内表示系统稳定,在右半平面表示系统振荡。

我通过阻尼来描述确实有些含糊不清,判断系统的稳定性,其实只需要看根落在左半平面还是右半平面即可。

根轨迹判断系统的稳定性很直观,我通过阻尼状态来描述主要是想让大家理解更形象。

我这里有一个疑问,系统初始为欠阻尼或者过阻尼,能不能断定系统的根一定落在左半平面?

2017/07/19 11:21:24
68
cjhk[版主]
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LV9
军长
你的回答有深度,欢迎继续探讨。
2017/07/19 14:00:51
69
Aigis
电源币:0 | 积分:1 主题帖:0 | 回复帖:2
LV1
士兵

欠阻尼、過阻尼、臨界阻尼都是落在左半平面才會出現的狀況,也稱作正阻尼,落在y軸上叫無阻尼,右半平面叫負阻尼。

至於您說的初始狀態可能為欠阻尼系統,那可以判斷"當下"的系統的根是落在左半平面,這是沒什麼問題的,但是系統參數隨時間改變,那就不能保證其穩定性,根可能會隨參數變化往右邊跑。

這都是在下的愚見,不一定正確,有錯誤請指正。

2017/07/19 14:41:43
70
cjhk[版主]
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LV9
军长

你对根轨迹的理解比我透彻,佩服。

如若根落在左半平面,不管系统初始处于何种状态,只要一直在左半平面均可认为系统是稳定的。

后续准备开一帖讲讲闭环系统的仿真,希望你能移步共同探讨这一话题。

另,请问你为何使用繁体字(正体字),非大陆人士,还是对正体字独有情钟?

2017/07/21 09:04:53
72
zhaomingming
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LV3
排长
穿越频率就是“增益带宽积”吧
2017/05/27 14:00:39
36
cjhk[版主]
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LV9
军长

    接下来是环路增益,什么是环路增益呢,如下图所示:

仿真文件:

环路增益.rar



2017/05/27 14:07:36
37
cjhk[版主]
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LV9
军长

    什么是环路增益,由仿真图形可知所谓环路增益就是输入信号经过反馈网络和运放之后的增益。环路增益区别于闭环增益,这一点大家一定要注意了。

    接下来是反馈网络的增益,在该例中由于仅仅涉及到两电阻,所以其实就电阻分压网络的增益,如下图所示:

仿真文件如下:

反馈网络增益.rar



2017/05/31 11:41:13
38
cjhk[版主]
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LV9
军长

    继续更新。

    实测运放的幅频特性,这有什么作用呢。作用非常大,通过运放的幅频特性曲线可以帮助我们判断该运放的性能参数指标,为设计出稳定可靠的电路打下良好的基础

    下图所示,采用LTSPICE仿真测试某一运放的幅频特性:

仿真文件

运放幅频特性.rar



2017/05/31 11:47:02
39
cjhk[版主]
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LV9
军长

    接着用multisim仿真同样的电路,感觉multisim的实验操作更接近与实际的操作连接,不过数据的分析功能感觉很不直观。


2017/05/31 12:45:59
40
cjhk[版主]
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LV9
军长

    接下来讲讲增益余量和相位余量的概念。前文讲了正负反馈之间的关系,二者之间通过180度的相位差可以实现相互转化。

    那到底什么是增益余量,什么是相位余量呢?一句话就是确保负反馈不至于转化为正反馈所需要保留的增益和相位。很多书籍中将余量写为裕量,我个人觉得还是前者“余量”更容易理解,在七八十年代的书籍中均采用余量来表示,不知道为什么后来又变成“裕量”了,难道是七八十年代后期的老货们脑袋短路了?

2017/05/31 13:17:25
41
cjhk[版主]
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LV9
军长
    理想的运放系统的增益余量和相位余量是多少呢?当然是越大越好了,通常理想运放的增益余量为40dB(放大倍数Au=10^20),而相位余量为180度。
    很多时候理想与现实差距甚大,实际的运放系统,其相位余量为60度,而增益余量为10dB。而作为开关电源的反馈控制系统一般需要保证闭环瞬态响应速度(主要考虑电源系统需要有适当的过冲,动态响应速度及较短的调节时间),通常相位余量控制在大于等于45度即可。这里为什么没有讲到增益余量呢?
    根据我个人的实践经验,一般系统其增益余量较难测试,工程师通常采用的方法是先确保系统具有合适的相位余量即可。其实如果相位余量确保没有问题,基本上该系统问题不会很大,当然这也仅仅是我的一家之言,还望诸位看官斧正。
2017/06/02 13:06:40
44
cjhk[版主]
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LV9
军长

    继续更新。今天讲讲补偿的故事

    前文讲解了相位余量和增益余量的概念,我们知道一个系统相位余量设置的不合理极有可能导致系统崩溃。那如果经过计算及实践发现系统确实不稳定,那该怎么办呢?

    导致系统不稳定的直接因素通常是零极点出现在了不应该出现的区域。仔细阅读过前文的朋友应该知道零极点二者的关系就像正负号的关系一样,是可以相互对消的。如果系统是因为零点导致不稳定,那就人为制造一个极点与之对消,从而保证系统的稳定,反之亦然。

2017/06/02 13:31:58
45
cjhk[版主]
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LV9
军长

    有了上文的铺垫,接下来我们讲讲滞后补偿,超前补偿,超前-滞后补偿的概念。

    如果系统存在多个极点(单个极点会随着频率增加导致系统相位余量滞后),系统相位余量必然不足,从而导致系统振荡。

    怎么办呢,引入滞后补偿,也即是人为制造一个极点,该极点相较于系统初始的单个极点的频率低很多,采用此方法可以将其余的极点均规避掉,确保系统有足够的相位余量。

下图采用LTspice仿真实测滞后补偿特性:

仿真文件:

运放滞后补偿.rar


2017/06/02 14:09:55
46
cjhk[版主]
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LV9
军长

    从上文的仿真文件的伯特图可以看出引入滞后补偿后,系统的频带变窄了,有没有改进措施呢,当然有,答案很简单,在滞后补偿电容上串接一小阻值电阻即可,可以改善运放的高频特性。

    下图为串接电阻后的仿真效果图,可以看出已经接近与无电容补偿的特性了,好玩吧。


2017/06/04 08:41:53
53
wsyy1998
电源币:9 | 积分:3 主题帖:8 | 回复帖:20
LV3
排长

增益余量为40dB(放大倍数Au=10^20)

是不是应该是

Av=20lg(Au)

40=20lg(Au)

Au=10^2

2017/06/04 11:03:08
54
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长
    是的,这是我的笔误,谢谢你及时纠正  谢谢
2017/06/02 14:15:18
47
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

    接下来讲讲超前补偿的概念。系统不稳定通常是因为极点过多导致的,滞后补偿的方法是人为制造一个主极点屏蔽其余极点,达到系统稳定的目的。

    前文讲到零极点是可以相互抵消的,那我们通过人为制造零点来与极点对销,同样可以达到系统稳定的目的,这就是超前补偿的概念。

    下图为运放超前补偿的仿真伯特图:

仿真文件:

运放超前补偿.rar


2017/06/02 15:03:24
48
cjhk[版主]
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LV9
军长

    由仿真文件中超前补偿的计算公式,我们知道引入超前补偿后,不仅仅人为的制造了一个零点,同时也制造了一个极点,当然重点还是在零点上。而滞后补偿仅仅人为制造了一个极点而已,这就是超前补偿和滞后补偿最大的区别之处。

    电子技术的实质就是排列组合,虽然排列组合的方式有很多种,但怎样挑选出最合适的组合就看个人的手艺了。前文讲了滞后补偿及超前补偿,我们可以将二者组合起来以便于更好的控制运放的相频特性,这就是超前滞后补偿。

    超前滞后补偿通常也是人为的制造一个极点和一个零点,这里需要区别与超前补偿所制造的单极点,单零点。因为超前补偿的目的其实是通过人为制造的零点与系统自身的极点对销,而超前滞后补偿所产生的单极点单零点均有用处,可以极大的提高系统闭环设计的自由度。

2017/06/02 16:57:26
49
cjhk[版主]
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LV9
军长

    下图为超前滞后补偿仿真分析:


2017/06/03 17:15:35
50
海山
电源币:32 | 积分:0 主题帖:23 | 回复帖:164
LV5
营长

大神,历害!

这么好的帖子怎么没人互动呢。

2017/06/03 20:59:55
51
wsyy1998
电源币:9 | 积分:3 主题帖:8 | 回复帖:20
LV3
排长
好贴,最近正好学习这个
2017/06/04 15:30:46
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fengmengqi
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LV2
班长
讲的好,等待更新
2017/06/04 15:33:30
56
fengmengqi
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:9
LV2
班长

请问超前滞后等补偿与pid的控制有什么对应关系吗,pid控制算是那种补偿方式

2017/06/04 18:54:42
57
cjhk[版主]
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LV9
军长

    好问题,运放的PID控制其实就是综合版的超前滞后补偿,名称不同只是因为从不同的角度来阐述的。超前,滞后是用补偿后的系统相频特性与未补偿的系统相频特性进行比较后得出的所谓超前滞后的概念,而PID的命名是基于线性补偿,积分补偿和微分补偿的角度来命名的。

    这个话题是一个很好的讨论点,后面我会讲讲超前,滞后以及PID之间的关联。工程实际应用中,大家更加习惯于将运放的补偿网络命名为PI,PD,PID补偿,很少有人说超前,滞后补偿,这应该是一个工程惯例吧。

    你看我的帖子动脑筋了,很好,欢迎继续提一些质量高的问题,谢谢。

2017/06/06 21:59:38
58
fengmengqi
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:9
LV2
班长

环路补偿的测量都是基于小信号测量出来的,而pid的动态控制参数可以在大功率上调试。在实际的电源控制中楼主是如何使用这两个方法的?还是说这两个方法是相通的。只用环路补偿就能确定出pid的动态控制特性,或者只用pid的控制特性就知道环路的补偿的结果,又或者是必须两者结合起来看。

2017/06/07 10:36:38
59
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

    环路补偿的测量是可以实际测试出来的,通过在反馈端注入正弦波的方式实现。理论分析中,环路补偿采用的方法是小信号分析法。

    在没有仿真软件和网络分析仪的情况下,实际的工程应用中超前补偿,滞后补偿都是先设计后调整,以得到稳定的系统特性。

    而PID的控制参数常规的工程方法也是先设计后调试,而所谓的调试基本上都是试凑法。

    在手头上没有网络分析仪等实测工具的前提下,调试电源的稳定性,通常是预估电源系统的相位余量,根据电源拓扑结构选择补偿网络,用的较多的补偿网络通常是二型补偿网络(超前补偿+PI补偿)或者是三型补偿网络(无源滞后校正+超前补偿+PI补偿,俗称PID补偿+超前补偿),通过仿真软件计算出补偿网络电阻电容的大至调节范围,最后根据实物实测调整。这是我采用的方法。

    欢迎你继续提问,环路补偿的概念作为初学者不要太纠结,实际应用中你会发现很多工程师不懂环路补偿理论,依旧能设计出电源。导致电源不可靠的原因很多时候并不是环路不稳定,而是其它各种各样的粗心大意导致的。

2017/06/07 13:06:32
60
cjhk[版主]
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LV9
军长

    关于运放的各类补偿计算方法,我整理好了,并贴出来,希望对诸位有帮助。包括有源校正,无源校正以及常规开关电源采用的三种补偿方式。


2017/06/07 13:08:43
61
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长

    这些补偿方法基本上将市面上常见的补偿方法均包括了,对于反馈环路的补偿基本上也是围绕他们开展的。

    这一帖到这里基本上也就结束了,如果大家有问题可以继续提问,欢迎大家提一些质量高的问题,这样可以促进大家共同进步。

2017/06/09 11:05:55
62
fengmengqi
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:9
LV2
班长
讲的好!学习了。模拟电源的控制都可以实测波特图,很好的看出系统的频率响应。那数字电源如何能测量出频率响应,数字电源的补偿和控制全由程序完成,数字电源的性能如何全面的测试,目前我也就只会看下动态的阶跃响应。数字电源的可靠性是否应该也要看一下类似模拟电源的相位余量。总之一个问题,模拟和数字电源的可靠性,稳定性在完成设计后如何测试。
2017/06/09 13:07:45
63
cjhk[版主]
电源币:623 | 积分:63 主题帖:29 | 回复帖:130
LV9
军长
    数字电源,目前就用dsPIC实现了正反激电源,至于如何看他的稳定性,实话实说,我也就仅仅通过假负载来测试一下其动态稳定性,其它没有更好的方法,欢迎你分享你的的测试方法及心得
2017/09/19 20:08:48
73
dabaosod2009
电源币:0 | 积分:0 主题帖:0 | 回复帖:2
LV1
士兵
mark,记下来,好好学习下。
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