閥電流放大系數(shù)測量超差問題機理分析與改善方法

郭燕紅++陳慶浩++李光學++王懷俠++包睿

摘 要高速運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，在深度負反饋條件下，很容易產(chǎn)生自激振蕩。為了使放大器能穩(wěn)定工作，需要外加一定的相位補償網(wǎng)絡(luò)，以消除自激振蕩。文中針對一種高速運算放大器7F124的自激振動進行了試驗驗證和仿真測試，并且通過相位滯后補償網(wǎng)絡(luò)消除自激振蕩，產(chǎn)品工作穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】高速運算放大器 自激 相位補償

目前廣泛應(yīng)用的高速電壓型集成運算放大器是一種開環(huán)高放大倍數(shù)的直接耦合放大器。在該集成電路的輸入與輸出之間接入不同的反饋網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)不同用途的電路。例如利用集成運算放大器可完成信號放大、信號運算、信號處理以及波形的產(chǎn)生和變換。集成運放的工作區(qū)域可以分為線性放大區(qū)和飽和非線性區(qū)兩種。如果引入負反饋電路，則工作于線性區(qū)域，用于構(gòu)成各種運算放大器電路。對于負反饋放大電路，反饋深度愈大，對放大電路性能改善就愈明顯。但是，反饋深度過大將引起放大電路產(chǎn)生自激振蕩。本文在深入分析運算放大器電路深度負反饋機理的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)字控制器在生產(chǎn)過程中，閥電流放大系數(shù)為-9.647mA/V，指標要求為-（10±0.2）mA/V，閥電流放大系數(shù)超差問題提出了一種在放大器后一級加（滯后網(wǎng)絡(luò)）補償電容的方式，消除自激振蕩，增大了放大器帶寬。并通過仿真和試驗驗證了該電路的正確性。

1 閥電流采集電路原理

數(shù)字控制器輸出的閥電流信號，即通過控制器的A/D采集通道進行測試；用于指令模擬量輸出的D/A通道，在整機測試時在工裝堵頭內(nèi)將該D/A輸出與其他A/D采集通道短接，對A/D和D/A通道實現(xiàn)自測試，控制器自測試原理見圖1所示。

在數(shù)字控制器整機測試時，使用工裝堵頭實現(xiàn)控制器的自測試，在工裝堵頭內(nèi)接有閥線圈等效電阻，且將指令D/A輸出與位移、油面等AD采集的短接；閥電流采集電路和位移等信號采集電路的不同之處，是位移等通道在A/D采集跟隨器前端使用了RC濾波，而電流通道未使用RC濾波。由圖2可知，影響控制器電流通道測試性能的可能因素為工裝堵頭或控制器自身。更換堵頭電阻超差現(xiàn)象仍存在，因此排除工裝堵頭中的閥線圈等效電阻對電流通道性能超差的影響。

2 超差問題排查分析

2.1 供電電源排查

控制器的±15V電源同時給功率放大器、閥電流采集電路和位移等采集電路供電，如±15V電源異常，則也將影響位移等采集通道的性能，而測試數(shù)據(jù)表明位移等信號測試正常，且一致性好，只有電流通道性能超差。因此排除±15V電源異常對閥電流超差的影響，數(shù)字控制器供電原理圖如圖2所示。

2.2 電磁兼容性設(shè)計

數(shù)字控制器其內(nèi)部測試信號較多，約為100多路采集信號，數(shù)字信號和模擬信號混合，母板至殼體連接器的走線較多，控制器內(nèi)部的電磁兼容非常復雜。在控制器使用過程中，曾出現(xiàn)電流通道測試參數(shù)偏差較大問題，后通過多次改進，取得了較好的效果，但相對與位移等其他采集通道還有一定差距。電磁兼容的影響不能完全排除。

2.3 電路參數(shù)匹配性設(shè)計

由圖1數(shù)字控制器內(nèi)部電路可知，位移、油面等模擬信號采集通道有RC濾波，測試數(shù)據(jù)正常，一致性好；電流采集通道由于加RC濾波將可能對系統(tǒng)性能造成影響，因此未使用RC濾波電路。為檢查此處RC電路對閥電流超差的影響，做以下幾項試驗：

（1）外接電阻低端并聯(lián)電容

在圖1所示的工裝堵頭上閥線圈等效電阻低端（A處）對地增加33nF小電容，閥電流放大系數(shù)為-9.95～-10.05mA/V，滿足指標-（10±0.2）mA/V要求。

（2）印制板上1M電阻改為電容

在圖1所示的控制器內(nèi)部，采集電流通道的跟隨運算放大電路前端對地的1MΩ（B處、0805封裝）電阻改為33nF的電容，閥電流放大系數(shù)為-9.95～-10.05mA/V，滿足指標-（10±0.2）mA/V要求。

2.4 小結(jié)

經(jīng)以上排查，電磁兼容性設(shè)計和電路參數(shù)匹配性設(shè)計對閥電流放大系數(shù)超差均有不同程度的影響。在多次對印制板設(shè)計采取了電磁兼容性設(shè)計措施后，取得了較好的效果，但未從根本上解決閥電流超差的問題，在電流A/D采集通道跟隨器前端增加對地電容，改變電路匹配參數(shù)，電流通道性能滿足要求。

3 機理分析

負反饋放大電路閉環(huán)放大倍數(shù)（增益）的一般表達式為：

式中，為開環(huán)放大倍數(shù)；為反饋系數(shù)。從式（1）可知，當接近0時，，說明即使無信號輸入，也有輸出波形，即產(chǎn)生了自激振蕩。

放大電路的放大倍數(shù)和相位偏移隨頻率而變化：當頻率變高或變低時，輸出信號和反饋信號將產(chǎn)生附加相移。若附加相移達到±180°，則反饋信號與輸入信號同相，負反饋電路變成正反饋。反饋信號加強，當反饋信號大于凈輸入信號時，即使去掉輸入信號也有信號輸出，產(chǎn)生了自激振蕩。即：

自激振蕩的判斷方法為：首先是看相位條件，只有相位條件滿足，才有可能自激。圖3所示為負反饋放大器幅頻特性和相頻特性曲線，fc為附加相移φ=-180°時的頻率，稱為“臨界頻率”；f0為時的頻率，稱為“剪切頻率”。fc≤f0時，負反饋放大電路不穩(wěn)定，會產(chǎn)生自激；fc>f0時，負反饋放大電路穩(wěn)定，不會自激。

（1）如圖3（a），當相位條件滿足附加相移φ=±180°時（即f=fc時），若≥1（即），則電路不穩(wěn)定，會產(chǎn)生自激。時起振，振蕩穩(wěn)幅后。

數(shù)字控制器電流采集電路等效電路如圖4所示。

從數(shù)字控制器電流采集通道信號波形可見，在電流信號正半波出現(xiàn)自激的情況，導致電流放大系數(shù)超差，如圖5所示。對應(yīng)的波特圖如圖3（a）所示，fc≤f0，放大電路不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激。

（2）如圖3（b），當相位條件滿足附加相移φ=±180°時（即f=fc時），若（即），則電路穩(wěn)定，不會產(chǎn)生自激。

要使圖4電路穩(wěn)定，可以在電路中增加補償電容Cb，降低幅值且改變轉(zhuǎn)折頻率實現(xiàn)，如圖6所示。此時在這一最低頻率級中并聯(lián)一電容Cb，使放大電路中的轉(zhuǎn)折頻率f2降低為

為了正確選擇補償電容的接入點和容值大小，必須通過測試了解運放電路的開環(huán)頻率特性和對應(yīng)于每個極點的阻容參數(shù)，數(shù)字控制器電容選擇時，通過試驗確定其容值。

數(shù)字控制器試驗中，將補償電容Cb（33nF）接在閥電流A/D采集通道跟隨器前端對地（如圖7），即降低了三級放大電路的增益和帶寬，運放組成的開環(huán)頻率特性波特圖如圖4（b），fc>f0時，放大電路穩(wěn)定，不會自激。且通過試驗表明，閥電流放大系數(shù)參數(shù)正常，測試曲線無自激現(xiàn)象，如圖7所示。

4 結(jié)論

常用的集成運算放大器大多數(shù)內(nèi)部已設(shè)置消除自激振蕩的補償網(wǎng)絡(luò)，但是有時還需采用外部相伴補償電路消除自激。外部相伴補償電路有兩種方式：一種是采用頻率補償?shù)姆绞?，主要是在基本電路或反饋網(wǎng)絡(luò)中加入補償元件來改變反饋放大電路的開環(huán)頻率特性，從而破壞自激振蕩的條件，滿足穩(wěn)定裕度；另一種方式是采用滯后補償?shù)姆绞?，本文采用第二種方法，有效地改善了7F124放大器組成跟隨器的自激特性。

參考文獻

[1]童詩白，華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]放大器的自激振蕩和反饋深度的討論[J].第十六屆電工理論學術(shù)研討會論文集.

[3]運算放大器7F124手冊.

作者簡介

郭燕紅（1982-），現(xiàn)為北京精密機電控制設(shè)備研究所燃氣液壓事業(yè)部工程師。

作者單位

北京精密機電控制設(shè)備研究所燃氣液壓事業(yè)部 北京市 100076