淺談音叉液位開關模擬采樣電路容補性分析

    引言：在設計音叉液位開關的模擬采樣回路中，我們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象在音叉液位開關對高粘度介質(zhì)(如蜂蜜、蓖麻油、洗潔精等）檢測時極其容易復現(xiàn)。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(wěn)定工作狀態(tài)。

    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(huán)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°相位延遲從大約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延遲外，都還有高頻相位延遲。典型的額外相位延遲從大約GBF/10開始。

    AD8544的內(nèi)部是一個多級放大器，其對數(shù)幅頻特性如圖1所示中的曲線①(實線)。對數(shù)幅頻特性曲線在零分貝以上的轉(zhuǎn)折點稱為極點，圖中，稱P1P2點為極點。極點對應的頻率稱為轉(zhuǎn)折頻率，如fp1,fp2,第一個極點，即頻率最低的極點稱為主極點。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(wěn)定。為使集成運放工作穩(wěn)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。）引入零點的最佳位置為Ro，Ro上并聯(lián)電容Cs可為MOS輸入端引入一個零點zo。

    但Ro是運放內(nèi)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(huán)路。滯后補償使主極點頻率降低，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(xiàn)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(huán)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(wǎng)絡。該滯后網(wǎng)絡與反饋網(wǎng)絡串聯(lián)產(chǎn)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(wǎng)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，從而消除過激勵，計算公式：CB=CL(RD+RL)/RF

    反饋網(wǎng)絡本身也可能引起振蕩。利用反饋網(wǎng)絡相位延遲為–atan(f/1MHz)這個事實，我們可以估計環(huán)路360°延遲將發(fā)生在約1MHz時，此時放大器的延遲為-235°，反饋網(wǎng)絡延遲為-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(wǎng)絡-17dB增益可以得出在0°相位處的環(huán)路增益為+3dB，電路會發(fā)生振蕩。因此必須減小與寄生電容一起發(fā)生作用的反饋電阻值（增加電位器阻值就是減小反饋網(wǎng)絡電阻值），使反饋極點遠離環(huán)路的單位增益頻率。極點與GBF比值最好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(wǎng)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(huán)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(jié)果10倍。反饋衰減器會降低環(huán)路增益使之到1/10值，否則會減小閉環(huán)輸出阻抗。開環(huán)輸出阻抗約750，從增益100曲線高頻區(qū)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(qū)域中，基本上沒有足夠的環(huán)路增益可減小開環(huán)輸出阻抗。如下圖：

    電容負載將和開環(huán)輸出阻抗一起導致相位和幅度延遲。電容負載上受限的頻率響應，以及如果負載電容隨電壓變化而變化時引起的信號失真。由負載電容造成的振蕩一般可以通過提高放大器閉環(huán)增益進行阻止。以更高的閉環(huán)增益運行放大器意味著反饋衰減器也會衰減環(huán)路相位為±360°的頻率點的環(huán)路增益。帶反饋的穩(wěn)定性關鍵在于環(huán)路增益和相位；或Avol乘以反饋因子，或環(huán)路增益。如果我們在單位增益配置中連接AD8544，那么100%的輸出電壓將被反饋。在非常低頻率時，輸出是負輸入的反相，或-180°相位延遲。補償電路通過放大器再增加-90°延遲，使得負輸入到輸出具有-270°的延遲。當環(huán)路相位延遲增加到±360°或它的倍數(shù)并且環(huán)路增益至少是1V/V或0dB時將產(chǎn)生振蕩。相位余量衡量的是當增益為1V/V或0dB時相位延遲離360°有多遠。通過計算，CB=3.3UF=135°，離180°還有55°余量，這個數(shù)字是非常健康的。相位余量低至35°可能都是可用的。

    結(jié)論：經(jīng)過以上電路的容性補償設計，音叉液位開關在檢測高粘度介質(zhì)時，觸發(fā)音叉高階頻率的現(xiàn)象不再復現(xiàn)。目前，經(jīng)過現(xiàn)場批量音叉液位開關反饋回來的信息進一步驗證，此問題已經(jīng)被徹底解決。

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