帶你了解反饋電路中的相位補(bǔ)償

2004年，幫朋友做鎳氫充電器，利用鎳氫電池充滿電時(shí)電壓有一個(gè)微小的下降這個(gè)特點(diǎn)來(lái)識(shí)別是否已經(jīng)充滿，比如1.2V的鎳氫電池，快充滿的時(shí)候，電壓在1.35V，之后逐步下降，電壓可以低于1.30V。所以需要單片機(jī)間歇檢測(cè)電池兩端電壓，大概充3秒鐘電再停止，之后檢測(cè)電池兩端電壓。因?yàn)樾枰R(shí)別下降的微小電壓，所以需要加一級(jí)運(yùn)放，放大這個(gè)下降的幅度，如下圖：

那個(gè)時(shí)候剛進(jìn)入社會(huì)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，為了更好的提升放大性能提高穩(wěn)定性，想當(dāng)然的在運(yùn)放的反相輸入端并了一顆小電容，我記得大概是10nF，如下圖：

調(diào)試程序的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，電池降壓的信號(hào)很難檢測(cè)到，往往電池充滿發(fā)熱很久才能檢測(cè)到，這個(gè)問(wèn)題困擾了一段時(shí)間沒(méi)有解決，朋友帶回香港，跟一個(gè)硬件人員一起調(diào)試，用示波器一個(gè)個(gè)腳的看信號(hào)，最終發(fā)現(xiàn)運(yùn)放輸出存在短時(shí)間的振蕩，而這個(gè)振蕩導(dǎo)致了信號(hào)采樣問(wèn)題，于是我很快想到是自己加了這顆電容的問(wèn)題，并且在腦子中想象了整個(gè)振蕩過(guò)程，給朋友做了分析。這個(gè)畫(huà)蛇添足行為，最終導(dǎo)致了這個(gè)項(xiàng)目失敗。上幾年做紅外溫度測(cè)試儀，溫度范圍是400~1200度，采用PID紅外傳感器，電流轉(zhuǎn)電壓放大部分電路如下圖：

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在700度附近溫度測(cè)量不準(zhǔn)，最后用示波器看輸出，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)溫度點(diǎn)上，輸出出現(xiàn)了振蕩，這個(gè)時(shí)候馬上想到，因?yàn)镻ID傳感器，內(nèi)阻高，寄生電容大，等價(jià)于在反相輸入上并聯(lián)了一顆電容，類似鎳氫電池的放大了，所以馬上按如下電路改進(jìn)：

在做手機(jī)期間，測(cè)試發(fā)現(xiàn)一些劣質(zhì)手機(jī)充電器，用示波器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其輸出電壓的紋波，除了100KHz附近的開(kāi)關(guān)紋波外，還有一個(gè)5K附近的正弦波基于5V附近波動(dòng)，比如輸出電壓5V，實(shí)際則是在4.8~5.2V之間按5KHz的頻率波動(dòng)，當(dāng)時(shí)很奇怪怎么產(chǎn)生這個(gè)波動(dòng)的？以上三個(gè)案例是我碰到的，雖然前兩個(gè)問(wèn)題解決了，但是還留有困惑，隨著自己對(duì)運(yùn)放理解的深入，認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題的出現(xiàn)，都是跟相位有關(guān)，但是看很多運(yùn)放方面的書(shū)，雖然告訴我們穩(wěn)定的放大需要一個(gè)180度的負(fù)反饋，若相位在360度上，可能會(huì)引起振蕩，這個(gè)還要取決于放大倍數(shù)，那么若反饋信號(hào)在270度呢？實(shí)際上，相位引起的問(wèn)題并不是太多，我做技術(shù)這么多年，也就是碰到這么幾個(gè)案例，但是看很多資料，比如PLL鎖相環(huán)的濾波，開(kāi)關(guān)電源的反饋，運(yùn)放的一些參考電路，都寫(xiě)著需要相位補(bǔ)償，實(shí)際中把這些補(bǔ)償去掉，似乎也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，所以這個(gè)讓我一直疑惑到底怎么回事？這也讓大家對(duì)于相位問(wèn)題，并不是很關(guān)心。去年應(yīng)朋友邀請(qǐng)錄制了運(yùn)放方面的視頻，為了要錄制視頻，專門深入的分析了一下相位，終于明白了相位到底怎么回事。

我們大部分電路的應(yīng)用，都是工作在穩(wěn)態(tài)下的，比如放大一個(gè)信號(hào)，開(kāi)關(guān)電源輸入輸出比較穩(wěn)定等等，對(duì)于穩(wěn)態(tài)信號(hào)，相位問(wèn)題確實(shí)不突出，哪怕相位是360度，但只要系統(tǒng)回路放大倍數(shù)小于1，也不會(huì)引起振蕩，以前三極管剛興起時(shí)代，一些放大電路還工作在自舉狀態(tài)下，典型的就是AM收音機(jī)。但是對(duì)于輸入輸出信號(hào)存在階躍突變的場(chǎng)合，因?yàn)槊恳粋€(gè)突變，導(dǎo)致系統(tǒng)回路失衡，系統(tǒng)需要再一次平衡，那么這個(gè)相位(這兒不討論放大增益)就決定了進(jìn)入平衡的時(shí)間周期，也就是說(shuō)，相位在180度下，可以最快的進(jìn)入新的平衡，而相位在360度下，則需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)入再一次平衡。大家可以把180度理解為恰阻尼，越偏離180度，阻尼振蕩的時(shí)間就越長(zhǎng)。

下面給大家提供multisim的仿真結(jié)果：

C1為1uF的效果：進(jìn)入穩(wěn)態(tài)相對(duì)快一些：

C1為10uF的效果，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)：

所以對(duì)于存在階躍突變的反饋系統(tǒng)中，我們要盡可能的讓電路工作在180度上，提高系統(tǒng)再一次平衡的速度。