帶你了解反饋電路中的相位補償

2004年，幫朋友做鎳氫充電器，利用鎳氫電池充滿電時電壓有一個微小的下降這個特點來識別是否已經(jīng)充滿，比如1.2V的鎳氫電池，快充滿的時候，電壓在1.35V，之后逐步下降，電壓可以低于1.30V。所以需要單片機間歇檢測電池兩端電壓，大概充3秒鐘電再停止，之后檢測電池兩端電壓。因為需要識別下降的微小電壓，所以需要加一級運放，放大這個下降的幅度，如下圖：

那個時候剛進入社會，實踐經(jīng)驗不足，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)試程序的時候發(fā)現(xiàn)，電池降壓的信號很難檢測到，往往電池充滿發(fā)熱很久才能檢測到，這個問題困擾了一段時間沒有解決，朋友帶回香港，跟一個硬件人員一起調(diào)試，用示波器一個個腳的看信號，最終發(fā)現(xiàn)運放輸出存在短時間的振蕩，而這個振蕩導(dǎo)致了信號采樣問題，于是我很快想到是自己加了這顆電容的問題，并且在腦子中想象了整個振蕩過程，給朋友做了分析。這個畫蛇添足行為，最終導(dǎo)致了這個項目失敗。上幾年做紅外溫度測試儀，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：

測試中發(fā)現(xiàn)，在700度附近溫度測量不準(zhǔn)，最后用示波器看輸出，發(fā)現(xiàn)在這個溫度點上，輸出出現(xiàn)了振蕩，這個時候馬上想到，因為PID傳感器，內(nèi)阻高，寄生電容大，等價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：

在做手機期間，測試發(fā)現(xiàn)一些劣質(zhì)手機充電器，用示波器測量發(fā)現(xiàn)，其輸出電壓的紋波，除了100KHz附近的開關(guān)紋波外，還有一個5K附近的正弦波基于5V附近波動，比如輸出電壓5V，實際則是在4.8~5.2V之間按5KHz的頻率波動，當(dāng)時很奇怪怎么產(chǎn)生這個波動的？以上三個案例是我碰到的，雖然前兩個問題解決了，但是還留有困惑，隨著自己對運放理解的深入，認(rèn)識到這些問題的出現(xiàn)，都是跟相位有關(guān)，但是看很多運放方面的書，雖然告訴我們穩(wěn)定的放大需要一個180度的負反饋，若相位在360度上，可能會引起振蕩，這個還要取決于放大倍數(shù)，那么若反饋信號在270度呢？實際上，相位引起的問題并不是太多，我做技術(shù)這么多年，也就是碰到這么幾個案例，但是看很多資料，比如PLL鎖相環(huán)的濾波，開關(guān)電源的反饋，運放的一些參考電路，都寫著需要相位補償，實際中把這些補償去掉，似乎也沒有發(fā)現(xiàn)問題，所以這個讓我一直疑惑到底怎么回事？這也讓大家對于相位問題，并不是很關(guān)心。去年應(yīng)朋友邀請錄制了運放方面的視頻，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，比如放大一個信號，開關(guān)電源輸入輸出比較穩(wěn)定等等，對于穩(wěn)態(tài)信號，相位問題確實不突出，哪怕相位是360度，但只要系統(tǒng)回路放大倍數(shù)小于1，也不會引起振蕩，以前三極管剛興起時代，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。但是對于輸入輸出信號存在階躍突變的場合，因為每一個突變，導(dǎo)致系統(tǒng)回路失衡，系統(tǒng)需要再一次平衡，那么這個相位(這兒不討論放大增益)就決定了進入平衡的時間周期，也就是說，相位在180度下，可以最快的進入新的平衡，而相位在360度下，則需要較長的時間進入再一次平衡。大家可以把180度理解為恰阻尼，越偏離180度，阻尼振蕩的時間就越長。

下面給大家提供multisim的仿真結(jié)果：

C1為1uF的效果：進入穩(wěn)態(tài)相對快一些：

C1為10uF的效果，進入穩(wěn)態(tài)時間較長：

所以對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。