频率补偿电路的设计

频率补偿电路的设计

摘要:

本设计是基于TI提供的芯片的模拟传感器频率补偿的模拟系统；该系统主要由模拟某传感器特性的电路模块模块、衰减网络模块、一阶有源RC低通滤波模块和加法器模块构成；电路频率补偿运用了自动控制、模拟电路、信号与系统知识分析通过改变原模拟某传感器特性的电路模块的零极点分布实现提高-3dB高频截止频率的功能，并通过matlab仿真计算出正确的系数保证输入基准信号在通频带范围内无失真输出、该作品具有的低功耗、低噪声等特色；最终本系统实现了50kHz 与100kHz频率段的补偿，且各项指标基本达标。

方案使用的TI芯片：OPA2227 TL082 NE5532

1.方案比较与论证 1.1系统总体方案

模拟某传感器特性

的电路模块

+

−

R f 1 5.1M Ω C f 1 4.7pF V b A

5.1M Ω R f 2 C f 2 4.7pF

10M Ω

R s

V s 正弦波电压信号发生器

T

K 频率补偿电路

V o TP1

TP2

图1 系统结构框图

1.2频率补偿电路

方案一：自动增益控制（AGC ）

自动增益电路具有使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制稳定输出的能力，可以把模拟传感器特性的电路模块衰减的幅度以稳定电压输出，通过放大电路来提升衰减的电压并通过低通滤波器滤除所需截止频率以下的频率，从而实现频率补偿功能。

方案二：系统传递函数及零极点并联补偿法

计算出模拟模块的传输函数H 1（s ），推算出系统增益为常量时的频率补偿网络的传输函数H 2（s ），根据H 2（s ）的特性求算出频率补偿网络的电路结构。由于模拟模块部分等效于一个低通滤波器，初步推测出频率补偿网络部分主要是低通滤波器，信号经模拟模块部分可变为幅度变化较小的信号，再通过截止频率50KHz 以上的低通滤波器，以及截止频率为13.27的的通滤波器和一个全通系统并联输入加法器叠加并放大便可以输出符合题干要求的信号，实现频率补偿。方案的系统框图如图2所示。

方案三：零极点串联补偿法

计算出模拟模块的传输函数H 1（s ），推算出系统增益为常量时的频率补偿网络的传输函数H 2（s ），根据H 2（s ）的特性求算出频率补偿网络的电路结构。对各个通过串联模式连接并放大同样可以输出符合要求的信号，从而实现频率补偿

方案四：发射极电容补偿方法

发射极电容补偿方法是给发射极电阻并联一个小电容，电容的阻抗随频率的

升高而下降，则电阻对高分量的负反馈作用减弱，正好提高了高频信号的增益，从而实现了对前级信号的衰减进行补偿，同时提高了截

图2 方案二框图

方案论证：

从理论上说，方案一数输出幅度的文波系数较小，信号稳定，可以更好的实现频率补偿，但容易产生自激振荡，且要求输入的控制信号十分稳定；方案三无论从理论上还是实际电路上都比较难以实现；方案四是由孤立原件做成，各方面性能都比运放的电路稍差，且噪声干扰较大。

综合考虑以上几种方案，选择方案二，即零极点并联频率补偿法。

1.3运放型号选择

方案一：

OPA2227高精度、低噪声的运算放大器，最低噪声8nV/√Hz，通频带宽8MHz，输入电源范围±2.5V-±18V，输入偏置电流最大值100pA，输入失调电压最大值2mV；

方案二：

OPA2340单电源、轨到轨的运算放大器，通频带5.5MHz,高转换速率6V/us，低噪声，低静态电流750uA/channel;

方案三：

TLV2460带掉电模式的低功耗，轨到轨输入/出的运算放大器，的输

出驱动能力，增益带宽积6.4MHz，输入噪声电压11nV/√Hz,输入补偿电压100uV。

综合考虑频带要求，直流特性和外部元件参数，尽量减小噪声干扰，使用低噪声运放，在考虑到精度要求，最终决定采用OPA2227作为模拟模块的运算放大器。

2．硬件电路设计

2.1模拟模块

该模块为一模拟某传感器特性的电路模块(简称模拟模块)，由TI芯片OPA2227构成的有源二阶低通滤波，原理图如图3。

2.2频率补偿电路

2.2.1总体框图

由题目要求可知模拟模块的截止频率为4.5K0.5K，要将截止频率提高到50k

或100k，则需要对模拟模块衰减的幅度进行提升，根据信号与系统及自动控制知识可知：改变系统传递函数的零极点可达到补偿的功能，框图如图4。

图3 模拟模块

图4 频率补偿部分框图

2.2.2参数计算

如图2所示，对该图进行节点分析有：

(2.2.1)

0 (2.2.2)

(2.2.3)

解得：，带入参数得H(S)=,A为放大倍数。

a.频率补偿50kHz部分：

由信号与系统与自动控制知识可知，需在新的系统中加频率为50kHz的极点，即新系统传递函数为：

(2.2.4)

对进行部分分式展开并分解得

(34100,83420分别为两个极点的角频率。经换算得截止频率分别为50k,13.27k 由此可知50kHz频率补偿部分由截止频率为13.27k和50k的低通滤波器以及一个全通系统加入一个加法器组成

令中S=0,则=1-1.024+0.09，即50k低通后面需加一级放大倍数为

1.024的反向放大，13.27k低通后加一级衰减系数为0.09的反向放大及一级反相器。

由matlab仿真计算可得频率补偿的放大系数B=15.15，故加法器后还需接一级放大系数为15.15的放大，故最终总电路图见附图1。

b.频率补偿100kHz部分：

同理，传递函数=,则补偿部分传递函数

，经计算得13.37k部分衰减系数为0.038,50k部分放大为-1.005,最终加法器输出放大系数为30.1。

2.2.3电路图实现

频率补偿部分：

频率补偿电路是由一路13.27k、一路50k低通滤波、一路全通、加法器以及一路放大组成。原理图见图5

由传递函数可得

(2.2.5)

由此可算出滤波电路的RC参数匹配

后级矫正电路：

在实际电路调试中，调试100k截止频率时实际截止频率达到了183k，不满足