华中科技大学(频率补偿电路(B题))-王贞炎PPT课件.ppt

频率补偿电路 B题 华中科技大学 1 频率补偿电路 1 题目形成说明2 题目分析和设计3 作品评述 2 1976年德国人ErwinNeher和BertSakmann将玻璃微电极用于细胞膜表面测量 首次在蛙胸皮肌细胞膜上记录到离子单通道电流 其分辨率高达pA 10 12A 量级 直接证实了细胞膜上存在离子通道 成为生理学发展史上一个重要里程碑 该技术就是现代细胞生理学中著名的 膜片钳技术 1991年 这两位德国科学家获得诺贝尔医学或生理学奖 1 题目形成说明 3 1 题目形成说明 4 1 题目形成说明 活细胞膜离子通道电流检测的电流强度 pA nA量级为高灵敏度电流检测设计了新型放大电路 引自 电子技术基础 模拟部分 第五版 康华光主编 p 310 该放大器后来制成为厚膜电路批量生产 可直接应用于许多领域的微弱电流检测 例如 扫描隧道显微镜探针的电流检测 离子扫描显微镜 与高灵敏度光电二极管结合 对极微弱的荧光蛋白信号的检测 第3代DNA测序设备 开发研究阶段 5 1991年诺贝尔医学与生理学授奖公告称 这种新的分析方法 指膜片钳技术 以及获得的新知识是现代生物学的一场革命 在过去的10年中 它不仅促进了生物学基础研究 而且对了解人类重大疾病的细胞机制有突出贡献 1 题目形成说明 6 ErwinNeher BertSakmann 7 2000年瞿安连在Neher家作客 8 2005年在北京开会时 内尔与瞿安连及其博士生的合影 9 电路存在问题 由于反馈电阻太大 电阻的分布参数严重影响电路的带宽和通带内频率响应的平坦特性 实际负反馈电阻为50G 电子技术基础 模拟部分 第五版 康华光主编 p 309有误 不是 低频 0 10 Hz 而应是 低频 0 100 kHz 1 题目形成说明 10 高阻电阻存在分布参数 1 题目形成说明 虽然分布电容只有数十fF 但会与50G 电阻形成亚ms量级的时间常数 严重影响带宽和频率响应特性 11 1 题目形成说明 因此Neher在前置放大器后添加了复杂的补偿网络 题目由这两个框图形成 简化方框图 12 1 题目形成说明 简化反馈电阻特性 形成题目 13 1 题目形成说明 50G 反馈电阻不是常用电阻 因此必须改变电阻参数 为了适应竞赛条件 将电阻减小到1 5000 同时把电容按适当比例增大 使所有参数可用常规元件实现 形成题目 14 形成题目 1 题目形成说明 设计并制作一个频率补偿电路 补偿 模拟某传感器特性的电路模块 以下简称 模拟模块 的高频特性 电路结构如图1所示 图1电路结构 15 2 题目分析和设计 1 题目说明2 模拟方案3 数字方案 16 知识点 2 题目分析和设计 模拟信号处理 以往有过有源滤波器的题目 都是限制信号带宽 而这次是拓展信号带宽 内容只涉及电子技术的基础 是电路理论分析方法的应用 纯模拟电路实现 简单 数字方法实现 可以用数字方法精确达到要求 但竞赛中没有见到这种做法 实现方案 17 1 按图1所示组装 模拟模块 电路 其中正弦波电压信号发生器可使用普通函数信号发生器 在开关K接Vs的条件下达到如下要求 Vs为200Hz 峰峰值为10V时 模拟模块 输出Vb没有明显失真 以200Hz为基准 Vb的 3dB高频截止频率为4 5kHz 0 5kHz 2 设计并制作频率补偿电路 使之达到如下要求 频率为200Hz时的电压增益A 200Hz Vo Vs 1 0 05 以电压增益A 200Hz 为基准 将A f Vo Vs 的 3dB高频截止频率扩展到大于50kHz 以电压增益A 200Hz 为基准 频率0 35kHz范围内的电压增益A f 的波动在 20 以内 3 在达到基本要求 2 的第 项指标后 将开关K切换到接地端 输出Vo的噪声均方根电压Vn 30mV 2 题目分析和设计 基本要求 18 方框图 2 题目分析和设计 几乎所有测量的参赛队的电路结构 从降低噪声的角度考虑 应将低通滤波器置于处理电路的第一级 首先限制信号的带宽 原因如下 高频补偿电路会使高频噪声呈数十倍 甚至数百倍的增大 有可能使电路进入非线性状态 于是出现复杂的高频交叉互调 其中会有部分调制后的信号分量进入所要求的通带内 形成噪声 19 2 题目分析和设计 方框图 好的电路结构 20 2 题目分析和设计 补偿电路设计 传函分析 21 2 题目分析和设计 补偿电路设计 补偿原理 22 2 题目分析和设计 补偿电路设计 补偿电路 23 2 题目分析和设计 补偿电路设计 补偿电路仿真 电路在200KHz处出现增益峰 源于C3引入的微分与运放本身特性的作用 24 2 题目分析和设计 补偿电路设计 最终补偿电路 在C3处串入电阻 增加极点使得幅频曲线早些下降以去除增益尖峰 25 2 题目分析和设计 补偿电路设计 最终补偿电路仿真 26 2 题目分析和设计 数字方法 27 2 题目分析和设计 数字方法 根据奈奎斯特定律 AD和DA的采样率应大于200Ksps 为降低抗混叠滤波器和重构滤波器的实现难度 可取远大于200Ksps 后面取1Msps因前面有100KHz滤波器 抗混叠滤波器可以省略数字域可用IIR滤波器 容易由模拟电路传函得到与模拟方法类似 将s域传函取倒数 转换到z域即可得到IIR滤波器传函 28 2 题目分析和设计 传函分析 取倒数后 该函数零点多于极点 与前面模拟方法类似地 增加后 转换到z域 29 2 题目分析和设计 频率响应 s域 z域 30 2 题目分析和设计 数字实现 31 关于铺地 整个电路关注的最高频率仅100kHz 且大部分为高阻抗网络 大面积铺地并无优势 反而增加分布电容 可能造成麻烦 大面积铺地适用于低阻抗网络 在这个电路中 应当 地线跟着信号走 不要级间交叉接地 3 作品评述 32 关于屏蔽 几个模块最好全封闭屏蔽 屏蔽盒要大一些 反正竞赛不限制大小 以降低分布参数影响 特别是 模拟模块 电路 分布参数过大会造成补偿困难 3 作品评述 33 关于滤波器 题目的背景是测量时域电流 关注时域的阶跃响应 因而滤波器最好用贝塞尔特性 阶跃响应干净无过冲 但若采用贝塞尔特性 题目要求的100KHz时衰减3dB 在70KHz时波动小于10 1dB 无法做到 当然 应以题目指标要求为准 如果采用巴特沃斯特性 2阶可刚好达到要求 3 4阶更好 再高阶则无必要 3 作品评述 34 自动增益控制 个别队用 自动增益控制 实现 幅频特性的平坦 完全理解错误 没有宽带放大和频谱的概念 自动增益控制是根据输入幅度调增益 不同时刻增益不一样 而幅频特性可理解为对不同频率成分的增益不一样 与时间无关 自动增益控制或许能瞒过手动扫频或极慢速的扫频仪的测量 但如果用扫描速度稍快的扫频仪或用时域测量方法 如短时脉冲 便可立刻分辨 3 作品评述 35 3 作品评述 关于题尾的说明33 在图1所示开关K切换到接地端的条件下 在T端接入图2 a 所示的电路可简化系统频率特性的测试 调整过程 设定函数信号发生器输出Vt为频率500Hz 峰峰值5V的三角波电压 则输出Vb的波形应近似为方波脉冲 如果频率补偿电路的参数已调整适当 则输出Vo的方波脉冲会接近理想形状 若高频截止频率为fH 50k