1、频率补偿电路（B题）,华中科技大学,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,1976年德国人Erwin Neher和Bert Sakmann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,1. 题目形成说明,1. 题目形成说明,活细胞膜离子通道电流检测的电流强度：pAnA量级为高灵敏度电流检测设计了新型放大电路：,引自：电
2、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）,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,Erwin Neher,Bert Sakmann,2000年瞿安连在Neher家作客,2005年在北京开
3、会时，内尔与瞿安连及其博士生的合影,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（010）Hz”，而应是“低频（0100）kHz” 。,1. 题目形成说明,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。,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：,1. 题目形成说明,简化反馈电阻特性：,形成题目,1
4、. 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,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,2. 题目分析和设计,1.题目说明2.模拟方案3.数字方案,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
5、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,(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4.5 kHz 0.5 kHz。(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(2
6、00Hz)为基准，频率035kHz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Vn30 mV。,2. 题目分析和设计,基本要求,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。,2. 题目分析和设计,方框图,好的电路结构：,2. 题目分析和
7、设计,补偿电路设计,传函分析,2. 题目分析和设计,补偿电路设计,补偿原理,2. 题目分析和设计,补偿电路设计,补偿电路,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。,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,2. 题目分析和设计,补偿电路设计,最终补偿电路仿真,2. 题目分析和设计,数字方法,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
8、，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,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：,2. 题目分析和设计,频率响应,s域,z域,2. 题目分析和设计,数字实现,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
9、评述,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,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,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
10、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,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=50kHz，则输出的方波脉冲上升时间应为tr 7s；若fH=100kHz，则tr 3.5s；tr的定义如图2(b)所示。应用fHtr 0.35的原理，可将系统的频率响应特性调整到所要求的指标。注意：Ci到运放A反相输入端的引线应尽量短，以避免引入额外干扰。,没有理论推导没有工程计算不能称为设计！,谢谢！,
