前言:在《测量电子电路设计-模拟篇》中,作者讲述到一种超级伺服电路,不是很理解,遂查询相关资料验证,记录如下。
1、要求
要求设计一种前置低噪声的放大器,输入阻抗100k欧,电压增益60dB, 输出阻抗在1欧以下,增益频率特性是DC~100kHz,电源电压+-15V,最大输出电流是+-10mA以上,最大输出电压+-10V以上,输入换算噪声电压密度5nV/√hz。
2、作者设计的电路如下:
两级同相放大,运放作者选择的是NJM5534,在Multisim中没有这型号,我尝试用NE5534来代替,然而结果却是没有任何输出.这是什么原因呢?
真的没有输出哎,我纠结了。
无奈之下,我换运放,换成了OP07。结果好了。为了验证超级伺服电路的正确性,我往200Hz,10Vpp的正弦波输入信号中加入了10mV的直流偏置,这时候,我是没有加入超级伺服电路的(第二级放大级下面断开了与伺服电路的连接)。仿真结果如下:
可以看出,由于直流偏置也同样的被放大992倍,然后输出饱和了。
接下来我们看看超级伺服电路的能力到底如何了:
嗯嗯,真的很完美,直流偏置果断被伺服电路清理得一干二净,如此我们可以推想,在实际电路中,伺服电路也可以把失调电压给消除,很好地放大交流信号的。
3、考察完其电路性能后,我想知道这个电路的设计原理,于是得到了如下的资料:
(1)伺服的定义是:
伺服是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。
(2)、问题的提出:
尽管直流放大器有很多优点,然而输出端中点电位的漂移仍是其最大的致命伤,即使是再高级的放大器也难去除这个弊端,虽说“菱形差动电路”、“镜影对称电路”可算是比较有效的对策,但是毕竟金钱代价过高,一直等到伺服电路的出现,这个问题才勉强算解决,之所说是“勉强”是因为,用上伺服电路则使得直流放大器不能放大直流信号,这个好纠结。
(3)、正相放大伺服电路
电路中包含两组滤波器,R1和C1是被动式低通滤波器(什么是被动式),C2和R2则是主动式低通滤波器,他们两个的任务都是把放大器输出端的极低频率成分检出,作为伺服信号。两个滤波器都是以6dB/oct 的特性衰减高频。也许一开始你会以为是两组RC,而误以为是12dB/oct,实则不然。因为被动滤波器和米勒积分器的响应曲线是不一样的。
图a是米勒积分器的,它是有增益的, 故在0dB之上,图b是被动滤波器的,无增益,所以在0dB之下,那么只要令他们的截止频率相同即可合成(c)这样连续的响应曲线。所以R1=R2,C1=C2.
知识补充说明:
分频斜率(也称滤波器的衰减斜率)用来反映分频点以下频响曲线的下降斜率,用分贝/倍频程(dB/oct)来表示。它有一阶(6 dB/oct)、二阶(12 dB/oct)、三阶(18 dB/oct)和四阶(24 dB/oct)之分,阶数越高,分频点后的频率曲线斜率就越大。较常用的是二阶分频斜率。高阶分频器可增加斜率,但相移位大;低阶分频器能产生较平缓的斜率和很好的瞬态响应,但幅频特性较差。
oct 是 octave的简写。用log2(f2/f1)求得。(log以2为底。)所以从50hz到200hz是 log2(200/50)=2个oct。那200hz处就是2×10+0.02=20.02db
如此,我明白了超级伺服电路的原理了。