华中科技大学(频率补偿电路(B题))-王贞炎

1、频率补偿电路（频率补偿电路（B题）题）华中科技大学频率补偿电路频率补偿电路n1.题目形成说明题目形成说明n2.题目分析和设计题目分析和设计n3.作品评述作品评述1976年德国人年德国人Erwin Neher和和Bert Sakmann将玻璃微电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，其分辨率高达子单通道电流，其分辨率高达pA(10-12A)量级，直接证实了细量级，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。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

2、著名的该技术就是现代细胞生理学中著名的“膜片钳技术膜片钳技术”。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. 题目形成说明题目形成说明1. 题目形成说明题目形成说明1. 题目形成说明题目形成说明n活细胞膜离子通道电流检测的电流强度：活细胞膜离子通道电流检测的电流强度：pAnA量级量级n为高灵敏度电流检测设计了新型放大电路：为高灵敏度电流检测设计了新型放大电路： 10G(或 0.5G) Kobra 电阻器 R5 18k R6 18k R4 100 C3 22F 12V Rf 12V A C4 C5 22F 10nF T3 T4 RP 10k

3、 C2 22F T21 T22 i1 T1 IC1 6mA R1 1.5k VREF R2 2.5k R3 10k C1 22F 12V vo 12V C6 C7 22F 10nF T1、 T3、 T4 用 4N4401 （Motorola） T21、T22 用 U430，A 用 LF356 引自：引自：电子技术基础电子技术基础模拟部分（第五版）（康华光主编）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：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；扫描隧道显

4、微镜探针的电流检测；离子扫描显微镜；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；号的检测；第第3代代DNA测序设备（开发研究阶段）测序设备（开发研究阶段）1991年诺贝尔医学与生理学年诺贝尔医学与生理学授奖公告称授奖公告称 这种新的分析方法（指膜片钳技术）以及这种新的分析方法（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。在过去获得的新知识是现代生物学的一场革命。在过去的的10年中，它不仅促进了生物学基础研究，而且年中，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。对了解人类重大疾病的细

5、胞机制有突出贡献。1. 题目形成说明题目形成说明Erwin NeherBert Sakmann2000年瞿安连在年瞿安连在Neher家作客家作客 2005年在北京开会时，内尔与瞿安连及其博士生的合影年在北京开会时，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。重影响电路的带宽和通带内频率响应的平坦特性。实际负反馈电阻为实际负反馈电阻为50G电子技术基础模拟部分（第五版）电子技术基础模拟部分（第五版）（康华光主编）（康华光主编）p.309有误：不是有误：不是“低低频（频（01

6、0）Hz”，而应是，而应是“低频低频（0100）kHz” 。 50G电阻 R5 18k R6 18k R4 100 C3 22F 12V Rf 12V A C4 C5 22F 10nF T3 T4 RP 10k C2 22F T21 T22 i1 T1 IC1 6mA R1 1.5k VREF R2 2.5k R3 10k C1 22F 12V vo 12V C6 C7 22F 10nF T1、 T3、 T4 用4N4401 （Motorola） T21、T22 用U430，A用LF356 数G数量级 1. 题目形成说明题目形成说明高阻电阻存在分布参数：高阻电阻存在分布参数：1. 题目形成说明

7、题目形成说明 电阻两端电极 形成电容 电阻体呈分布状态存在的电容 屏蔽壳等效接地 50G 电阻 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. 题目形成说明题目形成说明因此因此Neher在前置放大器后添加了复杂的补偿网络：在前置放大器后添加了复杂的补偿网络： I/V 变换 (前置放大) 信号处理 (高频补偿与滤波) 放大 (增益控制) 动态误差 补偿 输出 滤波 信号输出 刺激信号 增益控制 刺激信号输入 题目由这两个框图形成题目由这两个框图形成简化方框图：简化方框图：1. 题目形成说明题目形成说明简化反馈电阻特性：简化反馈电阻特性： 电阻

8、两端电极 形成电容 呈呈分分布布状状态态存存在在的的电电容容 屏蔽壳等效接地 电阻两端电极 形成电容 集集中中参参数数的的电电容容 直接接地 形成题目形成题目1. 题目形成说明题目形成说明50G反馈电阻不是常用电阻，因此必须改变反馈电阻不是常用电阻，因此必须改变电阻参数，为电阻参数，为了适应竞赛条件，将电阻减小到了适应竞赛条件，将电阻减小到1/5000，同时把电容按适，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：当比例增大，使所有参数可用常规元件实现： 5.1M 5.1M Rf 1 Cf 1 4.7pF Rf 2 Cf 2 4.7pF 形成题目形成题目形成题目形成题目1. 题目形成说

9、明题目形成说明设计并制作一个频率补偿电路，补偿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拟某传感器特性的电路模块模块”（以下简称（以下简称“模拟模块模拟模块”）的高频特性。电路结构如图）的高频特性。电路结构如图1所示。所示。图图1 电路结构电路结构2. 题目分析和设计题目分析和设计n1.题目说明题目说明n2.模拟方案模拟方案n3.数字方案数字方案知识点知识点2. 题目分析和设计题目分析和设计n模拟信号处理：模拟信号处理： 以往有以往有过有过有源滤波器的题目，都是限制信号带宽；而这次是拓源滤波器的题目，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

10、析方法展信号带宽。内容只涉及电子技术的基础，是电路理论分析方法的应用。的应用。n纯模拟电路实现（简单）纯模拟电路实现（简单）n数字方法实现（可以用数字方法精确达到要求，但数字方法实现（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）竞赛中没有见到这种做法）实现方案实现方案(1) 按图按图1所示组装所示组装“模拟模块模拟模块”电路，其中正弦波电压信号发生器可使用普电路，其中正弦波电压信号发生器可使用普通函数信号发生器。在开关通函数信号发生器。在开关K接接Vs的条件下达到如下要求：的条件下达到如下要求： Vs为为200Hz、峰峰值为、峰峰值为10V时，时，“模拟模块模拟模块”输出输出Vb没有

11、明显失真。没有明显失真。 以以200Hz为基准，为基准，Vb的的3dB高频截止频率为高频截止频率为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：设计并制作频率补偿电路，使之达到如下要求： 频率为频率为200Hz时的电压增益时的电压增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1 0.05。 以电压增益以电压增益A(200Hz)为基准，将为基准，将A(f)=|Vo/Vs|的的3dB高频截止频率扩展高频截止频率扩展到大于到大于50kHz。 以电压增益以电压增益A(200Hz)为基准，频率为基准，频率035kHz范围内的电压增益范围内的电压增益A(f)的波的波动在动在20

12、%以内。以内。(3) 在达到基本要求在达到基本要求(2)的第、项指标后，将开关的第、项指标后，将开关K切换到接地端，输出切换到接地端，输出Vo的噪声均方根电压的噪声均方根电压Vn30 mV。2. 题目分析和设计题目分析和设计基本要求基本要求方框图方框图2. 题目分析和设计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：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，有可能使高频补偿电路会使高频噪声呈数十倍，甚至数百倍的

13、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。调制后的信号分量进入所要求的通带内，形成噪声。 输出 高频补偿 电路 35kHz（基本要求） 或 100kHz（发挥） 低通滤波器 输入 模拟 电路模块 2. 题目分析和设计题目分析和设计 输出 高频补偿 电路 35kHz（基本要求） 或 100kHz（发挥） 低通滤波器 输入 模拟 电路模块 方框图方框图好的电路结构：2. 题目分析和设计题目分析和设计补偿电路设计补偿电路设计传函分析传函分析222223312 +2

14、+( )=-=-1+2+(1+sCR)R sCRRsCRH sRsCR s C RR2. 题目分析和设计题目分析和设计补偿电路设计补偿电路设计补偿原理补偿原理(s)(s)A (s)=-(s)Z (s)foVigZVV(s)(s)A (s)=-(s)Z (s)goVifZVV(s)(s)A (s) =A (s) A (s)=-=1Z (s)Z (s)fgVtotVVgfZZ2. 题目分析和设计题目分析和设计补偿电路设计补偿电路设计补偿电路补偿电路2. 题目分析和设计题目分析和设计补偿电路设计补偿电路设计补偿电路仿真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

15、。2. 题目分析和设计题目分析和设计补偿电路设计补偿电路设计最终补偿电路最终补偿电路在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. 题目分析和设计题目分析和设计补偿电路设计补偿电路设计最终补偿电路仿真最终补偿电路仿真2. 题目分析和设计题目分析和设计数字方法数字方法 输出 35kHz（基本要求） 或 100kHz（发挥） 低通滤波器 输入 模拟 电路模块 A/D 转换 数字处理 A/D 转换 2. 题目分析和设计题目分析和设计数字方法数字方法l 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

16、1Mspsl 因前面有100KHz滤波器，抗混叠滤波器可以省略l 数字域可用IIR滤波器，容易由模拟电路传函得到l 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. 题目分析和设计题目分析和设计传函分析传函分析222223312 +2+( )=-=-1+2+(1+sCR)R sCRRsCRH sRsCR s C RR7271014 .479005746. 01002. 12 .122sss取倒数后：7721002. 12 .1221014 .479005746. 0sss该函数零点多于极点，与前面模拟方法类似地，增加 后：KHzfp150724-721002. 14 .

17、132s101.2221014 .479005746. 0sss转换到z域：3384. 0288. 189.2717.5833.3022zzzz2. 题目分析和设计题目分析和设计频率响应频率响应s域z域2. 题目分析和设计题目分析和设计数字实现数字实现2121223384. 0288. 1189.2717.5833.303384. 0288. 189.2717.5833.30zzzzzzzz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

18、接地。3. 作品评述作品评述关于屏蔽： 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. 作品评述作品评述3. 作品评述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