零點、極點以及用零點抵消極點的實例


傳遞函數是復頻域內,輸出響應的拉普拉斯變換與輸入激勵的拉普拉斯變換的比值。在求傳遞函數時,有一個條件限制,就是初始條件為零。很多人並不會重視這個條件,但是想要使用疊加定理,初始條件為零,是必須滿足的。

零點,是傳遞函數的分子為零的點,從數學上來說,傳遞函數分子為零,那么分數就為零,而Vout(s)=H(s)*Vin(s),那么輸出也為零,但是伯德圖上卻不是零。注意,拉普拉斯變換的s是復數,s=σ+jω,但是當繪制伯德圖時,是令s=jω,然后繪制的傳遞函數的幅頻曲線和相頻曲線,也即是說只考慮了虛部,並沒有考慮實部。

那為什么可以在繪制增益曲線的時候使用s= jω呢? s=σ+j0=σ時,exp(s)是指數函數;而在s=0+jω=jω時,exp(s)是正弦函數。而伯德圖是假設輸入為正弦信號,當頻率變化時,幅值和相位的變化,所以是使用s= jω。綜合起來,零點的時候,輸出不為零。

來看一個單零點的實例。近似的描述,在零點處fz,幅度增益增加3dB,相位超前45度,在零點之后,幅度增益的增長斜率為20dB/10倍頻程,或者說6dB/倍頻程。增益增加是從fz/10頻率點開始,此時相位開始超前;到fz頻率點時,增益增加3dB,相位超前45度,增益到10*fz時,相位超前90度。此后,增益繼續增加,而相位近似不再變化。

再看一個單極點的實例。近似的描述,在極點fp處,幅度增益減少3dB,相位滯后45度。相位從fp/10的頻率點處開始滯后,在fp頻率點處滯后45度,在10*fp頻率點處,相位滯后90度,之后近似不再變化。

以上這些是零點和極點的一些基礎知識。對於n階極點和零點,就繼續疊加即可。

接下來看一個簡單實用的零點補償極點的例子。在I-V轉換電路中,通常需要在反饋電阻RF上並聯一個小電容CF,防止輸出端連接容性負載時發生振盪。如下圖所示,CL和RL用來模擬連接負載。增加電容后,傳遞函數為H(s)=-RF/(1+s*RF*CF),直流增益是160dB,即20*log(100Meg)。當頻率逐步增大時,增益開始衰減,並且相位開始滯后。

這樣,這個I-V轉換電路用於直流測量是沒有問題,但是用於交流測量,頻率增大時,就會產生誤差。當電阻很大時,CF可能是電阻兩端的等效電容(這里為了方便演示,CF取值比較大)。

這時,就需要抵消掉這個極點。如下圖所示:

由CC和RC構成一個零點,用於補償這個極點。可以看到,補償后,交流頻率一直到1kHz時,增益都沒有發生變化。但是增益曲線大約在10kHz之后,出現諧振峰值,也就是說,時域會出現振鈴或者小幅的高頻振盪。在時域仿真一下有補償和無補償的對比波形如下。

 

可以看到,使用零點補償掉極點之后,在1kHz的輸入電流時,輸出幅值正常,輸出相位也沒有發生變化,只是在開始的幾個周期,幅值上疊加有小幅的振鈴。

而沒有補償掉極點的輸出,衰減嚴重,且發生了相移。這與頻域的仿真結果是對應的。在這個電路中,零點補償抵消極點,就提高了輸入信號的頻率,但是輸出的振鈴就無法消除,所以后級電路必要時就需要增加濾波電路,截止頻率低於I-V轉換的幅頻特性的諧振峰值頻率,來衰減掉放大信號中疊加的振鈴或者小幅振盪。這也是一些使用精密I-V轉換電路的儀器的常用手段。

理想的元器件是不存在任何寄生參數的,但是現實畢竟是現實,每一種元件都有它的寄生參數,是無法消除的。這時候,就需要用各種方法,抵消掉這些寄生參數的影響。

這里留一個疑問,為什么理論分析的傳遞函數,H(s)=-[RC+RF*(1+s*RC*CC)/(1+s*RF*CF)],在RC*CC=RF*CF時,H(s)=-(RC+RF),是完美的不受頻率的影響,但是仿真在高頻段還是會受到頻率的影響,而且幅頻特性曲線上還出現了諧振峰,為什么?


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