1、頻率補償電路（頻率補償電路（B題）題）華中科技大學頻率補償電路頻率補償電路n1.題目形成說明題目形成說明n2.題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計n3.作品評述作品評述1976年德國人年德國人Erwin Neher和和Bert Sakmann將玻璃微電將玻璃微電極用于細胞膜表面測量，首次在蛙胸皮肌細胞膜上記錄到離極用于細胞膜表面測量，首次在蛙胸皮肌細胞膜上記錄到離子單通道電流，其分辨率高達子單通道電流，其分辨率高達pA(10-12A)量級，直接證實了細量級，直接證實了細胞膜上存在離子通道，成為生理學發(fā)展史上一個重要里程碑。胞膜上存在離子通道，成為生理學發(fā)展史上一個重要里程碑。該技術(shù)就是現(xiàn)代細胞生理學中

2、著名的該技術(shù)就是現(xiàn)代細胞生理學中著名的“膜片鉗技術(shù)膜片鉗技術(shù)”。1991年，這兩位德國科學家獲得諾貝爾醫(yī)學或生理學獎年，這兩位德國科學家獲得諾貝爾醫(yī)學或生理學獎1. 題目形成說明題目形成說明1. 題目形成說明題目形成說明1. 題目形成說明題目形成說明n活細胞膜離子通道電流檢測的電流強度：活細胞膜離子通道電流檢測的電流強度：pAnA量級量級n為高靈敏度電流檢測設(shè)計了新型放大電路：為高靈敏度電流檢測設(shè)計了新型放大電路： 10G(或 0.5G) Kobra 電阻器 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：電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）（康華光主編）模擬部分（第五版）（康華光主編）p.310該放大器后來制成為厚膜電路批量生產(chǎn)，可直接應(yīng)用該放大器后來制成為厚膜電路批量生產(chǎn)，可直接應(yīng)用于許多領(lǐng)域的微弱電流檢測，例如：于許多領(lǐng)域的微弱電流檢測，例如：掃描隧道顯微鏡探針的電流檢測；掃描隧道顯

4、微鏡探針的電流檢測；離子掃描顯微鏡；離子掃描顯微鏡；與高靈敏度光電二極管結(jié)合，對極微弱的熒光蛋白信與高靈敏度光電二極管結(jié)合，對極微弱的熒光蛋白信號的檢測；號的檢測；第第3代代DNA測序設(shè)備（開發(fā)研究階段）測序設(shè)備（開發(fā)研究階段）1991年諾貝爾醫(yī)學與生理學年諾貝爾醫(yī)學與生理學授獎公告稱授獎公告稱 這種新的分析方法（指膜片鉗技術(shù)）以及這種新的分析方法（指膜片鉗技術(shù)）以及獲得的新知識是現(xiàn)代生物學的一場革命。在過去獲得的新知識是現(xiàn)代生物學的一場革命。在過去的的10年中，它不僅促進了生物學基礎(chǔ)研究，而且年中，它不僅促進了生物學基礎(chǔ)研究，而且對了解人類重大疾病的細胞機制有突出貢獻。對了解人類重大疾病的細

5、胞機制有突出貢獻。1. 題目形成說明題目形成說明Erwin NeherBert Sakmann2000年瞿安連在年瞿安連在Neher家作客家作客 2005年在北京開會時，內(nèi)爾與瞿安連及其博士生的合影年在北京開會時，內(nèi)爾與瞿安連及其博士生的合影電路存在問題：由于反饋電阻太大，電阻的分布參數(shù)嚴電路存在問題：由于反饋電阻太大，電阻的分布參數(shù)嚴重影響電路的帶寬和通帶內(nèi)頻率響應(yīng)的平坦特性。重影響電路的帶寬和通帶內(nèi)頻率響應(yīng)的平坦特性。實際負反饋電阻為實際負反饋電阻為50G電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）（康華光主編）（康華光主編）p.309有誤：不是有誤：不是“低低頻（頻（01

6、0）Hz”，而應(yīng)是，而應(yīng)是“低頻低頻（0100）kHz” 。 50G電阻 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 數(shù)G數(shù)量級 1. 題目形成說明題目形成說明高阻電阻存在分布參數(shù)：高阻電阻存在分布參數(shù)：1. 題目形成說明

7、題目形成說明 電阻兩端電極 形成電容 電阻體呈分布狀態(tài)存在的電容 屏蔽殼等效接地 50G 電阻 雖然分布電容只有數(shù)十fF，但會與50G電阻形成亞ms量級的時間常數(shù)，嚴重影響帶寬和頻率響應(yīng)特性。1. 題目形成說明題目形成說明因此因此Neher在前置放大器后添加了復雜的補償網(wǎng)絡(luò)：在前置放大器后添加了復雜的補償網(wǎng)絡(luò)： I/V 變換 (前置放大) 信號處理 (高頻補償與濾波) 放大 (增益控制) 動態(tài)誤差 補償 輸出 濾波 信號輸出 刺激信號 增益控制 刺激信號輸入 題目由這兩個框圖形成題目由這兩個框圖形成簡化方框圖：簡化方框圖：1. 題目形成說明題目形成說明簡化反饋電阻特性：簡化反饋電阻特性： 電阻

8、兩端電極 形成電容 呈呈分分布布狀狀態(tài)態(tài)存存在在的的電電容容 屏蔽殼等效接地 電阻兩端電極 形成電容 集集中中參參數(shù)數(shù)的的電電容容 直接接地 形成題目形成題目1. 題目形成說明題目形成說明50G反饋電阻不是常用電阻，因此必須改變反饋電阻不是常用電阻，因此必須改變電阻參數(shù)，為電阻參數(shù)，為了適應(yīng)競賽條件，將電阻減小到了適應(yīng)競賽條件，將電阻減小到1/5000，同時把電容按適，同時把電容按適當比例增大，使所有參數(shù)可用常規(guī)元件實現(xiàn)：當比例增大，使所有參數(shù)可用常規(guī)元件實現(xiàn)： 5.1M 5.1M Rf 1 Cf 1 4.7pF Rf 2 Cf 2 4.7pF 形成題目形成題目形成題目形成題目1. 題目形成說

9、明題目形成說明設(shè)計并制作一個頻率補償電路，補償設(shè)計并制作一個頻率補償電路，補償“模擬某傳感器特性的電路模擬某傳感器特性的電路模塊模塊”（以下簡稱（以下簡稱“模擬模塊模擬模塊”）的高頻特性。電路結(jié)構(gòu)如圖）的高頻特性。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。所示。圖圖1 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計n1.題目說明題目說明n2.模擬方案模擬方案n3.數(shù)字方案數(shù)字方案知識點知識點2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計n模擬信號處理：模擬信號處理： 以往有以往有過有過有源濾波器的題目，都是限制信號帶寬；而這次是拓源濾波器的題目，都是限制信號帶寬；而這次是拓展信號帶寬。內(nèi)容只涉及電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是電路理論分

10、析方法展信號帶寬。內(nèi)容只涉及電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是電路理論分析方法的應(yīng)用。的應(yīng)用。n純模擬電路實現(xiàn)（簡單）純模擬電路實現(xiàn)（簡單）n數(shù)字方法實現(xiàn)（可以用數(shù)字方法精確達到要求，但數(shù)字方法實現(xiàn)（可以用數(shù)字方法精確達到要求，但競賽中沒有見到這種做法）競賽中沒有見到這種做法）實現(xiàn)方案實現(xiàn)方案(1) 按圖按圖1所示組裝所示組裝“模擬模塊模擬模塊”電路，其中正弦波電壓信號發(fā)生器可使用普電路，其中正弦波電壓信號發(fā)生器可使用普通函數(shù)信號發(fā)生器。在開關(guān)通函數(shù)信號發(fā)生器。在開關(guān)K接接Vs的條件下達到如下要求：的條件下達到如下要求： Vs為為200Hz、峰峰值為、峰峰值為10V時，時，“模擬模塊模擬模塊”輸出輸出Vb沒有

11、明顯失真。沒有明顯失真。 以以200Hz為基準，為基準，Vb的的3dB高頻截止頻率為高頻截止頻率為4.5 kHz 0.5 kHz。(2) 設(shè)計并制作頻率補償電路，使之達到如下要求：設(shè)計并制作頻率補償電路，使之達到如下要求： 頻率為頻率為200Hz時的電壓增益時的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1 0.05。 以電壓增益以電壓增益A(200Hz)為基準，將為基準，將A(f)=|Vo/Vs|的的3dB高頻截止頻率擴展高頻截止頻率擴展到大于到大于50kHz。 以電壓增益以電壓增益A(200Hz)為基準，頻率為基準，頻率035kHz范圍內(nèi)的電壓增益范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波的波動在動在20

12、%以內(nèi)。以內(nèi)。(3) 在達到基本要求在達到基本要求(2)的第、項指標后，將開關(guān)的第、項指標后，將開關(guān)K切換到接地端，輸出切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓的噪聲均方根電壓Vn30 mV。2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計基本要求基本要求方框圖方框圖2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計幾乎所有測量的參賽隊的電路結(jié)構(gòu)：從降低噪聲的角度考慮，應(yīng)將低通濾波器置于處理電路的第一級，首從降低噪聲的角度考慮，應(yīng)將低通濾波器置于處理電路的第一級，首先限制信號的帶寬，原因如下：先限制信號的帶寬，原因如下：高頻補償電路會使高頻噪聲呈數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍的增大，有可能使高頻補償電路會使高頻噪聲呈數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍的

13、增大，有可能使電路進入非線性狀態(tài)，于是出現(xiàn)復雜的高頻交叉互調(diào)，其中會有部分電路進入非線性狀態(tài)，于是出現(xiàn)復雜的高頻交叉互調(diào)，其中會有部分調(diào)制后的信號分量進入所要求的通帶內(nèi)，形成噪聲。調(diào)制后的信號分量進入所要求的通帶內(nèi)，形成噪聲。 輸出 高頻補償 電路 35kHz（基本要求） 或 100kHz（發(fā)揮） 低通濾波器 輸入 模擬 電路模塊 2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計 輸出 高頻補償 電路 35kHz（基本要求） 或 100kHz（發(fā)揮） 低通濾波器 輸入 模擬 電路模塊 方框圖方框圖好的電路結(jié)構(gòu)：2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路設(shè)計傳函分析傳函分析222223312 +2

14、+( )=-=-1+2+(1+sCR)R sCRRsCRH sRsCR s C RR2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路設(shè)計補償原理補償原理(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. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路補償電路2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路仿真補償電路仿真電路在200KHz處出現(xiàn)增益峰，源于C3引入的微分與運放本身特性的作用

15、。2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路設(shè)計最終補償電路最終補償電路在C3處串入電阻，增加極點使得幅頻曲線早些下降以去除增益尖峰2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計補償電路設(shè)計補償電路設(shè)計最終補償電路仿真最終補償電路仿真2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計數(shù)字方法數(shù)字方法 輸出 35kHz（基本要求） 或 100kHz（發(fā)揮） 低通濾波器 輸入 模擬 電路模塊 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)字處理 A/D 轉(zhuǎn)換 2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計數(shù)字方法數(shù)字方法l 根據(jù)奈奎斯特定律，AD和DA的采樣率應(yīng)大于200Ksps，為降低抗混疊濾波器和重構(gòu)濾波器的實現(xiàn)難度，可取遠大于200Ksps，后面取

16、1Mspsl 因前面有100KHz濾波器，抗混疊濾波器可以省略l 數(shù)字域可用IIR濾波器，容易由模擬電路傳函得到l 與模擬方法類似，將s域傳函取倒數(shù)，轉(zhuǎn)換到z域即可得到IIR濾波器傳函2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計傳函分析傳函分析222223312 +2+( )=-=-1+2+(1+sCR)R sCRRsCRH sRsCR s C RR7271014 .479005746. 01002. 12 .122sss取倒數(shù)后：7721002. 12 .1221014 .479005746. 0sss該函數(shù)零點多于極點，與前面模擬方法類似地，增加 后：KHzfp150724-721002. 14 .

17、132s101.2221014 .479005746. 0sss轉(zhuǎn)換到z域：3384. 0288. 189.2717.5833.3022zzzz2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)s域z域2. 題目分析和設(shè)計題目分析和設(shè)計數(shù)字實現(xiàn)數(shù)字實現(xiàn)2121223384. 0288. 1189.2717.5833.303384. 0288. 189.2717.5833.30zzzzzzzz關(guān)于鋪地： 整個電路關(guān)注的最高頻率僅100kHz，且大部分為高阻抗網(wǎng)絡(luò)，大面積鋪地并無優(yōu)勢，反而增加分布電容，可能造成麻煩。 大面積鋪地適用于低阻抗網(wǎng)絡(luò)。 在這個電路中，應(yīng)當“地線跟著信號走”，不要級間交叉

18、接地。3. 作品評述作品評述關(guān)于屏蔽： 幾個模塊最好全封閉屏蔽。 屏蔽盒要大一些（反正競賽不限制大?。越档头植紖?shù)影響，特別是“模擬模塊”電路，分布參數(shù)過大會造成補償困難。3. 作品評述作品評述關(guān)于濾波器： 題目的背景是測量時域電流，關(guān)注時域的階躍響應(yīng)，因而濾波器最好用貝塞爾特性，階躍響應(yīng)干凈無過沖。 但若采用貝塞爾特性，題目要求的100KHz時衰減3dB，在70KHz時波動小于10%（1dB）無法做到。 當然，應(yīng)以題目指標要求為準。如果采用巴特沃斯特性，2階可剛好達到要求，3、4階更好，再高階則無必要。3. 作品評述作品評述自動增益控制？！ 個別隊用“自動增益控制”實現(xiàn)“幅頻特性的平坦”，完全理解錯誤，沒有寬帶放大和頻譜的概念。 自動增益控制是根據(jù)輸入幅度調(diào)增益，不同時刻增益不一樣。而幅頻特性可理解為對不同頻率成分的增益不一樣，與時間無關(guān)。 自動增益控制或許能瞞過手動掃頻或極慢速的掃頻儀的測量，但如果用掃描速度稍快的掃頻儀或用時域測量方法（如短時脈沖）便可立刻分辨。3. 作品評述作品評述3. 作品評述作品評述關(guān)于題尾的說明33. 在圖1所示開關(guān)K切換到接地端的條件下，在T端接入圖2