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三個案例幫你徹底瞭解反饋電路中的相位補償
2004年，幫朋友做鎳氫充電器，利用鎳氫電池充滿電時電壓有一個微小的下降這個特點來識別是否已經充滿，比如1.2V的鎳氫電池，快充滿的時候，電壓在1.35V，之後逐步下降，電壓可以低於1.30V。所以需要單片機間歇檢測電池兩端電壓，大概充3秒鐘電再停止，之後檢測電池兩端電壓。
因爲需要識別下降的微小電壓，所以需要加一級運放，放大這個下降的幅度，如下圖：
那個時候剛進入社會，實踐經驗不足，爲了更好的提升放大性能提高穩定性，想當然的在運放的反相輸入端並了一顆小電容，我記得大概是10nF，如下圖：
調試程序的時候發現，電池降壓的信號很難檢測到，往往電池充滿發熱很久才能檢測到，這個問題困擾了一段時間沒有解決，朋友帶回香港，跟一個硬件人員一起調試，用示波器一個個腳的看信號，最終發現運放輸出存在短時間的振盪，而這個振盪導致了信號採樣問題，於是我很快想到是自己加了這顆電容的問題，並且在腦子中想象了整個振盪過程，給朋友做了分析。這個畫蛇添足行爲，最終導致了這個項目失敗。上幾年做紅外溫度測試儀，溫度範圍是400~1200度，採用PID紅外傳感器，電流轉電壓放大部分電路如下圖：
測試中發現，在700度附近溫度測量不準，最後用示波器看輸出，發現在這個溫度點上，輸出出現了振盪，這個時候馬上想到，因爲PID傳感器，內阻高，寄生電容大，等價於在反相輸入上並聯了一顆電容，類似鎳氫電池的放大了，所以馬上按如下電路改進：
在做手機期間，測試發現一些劣質手機充電器，用示波器測量發現，其輸出電壓的紋波，除了100KHz附近的開關紋波外，還有一個5K附近的正弦波基於5V附近波動，比如輸出電壓5V，實際則是在4.8~5.2V之間按5KHz的頻率波動，當時很奇怪怎麼產生這個波動的？以上三個案例是我碰到的，雖然前兩個問題解決了，但是還留有困惑，隨着自己對運放理解的深入，認識到這些問題的出現，都是跟相位有關，但是看很多運放方面的書，雖然告訴我們穩定的放大需要一個180度的負反饋，若相位在360度上，可能會引起振盪，這個還要取決於放大倍數，那麼若反饋信號在270度呢？實際上，相位引起的問題並不是太多，我做技術這麼多年，也就是碰到這麼幾個案例，但是看很多資料，比如PLL鎖相環的濾波，開關電源的反饋，運放的一些參考電路，都寫着需要相位補償，實際中把這些補償去掉，似乎也沒有發現問題，所以這個讓我一直疑惑到底怎麼回事？這也讓大家對於相位問題，並不是很關心。去年應朋友邀請錄製了運放方面的視頻，爲了要錄製視頻，專門深入的分析了一下相位，終於明白了相位到底怎麼回事。
我們大部分電路的應用，都是工作在穩態下的，比如放大一個信號，開關電源輸入輸出比較穩定等等，對於穩態信號，相位問題確實不突出，哪怕相位是360度，但只要系統迴路放大倍數小於1，也不會引起振盪，以前三極管剛興起時代，一些放大電路還工作在自舉狀態下，典型的就是AM收音機。但是對於輸入輸出信號存在階躍突變的場合，因爲每一個突變，導致系統迴路失衡，系統需要再一次平衡，那麼這個相位(這兒不討論放大增益)就決定了進入平衡的時間週期，也就是說，相位在180度下，可以最快的進入新的平衡，而相位在360度下，則需要較長的時間進入再一次平衡。大家可以把180度理解爲恰阻尼，越偏離180度，阻尼振盪的時間就越長。
下面給大家提供multisim的仿真結果：C1爲1uF的效果：進入穩態相對快一些：
C1爲10uF的效果，進入穩態時間較長：
所以對於存在階躍突變的反饋系統中，我們要儘可能的讓電路工作在180度上，提高系統再一次平衡的速度。