关于闭环控制电路设计方法上的一点思考

        闭环控制电路在实际设计中应用比较多，之所以需要闭环控制，就是需要系统应对来自外部的干扰，比如负载的变化，环境的变化等等。以下一些自己的感悟是《Operational Amplifier Speed and Accuracy Improvement》的读后感。就像有些时候，听到一首歌，一句诗，会给你一种“代入感”，就像很多人看电影听到那句“轻舟已过万重山”一样，会给予你不一样的感受。一本好书，看过之后，结合自身的一些经历，也会有一些感悟。

        第一个感悟，什么是好的反馈控制环路？一个控制环路，一定有输入，输出，反馈，和控制部分。简单来说，输入和反馈共同控制部分，控制部分控制输出，而输出又影响反馈，反馈再和输入共同控制控制部分，再次调整输出，继续反馈循环。文字描述上，看起来是有顺序的，但是硬件电路是一直存在的。电路的连接成一个反馈控制环路，如下图所示。

        输入信号和反馈信号，输入到比较器，得到一个误差信号，误差信号控制放大器输出。输出经过测量或者反馈元件又回到比较器，改变误差信号，误差信号继续放大输出。在电路分析的时候，尤其是运算放大器，利用“虚短”，“虚断”，直接从稳态情况分析，似乎很少分析考虑信号在闭环反馈的环路里“调整了多少次或者多少时间”这个问题，也很少分析在电路节点出现“意外输入信号”的情况。

        所以，看到下面这段话，有所感慨。在实际设计电路中，经常会发生“迭代”升级，而升级的原因，并不是电路“理论上”出了问题，而是“工程上”出了问题。其中一种常见的情况，就是没有考虑每个节点的“动态特性”，很多控制电路需要开关切换，而一个开关断开或者连通，会对它两侧的电路都造成影响。这种动态的切换造成的影响，除了切换位置，还可能会在环路中传递；还有一种常见情况，没有考虑每个节点的静态工作点也会发生变化，最常见的就是温度的影响，尤其是一些静态工作点利用了PN结的电压相对稳定的特性，这个时候，温度变化，PN结电压就会跟着变化，如果电路系统设计的“太敏感”，就很容易出现问题。

        一个好的控制环路电路设计要怎样呢？相信一个有过实践设计经验的工程师，在“迭代升级”的时候，都会有类似的疑问。书里给出了一些结构化设计的基本要点。如同下面这段话所说的：

         

       1、所有重要的参数，必须有专门的反馈环路控制。举个简单的例子，比如《新概念模拟电路》中，提到过复合放大器电路，第二级放大必须要有放大倍数控制反馈环路。

       2、所有这些反馈环路的必须有像一阶或者二阶系统的那样稳定的动态特性。在实际设计中，一阶和二阶的特性可以工程估算，也就是系统允许在较大的误差范围内是稳定的，而更高阶的控制系统，控制需要相对精确，仿真和验证都很准确，但实施起来因为元件误差原因，容易出现问题。

       3、对于潜在的元件变化参数，不同的电路工作模式，电路都应该是稳定工作的。最常见的就是温度的影响，尤其是PN结的温度补偿问题，容易忽视使用环境的温度变化范围。另外像二极管的反向恢复电流，在电流发生换向时，那个瞬间是导通状态的，这也是二极管整流频率限制的主要原因。

       4、所有可能的非线性影响，比如（晶体管）饱和，截止等等，不会造成严重的影响，比如条件稳定，输出关断，相位翻转等。这个常见的就是有些比较器在输入超出共模电压范围的时候，相位会出现翻转。另外就是有些电路因为没有考虑饱和或者截止问题，电路会出现短暂的死锁现象，也就是恢复时间较长，可能会造成其他影响。

        结构化设计，应该算是一种系统思维吧，有空应该再读一遍《第五项修炼》。