RC电路(三):零点和极点

news2024/11/14 13:42:57

一、零极点定义

零点和极点是在自动控制原理中用于描述系统特性的概念。‌

  • 零点(Zero):‌在传递函数的分子多项式等于零的解。即当系统的输入信号等于零时,‌输出信号不为零的情况下,‌输入信号与输出信号相等的点。‌在数学和电学中,‌零点也是系统程度上不能再超过的界限,‌具有特定的数学和物理意义。‌

  • 极点(Pole):‌在传递函数的分母多项式等于零的解。即当系统的输入信号不为零时,‌输出信号为零的情况下,‌输入信号与输出信号相等的点。‌极点的性质决定系统的稳定性,‌对系统的稳定性有直接影响。‌

        零、极点定义了滤波器的特征,可以分析系统如何响应不同输入频率的信号的信息。

二、对系统影响

        在电路理论和控制系统工程中,波特图提供了零、极点与系统输入与输出行为之间关系的直观可视化。

1、零点的影响

        零点在波特图上表现为增益的上升。零点越靠近高频,对应的增益越高,而在低频时增益较低;在零点附近,相位角变化较大,可引起系统的相位提升。一阶 RC 高通滤波器如下图所示:

        其传递函数的拉氏变换为 H(s)=\frac{R_{1}}{\frac{1}{sC_{1}}+R_{1}}=\frac{sC_{1}R_{1}}{1+sC_{1}R_{1}},因此一阶 RC 高通滤波器的零点为 s=0,极点为 s=-\frac{1}{R_{1}C_{1}},其幅频与相频波特图如下所示

        由上图可以看出,在零点处,频率响应的振幅曲线的斜率增加。对于一阶系统,当角频率达到零点时,振幅曲线的斜率增加 20 dB/dec。这表示系统对该频率的信号的衰减更快。

2、极点的影响

        极点在波特图上表现为增益的下降。极点越靠近低频,对应的增益越高,而在高频时增益较低;在极点附近,相位角变化较大,可引起系统的相位延迟。 一阶 RC 低通滤波器如下图所示: 

        其传递函数的拉氏变换为 H(S)=\frac{\frac{1}{sC_{1}}}{\frac{1}{sC_{1}}+R_{1}}=\frac{1}{1+sC_{1}R_{1}},因此一阶 RC 高通滤波器的极点为 s=-\frac{1}{R_{1}C_{1}},其幅频与相频波特图如下所示       

        由上图可以看出,在极点处,频率响应的振幅曲线的斜率减小。对于一阶系统,当角频率达到极点时,振幅曲线的斜率减小 20 dB/dec。这表示系统对该频率的信号的衰减更慢

三、环路补偿

        环路补偿电路也称作补偿器,一般有单极点补偿双极点单零点补偿三极点双零点补偿,通常极点数总是多于零点数,这样可以提高系统的阶数,保持稳定。

1、单极点补偿

        单极点补偿,也叫主极点补偿,适用于电流型控制以及工作在DCM 方式且滤波电容的ESR 零点频率较低的电源。原理是把控制带宽拉低,在功率部分或加有其他补偿的部分的相位达到180 度以前使其增益降到 0dB。

2、双极点单零点补偿

        双极点单零点补偿适用于功率部分只有一个极点的补偿,如所有电流型控制和非连续方式电压型控制。

3、三极点双零点补偿

        三极点双零点补偿适用于输出带LC谐振的拓扑,如所有没有用电流型控制的电感电流连续方式拓扑。

        

  • C1 和 R2 的主要作用是提升相位(提高低频增益),在保证稳定的情况下是越小越好;C2增加了一个高频极点,降低开关噪声干扰。
  • 串联 C1 实质是增加一个零点,零点的作用是减小峰值时间,使系统响应加快,并且闭环越接近虚轴,效果越好,理论上C1 越大越好,但考虑到超调量和调节时间,因为零点越距离虚轴越近,闭环零点修正系数Q越大,而Q与超调量和调节时间成正比,所以又不能太大,因此闭环零点要折中考虑。
  • 并联 C2 实质是增加一个极点,极点的作用是增大峰值时间,使系统响应变慢,所以理论上C2也是越大越好,但考虑到当零极点彼此接近时,系统响应速度相互抵消,因此系统的 C1 要比 C2 大。            

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