圆锥扫描地球敏感器前置放大电路稳定性分析*

涂智军，张 燚，梅志武

(北京控制工程研究所，北京 100190)



圆锥扫描地球敏感器前置放大电路稳定性分析*

涂智军，张 燚，梅志武

(北京控制工程研究所，北京 100190)

圆锥扫描地球敏感器(CES)是航天器的关键测量部件，其前置放大电路具有高增益、低噪声等特点.通过仿真分析得出电缆和器件参数差异显著影响其稳定性，在此基础上介绍电路稳定问题实例，提出采用频率补偿方法解决电路稳定性问题，并针对该方法设计和实施通过了标定测试、热真空试验和EMC试验，证明该方法完全有效.

圆锥扫描地球敏感器；前置放大电路；稳定性

圆锥扫描地球敏感器(conical earth sensor, CES)是航天器的基本组成部分，作为航天器姿态轨道控制分系统的关键测量部件，用于完成航天器各阶段姿态测量.包括扫描机构、直流无刷电机、光学系统、红外探测器、前置放大电路、信号处理电路和局部通信单元软件.

光学系统将地球辐射的红外能量汇聚到红外探测器上进行光电转换，输出的电信号为微伏级，前置放大电路将其放大至伏级，供信号处理电路和软件解算姿态信息.前置放大电路具有高增益、低噪声的特点，增益通常在60～120 dB，且高增益容易受到其他微小因素影响而引起电路不稳定，因此前置放大电路是红外敏感器的关键组成部分.

本文对CES和前置放大电路进行介绍，建立前置放大电路的数学模型和仿真分析模型，进行理想情况下电路仿真、电缆负载效应下电路仿真和器件OP484参数差异影响分析，在此基础上介绍了一个电路稳定问题实例，进行电缆差异性测试及分析、前置放大电路幅频及相频测试，提出了频率补偿方法解决电路稳定性问题，并针对该方法设计和实施地面试验，证明该方法完全有效.

1 CES简介

CES适用于200～2 000 km轨道高度的航天器，采用圆锥扫描式方案.

其工作原理为：首先CES的视场在直流无刷电机的驱动下相对于地球作频率为1 Hz的扫描运动，当视场穿越地球等效圆盘时，即扫到地球和空间交界时，CES接收到红外辐射能量的跃变，经过红外探测器把这种辐射能量的跃变转换成电信号，形成地球方波；然后通过前置放大电路和信号处理电路，把它转换成前沿脉冲和后沿脉冲；视场通过地球圆盘中间时CES产生一个基准脉冲，局部通信单元软件输出前后沿脉冲与基准脉冲之间的角度信息，输出到姿态轨道控制分系统计算机进行卫星姿态解算.

图1 CES工作原理示意图Fig.1 Sketch map of CES operation principle

2 CES前置放大电路

红外探测器的工作波段为14～16.25 μm，瞬时视场为1.5°×1.5°，输出峰峰值约为200 μV、频率1 Hz的方波信号，受地球等效圆盘边缘模糊、瞬时视场和红外探测器时间常数等因素影响，在“地入”和“地出”点附近，地球波方波上升沿和下降沿缓慢，设计要求前置放大电路的本底噪声不大于4 μV，否则将会出现CES输出对地姿态随机误差过大的问题.

传统设计上，前置放大电路由场效应管、三极管、电阻和电容等分离器件组成，一般设计为两级或三级放大，另外还需要为放大电路提供低噪声电源.

该传统设计存在电路规模大、功耗大、需要挑选大量低噪声器件等缺点.

在CES产品设计时，对前置放大电路进行了设计优化，采用单个低噪声运算放大器、一级放大、利用器件高电源纹波抑制比特性、不需要低噪声电源的方案.

图2中，前置放大电路将红外探测器输出的微伏级微弱信号UIN进行一千倍选频放大，工作在低频段，频带为0.05～250 Hz，输出UOUT信号给信号处理电路和软件进行姿态计算，需要运算放大器具有足够大的增益，同时为了输出信号UOUT不被噪声淹没，需要选用具有低噪声性能的运算放大器，因此选择了AD公司的一款运算放大器OP484.

CES在地面进行热真空等环境试验时则使用电信号源输入峰峰值约为2V的方波信号UEIN，此时红外探测器输出信号UIN为零；在进行全功能测试时使用地球模拟器为其提供输入信号，红外探测器输出峰峰值约为200 μV的方波信号UIN.

图2 CES前置放大电路原理图Fig.2 Schematic diagram of CES’s preamplifier circuit

将器件OP484作为理想运算放大器，电阻R6无电流流过，输出信号UOUT与输入信号UIN的传递函数G1(s)为

(1)

其中

(2)

(3)

放大电路的U+(s)=U-(s)，将式(2)、(3)代入式(1)，得到放大电路输出信号UOUT与输入信号UIN的传递函数

同理，输出信号UOUT与输入信号UEIN的传递函数G2(s)为

UOUT与输入信号UEIN的增益频率响应特性为

可以求得幅频特性A(ω)和相频特性φ(ω)分别为

(4)

φ(ω)=arctan(R5C3ω)=arctan(7.2×10-4ω)

(5)

分析公式(4)，可知前置放大电路中不会出现UOUT/UEIN增益为1即0 dB的情况，幅值裕度大于20 dB，电路是稳定的.

非理想运算放大器通常有多个极点和零点，对放大电路进行稳定性分析时还需考虑电阻R6流过的电流、运算放大器的带宽，导致其数学模型十分复杂，不易直接求解，因此，在工程上通常通过仿真和实验测试的方法解决实际问题.

3 电路仿真分析

3.1 理想情况下电路仿真

在放大电路中，通常认为幅值裕度大于零可以判断电路稳定，否则相位裕度大于零可以判断电路稳定，但通常认为相位裕度大于45°才是安全的.当电路的工作频率较低时，如果在高频段同时出现幅值和相位裕度问题时，即满足振荡器起振条件和平衡条件时，需要采取措施尽量降低相频特性曲线斜率，破坏振荡器稳定条件，电路仍可在低频段工作.

图3为UOUT/UEIN仿真曲线，幅频特性曲线表明，在0.001～10 MHz频率范围内，不会出现增益为0 dB的情况，幅值裕度大于20 dB，电路是稳定的，该仿真结果与式(4)吻合.

图3 UOUT/UEIN仿真曲线Fig.3 Simulation curves of UOUT/UEIN

在以上仿真分析过程中未考虑电缆和器件OP484参数差异，接下来将这两项因素对前置放大电路稳定性的影响作进一步说明.

3.2 电缆负载效应下电路仿真

CES研制过程中使用的热真空电缆最长，为6米，因此对其电阻、电感和和电容等参数进行测试，在此基础上开展电路仿真.

图2中，虚线框内的元件是电缆的等效模型，元件L1代表输出信号UOUT经过热真空电缆的电感和电阻；元件L2代表输入信号UEIN经过热真空电缆的电感和电阻；C12和C11为热真空电缆上的电容；器件OP484除零极点配置外按照厂家提供的手册参数进行设置.

图4为热真空电缆下UOUT/UEIN仿真曲线.

图4 热真空电缆下UOUT/UEIN仿真曲线Fig.4 Simulation curves of UOUT/UEIN with cable used in thermal vacuum test

在频率2.7 MHz附近，增益为0 dB，相位翻转180°、相位裕度为0°，电路不稳定.

通过观察负反馈电路直接输入Uin、输出端Ua幅频和相频特性曲线可以更直接判断负反馈电路的稳定性、是否可能进入自激振荡状态.

图5中，单位增益处频率范围为2.633～2.641 MHz，相位从41.23°翻转至-37.54°，相频特性曲线斜率很大，约为-5 404(°)/Hz，满足振荡器工作的3个条件，可将电路锁定在一个稳定频率处，该电路易进入自激振荡状态.

图5 热真空电缆下Uin/Ua仿真曲线Fig.5 Simulation curves of Uin/Ua with cable used in thermal vacuum test

3.3 器件OP484参数差异影响分析

接下来，按照AD公司提供的器件OP484的4个零极点对图2中的器件重新进行了设置，零极点设置如表1所示.

表1 器件OP484放大电路零极点

对比图5和图6可以看出，OP484放大电路的零极点配置不影响0.001～1 MHz低频段特性，但影响1～10 MHz高频段特性，在图6中，单位增益处频率范围为2.752～2.756 MHz，相位为2.642°～2.658°，相位裕度约为2.6°，当相位裕度是正值时，电路本身是稳定的，同时相对图5来说其相频特性曲线斜率较小，约为4 (°)/Hz，且为正值，不满足振荡器的相位稳定条件，该电路不会进入自激振荡状态.

图6 配置零极点后Uin/Ua仿真曲线Fig.6 Simulation curves of Uin/Ua with settled zero and pole point

4 电路稳定问题实例分析

4.1 稳定问题实例

由于热真空环境模拟设备功率很大、且频繁启停，电磁环境比较恶劣，在遥感卫星两台CES热真空试验过程中，发现其中一台CES出现了由干扰引起前置地球方波信号UOUT由正常的方波信号跳变至直流-9 V，交流为半正弦波，幅值1.8 V，频率1.3 MHz 的异常波形.

对两台CES进行了实物检查，发现除前置放大电路的器件OP484批次不同外，其他元器件的信息并无差异.

针对该批次与他批次的器件OP484进行了DPA分析、即破坏性物理分析，发现该批次芯片版图、大小与他批次存在明显不一致.复查其电参数，发现在电源电流、开环摆率以及开环电压增益上存在明显差异.

通过开展增益与频率特性测试及分析，确定了14批器件OP484未按照器件手册进行零极点配置.

发生问题后，将热真空电缆换成全功能测试用的测试电缆后进行了测试，两台CES功能性能均正常，说明热真空电缆和未配置零极点器件OP484是故障的必要条件，符合图5中仿真分析条件时才会出现如上所述的异常现象，即理论分析与实际工程中测试现象是吻合的.

4.2 电缆差异性分析

热真空试验时使用的热真空电缆与全功能测试时使用的测试电缆均采用屏蔽导线，但其长度和加工工艺存在差异，对两种电缆进行了性能比对测试，从测试结果看出热真空电缆比测试电缆的电感量大、电阻值和电容值小.

电缆导线电感可根据简化式(6)进行计算：

(6)

式中,L为导线电感，l和d为导线长度和直径.

热真空电缆长度为6 m，直径为0.8 mm的导线，测试电缆采用直径为0.6 mm的导线，因此L热真空≈8.7 μH,L测试≈7.4 μH,两根导线之间的电容值可根据式(7)进行计算：

(7)

式中，C为两根导线间电容值，D、r和l分别为导线间距离、半径和长度.

热真空电缆和测试电缆中屏蔽网与导线线芯之间为导线的绝缘层，0.8 mm和0.6 mm导线绝缘层厚度分别为0.35 mm和0.2 mm，金属屏蔽网的内径通常略大于导线的外径，从式(7)可看出导线间距离对电容值影响很大.

不同生产厂家加工电缆时处理工艺不一样可引起金属屏蔽网与导线线芯间距离差别较大，经查，热真空电缆中导线的金属屏蔽网直径较大，D热真空=1.2 mm 测试电缆中导线的金属屏蔽网直径小，D测试=0.5 mm，因此C热真空≈152 pF,C测试≈272 pF,导线电阻可根据式(8)进行计算：

R=Pl/S

(8)

式中，R为导线电阻，P为电阻率，l和S为导线长度和截面积.

直径为0.8 mm的导线电阻为49.5 Ω/km，直径为0.6 mm的导线电阻为94.2 Ω/km，因此

R热真空=49.5×6=297 mΩ

R测试=94.2×5=471 mΩ

由于电缆在加工过程中存在脱头、焊接等工艺过程，理论分析与实测结果存在一定偏差，但是以上分析计算结果与表2基本吻合.

表2 电缆电容、电感和电阻测试结果

根据测试电缆的实测结果，重新设置图2中器件L2和L1、器件C12和C11，并进行了电路仿真，可以看出，在2.089 6 MHz频点处出现单位增益，相位翻转到15.892°，即相位裕度为15.892°，当相位裕度是正值时，电路本身是稳定的.

4.3 前置放大电路幅频及相频测试

使用任意波形发生器产生0.001～10 MHz频率范围内的正弦波，连接前置放大电路的电信号源输入方波信号UEIN，对异常的CES前置放大电路进行幅频及相频特性测试，在2～4 MHz频率范围内，相位裕度小于5°，电路存在稳定性问题.

在图7中，在频率2.85 MHz附近，出现单位增益和相位裕度为零的情况，电路不稳定，图7的测量结果与图4的仿真结果相似度较高.

图7 频谱测试曲线Fig.7 Test curves of spectrum

从时域波形也同样看出系统存在稳定性问题：前置放大电路输出信号在2～4 MHz频率范围内异常，在3.5 MHz尤为严重.

接下来，使用测试电缆对异常CES前置放大电路进行幅频及相频特性测试，结果与图7基本一致，但时域特性上只在3.5 MHz频点存在异常，他频点正常；使用热真空电缆对另外一台使用不同批次器件OP484的CES进行了测试，所有频点正常.

通过时域的测试结果看出：对于装有14批器件OP484的产品，热真空电缆和测试电缆下测试均会出现波形不稳定现象，其它批次OP484器件的产品不存在类似问题.

电缆和OP484造成电路的幅值和相位裕度为零，同时，在单位增益处相频特性曲线斜率很大，可以将电路锁定在一个稳定频率处，进入自激振荡状态.

4.4 频率补偿分析

对使用14批器件OP484的CES产品进行返修处理，采用频率补偿方法是成本最低的方案之一.

消除自激振荡有两种频率补偿方法，分别是滞后补偿和超前补偿.超前补偿能保证高频特性，但CES前置放大电路工作在低频段，不能采用超前补偿方法.

因此采用电容滞后补偿方法消除自激振荡，为确定电容值大小，对电路进行了仿真分析，分析了3种容值下电路幅频特性和相频特性特性.

补偿电容为10 000 pF时，电路的相位裕度为48°，电路是稳定的，但是电路的频率响应曲线在100～200 Hz时压缩较大，影响产品的工作频率，因此不选用10 000 pF；补偿电容为100 pF时，相位裕度小于零，在180°相移附近的相频特性曲线斜率仍然十分陡峭，与未补偿时基本相当，仍满足振荡器工作条件，因此不选用100 pF；补偿电容为2 200 pF时，电路的相位裕度为47°，电路是稳定的，且幅值和相位在低频段变化不大.

选择补偿电容值时，需要统筹考虑电路的稳定性、增益、相位以及裕度等问题，最终的评价以实际测试及试验结果为准.

为确定频率补偿电容的容值范围，使用5种不同容值的电容进行地线干扰复现试验，试验结果如表3所示.

因此，选用2 200 pF作为补偿电容值.

表3 不同容值补偿电容对应时域测试结果

4.5 测试试验验证

为了验证加入补偿电容后对低频段幅值和相位影响的大小，做了一组地球模拟器条件下的标定测试试验，测出地球姿态角变化量小于0.01°、地球波幅值变化量小于2%，表明补偿电容对CES的相位和幅值的影响可忽略不记.

对返修的CES产品进行了-5 ℃～+50 ℃范围的热真空试验，共进行3次循环，试验过程中对前置放大电路输出信号进行了完整采集，未再出现受干扰进入自激振荡异常现象.

随后，依据标准GJB151A进行了EMC试验(RS103、CS101、CS114、CS115和CS116)，EMC试验结果表明CES产品的传导敏感度和辐射敏感度性能正常，在各种干扰下均不会进入自激振荡状态.

5 结束语

本文通过对CES前置放大电路稳定性问题开展了相关研究，发现稳定性问题与运算放大器参数和电缆参数相关，在幅频及相频测试、仿真分析的基础上提出了电容滞后补偿消除CES前置放大电路自激振荡的方法，该方法具有开销小，对产品性能影响小等特点，并针对该方法设计和开展了地面试验验证，仿真分析与试验测试结果完全吻合，证明仿真分析过程和电容滞后补偿方法有效.

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Analysis on Preamplifier Circuit Stability of theConical Scanning Earth Sensor

TU Zhijun， ZHANG Yi， MEI Zhiwu

(Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China)

The conical earth sensor (CES) is a key measuring instrument of spacecraft． The preamplifier of CES has high gain and low noise characteristics． By simulation analysis, we find out that different parameters of cable and device remarkably affect the circuit’s stability． Based on this, an example of circuit stability problem is presented． To solve this problem, a kind of frequency compensation method is carried out． To confirm this method validity, a series of ground experiments including calibration test, thermal vacuum test and EMC test are designed and performed．

CES； preamplifier circuit； stability

*国家自然科学基金资助项目(51405016).

2015-04-13

V448

A

1674-1579(2015)06-0025-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.06.005

涂智军(1976—)，男，高级工程师，研究方向为光学敏感器设计；张 燚(1987—)，男，工程师，研究方向为光学敏感器设计；梅志武(1970—)，男，研究员，研究方向为光学敏感器设计.