目錄
摘要
本文以某機(jī)器人公司的實(shí)用集電極電路為例,對內(nèi)阻分壓、RC低通混頻、RC聯(lián)發(fā)科混頻、信號相位、信號截至頻度、同向比列放大器、RC電路、Zobel電路等進(jìn)行了詳盡的剖析理解和參數(shù)估算電阻電容并聯(lián)阻抗計算,將模擬電路的多種知識理論和實(shí)踐應(yīng)用融會貫通,可供電子初學(xué)者學(xué)習(xí)了解,同時也能為已從事電子研制設(shè)計者,提供有用的參考和幫助。
序言
前不久,德力威爾王術(shù)平的一個在北京一家機(jī)器人公司做硬件開發(fā)的師父,說她們公司的產(chǎn)品用到了集成運(yùn)算放大器,因而,他問了我一些關(guān)于集成集電極電路剖析以及參數(shù)估算的問題,其中最主要的一個問題就是:“2.5KHZ的方波,被放大了多少倍?”。部份聊天內(nèi)容如圖1-1所示:
圖1-1關(guān)于集成集電極的聊天內(nèi)容
該師父所在機(jī)器人公司實(shí)際產(chǎn)品原理圖(集電極部份),如圖1-2所示:
圖1-2實(shí)際產(chǎn)品原理圖(集電極部份)
俺們電子專業(yè)科班出身的同學(xué)可能要說了,集成集電極,這還不簡單?不就是反向輸入、同相輸入以及差分輸入三種基本放大電路嗎?
沒錯,集成集電極三種基本放大電路分別是反向輸入放大器、同相輸入放大器以及差分輸入放大器,而且這三種電路僅僅是教科書上講的基本電路而已(如圖1-3所示)。
圖1-3三種基本集成放大電路的比較
為何說是基本電路呢?由于教課書(如模擬電子技術(shù)基礎(chǔ))上只是論述基本原理和基本應(yīng)用方式,為想要繼續(xù)深入研究及實(shí)踐的人打下基礎(chǔ)而已,而在實(shí)際電子產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)時,對集成集電極電路的設(shè)計要復(fù)雜的多,其應(yīng)用設(shè)計電路多達(dá)數(shù)百種,如《集成集電極應(yīng)用電路設(shè)計360例》(如圖1-4)一書中,列出了360種集成集電極應(yīng)用電路設(shè)計技巧。
圖1-4《集成集電極應(yīng)用電路設(shè)計360例》參考書
因?yàn)榧杉姌O應(yīng)用電路設(shè)計方式復(fù)雜多變,再加上,在實(shí)際的應(yīng)用電路中,為了提升電磁兼容EMC、信號完整性SI以及電源完整性PI等性能,常常還要降低許多的保護(hù)及混頻電路,這樣一來,造成實(shí)際的集成集電極應(yīng)用電路愈加龐大復(fù)雜,僅靠書本上的基礎(chǔ)知識很難進(jìn)行原理剖析理解和器件參數(shù)估算了。哪怕是一名老模電工程師,當(dāng)碰到某個特殊集電極電路(如微積分電路、多階檢波電路、移相振蕩器等)時,也未能立刻全部看懂,也須要經(jīng)過電路剖析、參數(shù)估算、原理仿真以及測試驗(yàn)證等環(huán)節(jié)后能夠理解把握。
下邊,德力威爾王術(shù)平以師父所在機(jī)器人公司的實(shí)際電路原理圖(圖1-2)為案例進(jìn)行原理剖析和參數(shù)估算,為其解答“2.5KHZ的方波,被放大了多少倍?”之疑惑,也供初學(xué)電子的同事參考學(xué)習(xí)。
第一節(jié)電路剖析及估算
圖1-5集成集電極電路剖析
1.1原理概述
是一個音頻功率放大芯片,也稱音箱。如圖1-5這些聯(lián)接拓?fù)洌瑯?gòu)成了一個同向輸入比列放大電路,實(shí)現(xiàn)放大交流訊號的目的。
輸入端是一個2.5KHz的方波交流輸入訊號,經(jīng)過R2、R4分壓來衰減輸入訊號,經(jīng)過R1、C7低通混頻,再經(jīng)C4、R3聯(lián)發(fā)科混頻,兩級混頻實(shí)現(xiàn)一個帶通混頻電路,同時C4又起到退耦直流耦合交流的作用,交流訊號通過C4耦合到集電極U1的同向輸入端IN+,步入集電極內(nèi)部進(jìn)行放大。
輸出端由R5、R7及C15組成交流負(fù)反饋電路,實(shí)現(xiàn)交流訊號同向比列放大。R6、C10構(gòu)成RC電路,借以清除高頻移相振蕩,遏止瞬態(tài)尖峰電流,D1、D2起到輸出缺相保護(hù)的目的。
1.2分步解析
1.2.1R2、R4分壓電路
圖1-6R2、R4分壓電路
如圖1-6(圖1-5中的①部分),輸入端來自功放的2.5KHZ方波訊號(可以為模擬音頻訊號),R2、R4構(gòu)成份壓電路,拿來衰減輸入的方波訊號,方波訊號幅值衰減到原先的9.09%,其估算過程如下:
1.2.2R1、C7低通混頻電路
圖1-7R1、C7低通混頻電路
1.估算低通混頻訊號截至頻度
如圖1-7(圖1-5中的②部分),R1、C7組成低通混頻電路,其截至頻度fc為15.92KHZ(低于此頻度,訊號幅值衰減到原先70.7%以下,覺得訊號被拒絕通過,高于此頻度,覺得此訊號是可以通過的,所以被稱為RC低通混頻),其估算過程如下:
2.估算低通混頻訊號幅值衰減率
本級電路輸入訊號頻度為2.5KHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于截至頻度15.92KHZ,所以訊號可以通過此電路向左側(cè)輸出,其輸出電流就是C7兩端的電流,而且R1兩端會分壓形成訊號衰減,經(jīng)估算得出,在C7兩端的輸出電流幅值衰減到功放訊號幅值的99.98%,可以覺得幾乎無衰減,其估算過程如下:
(1)估算C7的容抗Xc:
(2)估算R1、C7串聯(lián)電路總阻抗Z:
(3)估算C7分壓百分比:
按照估算結(jié)果來看,對于2.5KHZ的方波輸入訊號,本級RC低通混頻幾乎沒有衰減。
3.估算低通混頻訊號相位
C7的電流Vc相位是滯后于輸入訊號電流Vin的相位的,其相位角滯后0.9°。其估算過程為:
(1)估算輸入訊號電流和輸入訊號電壓之間的相位角:
從上題已知,Xc=63.7KΩ,R=1KΩ,則代入公式求相位角,如下所示:
可見,電路相位角即輸入電流滯后于電壓89.1°。
(2)估算C7的電流和輸入電流之間的相位角:
可見C7輸出電流滯后于輸入電流0.9°,早已很小,幾乎可以忽視。
1.2.3C4、R3驍龍混頻電路
圖1-8C4、R3驍龍混頻電路
1.估算驍龍混頻訊號截至頻度
如圖1-8(圖1-5中的③部分),C4、R3組成驍龍混頻電路,其截至頻度fc為32.88HZ(高于此頻度,訊號幅值衰減到原先70.7%以下,覺得訊號被拒絕通過,低于此頻度,覺得此訊號是可以通過的,所以被稱為RC驍龍混頻),其估算過程如下:
2.估算驍龍混頻訊號幅值衰減率
同樣,功放電路輸入訊號頻度為2.5KHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于截至頻度32.88HZ,所以訊號可以通過此電路向左側(cè)繼續(xù)輸出,其輸出電流就是R3兩端的電流,而且C4兩端會分壓形成訊號衰減,在R3兩端的輸出電流幅值衰減到功放訊號幅值的99.9%,可以覺得幾乎無衰減,其估算過程如下:
(1)估算C4的容抗Xc:
(2)估算R3、C4串聯(lián)電路總阻抗Z:
(3)估算R3分壓百分比:
依照估算結(jié)果來看,對于2.5KHZ的方波輸入訊號,本級RC聯(lián)發(fā)科檢波幾乎沒有衰減。
另外,有R3的存在,雖然外部沒有輸入訊號(輸入端懸空),也能保證集電極輸入為0,輸出也為0。
3.估算聯(lián)發(fā)科混頻訊號相位
R3的電流VR相位是超前于功放訊號電流Vin的相位的,其相位角為超前0.013°。其估算過程為:
(1)估算功放輸入訊號電流和輸入訊號電壓之間的相位角:
從上題已知,Xc=0.289KΩ,R=22KΩ,則代入公式求相位角,如下所示:
可見,電路相位角即功放輸入電流滯后于輸入總電壓0.013°。
(2)估算R4的輸出電流和功放輸入訊號電流之間的相位角:
流過R4的電壓和R4兩端的電流相位是相同的,因?yàn)槭荝C串聯(lián)電路,電壓處處相等,所以R4的電壓和功放輸入訊號總電壓相位相同,這么R4的電流相位和輸入總電壓相位相同,也就可以推出,功放輸入訊號的電流滯后于R4兩端的輸入電流0.013°,也可以說成是R4的輸出超前于輸入訊號電流0.013°。
可見R4輸出電流超前級電流0.013°,早已很小,幾乎可以忽視。
1.2.4R5、R7、C15電流負(fù)反饋電路
圖1-9R5、R7和C15組成的電流負(fù)反饋電路
如圖1-8(圖1-5中的④部分),R5為反饋內(nèi)阻,R7為反向輸入端輸入內(nèi)阻,C15為退耦電容(),C15退耦直流,耦合交流(C15上也會有極小的交流壓降),構(gòu)成交流電流負(fù)反饋回路。該電路的聯(lián)接形式構(gòu)成了一個同相輸入放大器,交流放大倍數(shù)為33.35倍,其估算過程如下:
(1)估算C15的容抗
(2)估算R7、C15的阻抗
可見R7、C15的阻抗近似等于R7內(nèi)阻電阻,這兒c15容抗很小,可以忽視。
(3)估算交流放大倍數(shù)Av:
可求得交流放大倍數(shù)為33.35倍。
1.2.5集電極工作電源電路
圖1-10正負(fù)電源供電電路
集電極U1是一個雙電源芯片,第5腳接正電源+12V,C1、C2旁路正電源噪音,提升正電源電源完整性,第3腳接負(fù)電源-12V,C12、C14旁路負(fù)電源噪音,提升負(fù)電源電源完整性。
C1、C12為有極性旁路電容(),容量大、體積大,對集電極電源引腳外部旁路低頻噪音,對電源引腳內(nèi)部儲能及穩(wěn)壓作用;C2、C14也為無極性旁路電容,容量小、體積小,起到旁路外部高頻噪音,同時也能退耦內(nèi)部因?yàn)殡娫窜壍赖顾斐傻姆聪蜉敵龅母哳l噪音(此集電極內(nèi)部訊號為低頻,所以此處退耦作用不大,主要還是旁路電源外部的高頻噪音)。
1.2.6輸出端RC電路
圖1-11RC電路
如圖1-11(圖1-5中的⑥部分),C10、R6串聯(lián)后把輸出端和地連在一起,組成一個RC電路,也就是RC緩沖(吸收)電路。其作用是增加諧振頻度f0,穩(wěn)定頻度,減小諧振減振系數(shù)ζ,防止高頻移相振蕩,增加諧振電流VL(VC),縮減高頻尖峰,遏止瞬態(tài)浪涌電流,降低EMI電磁干擾,保護(hù)元件不被毀壞;電容C通高阻低,濾高頻,內(nèi)阻R拿來消耗高頻能量。
1.瞬態(tài)尖峰電流形成的機(jī)理和害處
經(jīng)過放大的訊號,從集電極輸出端輸出,經(jīng)PCB導(dǎo)線或其他導(dǎo)線聯(lián)接到后級的負(fù)載,由光耦輸出端、連接導(dǎo)線以及負(fù)載等組成的電路網(wǎng)路存在寄生的串聯(lián)電感Lp、寄生的串聯(lián)電容Cp以及寄生的串聯(lián)內(nèi)阻Rp,這個電路網(wǎng)路就構(gòu)成了一個等效RLC串聯(lián)電路,如圖1-12所示:
圖1-12等效RLC串聯(lián)電路
在驅(qū)動端忽然輸出或中斷以及負(fù)載端熱拔插過程中,訊號的瞬態(tài)變化(上升沿Tr、下降沿Tf小)時,會形成頻度范圍很寬的紋波份量(電感電容相互交換能量所致),這種紋波就成為了EMI干擾,其干擾頻度的最高頻率,我們稱之為EMI帶寬,其估算公式如下:
式中,f為EMI最高頻率(帶寬),單位HZ;0.35為系數(shù);Tr為訊號上升沿,單位S。
頻度范圍很寬的紋波中的某個頻度,很大機(jī)率將成為所在電路的諧振頻度,會造成RLC網(wǎng)路發(fā)生串聯(lián)諧振,在電感和電容兩端將形成過沖電流(超過電流源許多的瞬態(tài)尖峰電流),這是串聯(lián)諧振的特有現(xiàn)象,所以也叫電流諧振。電容電流和電感電流高到哪些程度呢?與諧振電路的品質(zhì)質(zhì)數(shù)有關(guān),品質(zhì)質(zhì)數(shù)又稱Q值,Q值估算公式有好多種,如下所示:
式中,Q為品質(zhì)質(zhì)數(shù),無量綱,無單位;U為電源電源,單位V;VL、Vc分別為電感電流和電容電流,單位是V;R為串聯(lián)內(nèi)阻,單位是Ω;C為串聯(lián)電容,單位F;W0為諧振角頻度,單位rad/s,w0=2πf0;f0為為諧振頻度,單位hz;L為串聯(lián)電感,單位H。
從式1-1可以看見,VL=VC=QU,也即是電感電流和電容電流與品質(zhì)質(zhì)數(shù)成反比。諧振電路的Q值通常是小于1的,Q值越大,電感電流、電容電流就越大,將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電源電流。
這種遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電流的諧振電流,就產(chǎn)生了振蕩過沖尖峰電流,對電路導(dǎo)致電磁干擾和缺相受損。
2.RC電路的作用
為了有效降低這些諧振過沖電流帶來的害處,增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計的魯棒性,就須要在電路中加入緩沖、抑止及保護(hù)電路,RC就是其中的一種。
式中,ζ為減振系數(shù),無量綱,無單位;R為串聯(lián)內(nèi)阻,單位Ω;C為串聯(lián)電容,單位F;L為串聯(lián)電感,單位H。
這么,怎么設(shè)計RC電路呢?加入RC電路的目的就是避免串聯(lián)諧振,因而遏止電感、電容上形成的諧振高壓。按照RLC二階電路減振系數(shù)公式(如式1-2),我們曉得,減振系數(shù)ζ=1為臨界減振,ζ>1過減振,ζ
從上式可知,減小內(nèi)阻R或電容C,減少電感L的值都能降低減振系數(shù),假如電感L越大,內(nèi)阻R和電容C越小的話,減振系數(shù)就大大的大于1了,品質(zhì)質(zhì)數(shù)Q就越大,諧振電流就越高。在實(shí)際工程中,常常導(dǎo)線寄生內(nèi)阻Rp和寄生電容Cp較小,寄生電感Lp較大,假如負(fù)載是感性負(fù)載的話,那整個等效串聯(lián)電感就更大,減振系數(shù)就更小,品質(zhì)質(zhì)數(shù)Q值就越高,在電容、電感上形成的諧振高壓就更大,所形成的害處就越大。
所以,我們要加入RC電路,減小RLC串聯(lián)電路中的R和C的值,繼而減小減振系數(shù),避免高頻諧振,遏止諧振高壓。
3.怎樣設(shè)計RC電路
因?yàn)殡娐繁旧順?gòu)成了等效串聯(lián)RLC電路,在訊號突變時,會形成諧振電流,我們在原電路上再加上一個RC電路,因而減小原RLC等效串聯(lián)電路中的R和C的值,增加了諧振頻度(從式1-4可以看出),因而減小減振系數(shù)(從式1-3可以看出),避免高頻諧振,遏止高壓。新增RC電路如圖1-13所示:
圖1-13新增的RC改變原有的RLC電路
如圖1-13,我們將RC阻容元件先串聯(lián)上去,之后并接在被保護(hù)端口,由Rp、Lp、Rs、Cs和負(fù)載組成新的RLC回路。
在實(shí)際工程設(shè)計中,由于寄生參數(shù)Rp、Cp、Lp常常無法確定,一般無法從理論起來精確剖析設(shè)計緩沖器(包括人工估算或軟件仿真),所以經(jīng)驗(yàn)方式愈加實(shí)用。
下邊我們采用初略計算加實(shí)測調(diào)整的方式,來設(shè)計一個合理的RC電路。
原RLC等效串聯(lián)電路中的寄生參數(shù)Rp、Cp、Lp常常與驅(qū)動端、負(fù)載端以及電路走線寬度、寬度、厚度及參考環(huán)境密切相關(guān),難以精確估算,在這兒,我們以1OZ銅厚,0.254mm厚度,200mm厚度的PCB表層走線為例進(jìn)行計算:
(1)假定驅(qū)動端以及負(fù)載端呈阻性,其寄生電感、電容、電阻特別小,在此先忽視。
(2)計算Lp的值:200mm的PCB走線,計算結(jié)果:Rp≈0.38R,Cp≈26pF,Lp≈60nH。因?yàn)檫@兒Rp、Cp很小,另外我們在新增的RC電路中還要降低Rs和Cs,所以在此忽視Rp和Cp。并且Lp最重要,不能省略,所以這兒Lp≈60nH。
(3)計算Cs的值:RC電路中的Cs取值:取值過大,阻抗變低,正常交流訊號遭到衰減,并且大電容容積也較大,引腳ESL較大,致使減振系數(shù)變低,Q值變高,諧振電流變高;取值過小,減振系數(shù)變低,Q值變高,諧振電流變高,所以業(yè)界經(jīng)驗(yàn)值為0.1uF~1uF之間的無極性貼片陶瓷電容最為合適。在這兒,我們選0.1uf的貼片陶瓷電容。
(4)計算Rs的值:從式1-3可以推導(dǎo)入式1-5:
R越小于左邊,減振系數(shù)ζ就越小于1,品質(zhì)質(zhì)數(shù)Q(見式1-1)就越小,就越能減少諧振電流、抑止尖峰,將L=60nH,C=0.1uF代入上式:
求得Rs>1.2Ω。因?yàn)槲覀冊诤竺婧鲆暳藢?dǎo)線寄生內(nèi)阻Rp,所以這兒可以取Rs≈1Ω。
(5)計算新的RLC串聯(lián)諧振頻度:
(6)估算發(fā)生RLC串聯(lián)諧振時的諧振電流:
求品質(zhì)質(zhì)數(shù)Q:
求諧振電流VL、Vc:
依據(jù)公式
可得:
可見,諧振電流被遏止到電源電流的10%。
(7)參數(shù)實(shí)測調(diào)整
通過以上計算,我們可以得到RC電路的設(shè)計參數(shù),這兒匯總一下:
內(nèi)阻Rs取值1歐姆,電容Cs取值0.1uF,諧振頻度fs為20.67MHz,諧振電流VL(Vc)為電源電流的10%。不過這兒的前提條件是,原電路寄生的串聯(lián)等效電感我們計算的是Lp=60nH,以及原電路寄生電容Cp和寄生內(nèi)阻Rp被忽視,非常是等效串聯(lián)電感Lp,影響最大,在實(shí)際的工程電路中,肯定會或高或低、有所不同。
我們來預(yù)估一下實(shí)際工程中的三種情況:
第一種情況,實(shí)際應(yīng)用電路Lp比60nH更小,這么諧振頻度更高,品質(zhì)質(zhì)數(shù)更低,減振系數(shù)更大,諧振電流更低,所以實(shí)際的RC尖峰吸收療效更好;
第二種情況,實(shí)際應(yīng)用電路Lp比60nH大,大多少呢?我們以小于100倍為例來計,也就是以Lp=6uH來計,這么諧振頻度增加10倍,為2.;品質(zhì)質(zhì)數(shù)提升10倍,為0.77;減振系數(shù)更小;諧振電流減小10倍,為電源電流的77%;也就是實(shí)際的尖峰比電源電流還低,也能達(dá)到挺好的尖峰吸收療效。
第三種情況,若果負(fù)載是感性負(fù)載電阻電容并聯(lián)阻抗計算,假定其電感量為我們原先計算的10000倍來計,也即是Lp=0.6mH來計,這么諧振頻度增加100倍,為0.;品質(zhì)質(zhì)數(shù)提升100倍,為7.7;減振系數(shù)縮小100倍,諧振電流減小100倍,為電源電流的7.7倍,此時就形成了比電源電流大數(shù)倍的尖峰電流。由此可見,電感量越大尖峰電流越高。所以假如負(fù)載為感性,如電動機(jī)、變壓器之類的,須要重新設(shè)計RC電路,重新調(diào)整Rs和Cs的值。
其實(shí),先計算電路參數(shù),等產(chǎn)品樣機(jī)下來后,借助訊號發(fā)生器、示波器等工具進(jìn)行實(shí)測,依照實(shí)測結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,最終得到一個確切實(shí)用的RC電路。
4、RC與Zobel的區(qū)別
圖1-14RC電路
本文早已對RC的作用、設(shè)計方式作了詳盡闡發(fā)。如圖1-14所示,一個內(nèi)阻和一個電容C就組成了一個RC電路,RC電路用于增加諧振頻度,遏止高頻諧振,緩沖吸收瞬態(tài)浪涌尖峰電流,降低EMI電磁干擾,保護(hù)元件不被高壓擊穿毀壞。
Zobel電路與RC電路的聯(lián)接拓?fù)湎嘞瘢缬覉D1-15所示:
圖1-15Zobel茹貝爾網(wǎng)路電路
可見,Zobel電路也是由一個內(nèi)阻R和一個電容C組成,但它和RC作用有所不同。
喇叭阻抗均衡電路,俗稱為Zobel,英文譯為茹貝爾網(wǎng)路。Zobel是一個串聯(lián)內(nèi)阻電容(R-C)網(wǎng)路,多用于與低頻音響并聯(lián),以抵消耳機(jī)音圈電感L的影響,由于音響的音圈本身就是一個電感器,所以麥克風(fēng)的阻抗隨著頻度的降低而降低,如同電感器一樣,茹貝爾電路串聯(lián)內(nèi)阻電容來抵消由電感檢波造成的音圈阻抗上升,使耳機(jī)近似為一個純內(nèi)阻負(fù)載,以提高低基頻應(yīng),提高畫質(zhì)。
茹貝爾電路參數(shù)估算如圖1-15中的公式,式中,Rz為茹貝爾串聯(lián)阻值,單位Ω;Re為喇叭的直流內(nèi)阻,單位Ω;Cz為茹貝爾串聯(lián)電容,單位F;Le為耳機(jī)音圈電感,單位H。除此之外,美國還有許多網(wǎng)站有在線的茹貝爾電路參數(shù)估算器。你們可以依據(jù)公式或估算器很便捷的設(shè)計出所須要的茹貝爾電路。
1.2.7D1、D2缺相保護(hù)電路
如圖1-5中的⑧部分,由D1、D2組成一個鉗位電路,對集電極輸出端起到缺相保護(hù)。D1陽極連到集電極輸出端,陰極連到正電源+12V,將輸出電流鉗位到12.7V;D2陽極聯(lián)接負(fù)電源-12V,陰極連到集電極輸出端,將輸出電流鉗位到-12.7V;D1、D2將輸出電流限制在-12.7V~+12.7V之間,保護(hù)功放集電極以及后級負(fù)載不被缺相損毀。
1.2.82.5KHz的方波被放大了多少倍
通過以上電路的剖析理解和估算,我們對該實(shí)用電路的工作原理有了深入的理解,這么我們最后來算一算,2.5KHz的方波被同相比例放大器放大了多少倍?
(1)輸入訊號被R2、R4分壓電路衰減到9.09%;
(2)輸入訊號接著被R1、C7低通混頻衰減到99.98%;
(3)輸入訊號又被C4、R3驍龍混頻衰減到99.9%;
(4)輸出訊號被R5、R7、C15組成的負(fù)反饋電路放大了33.35倍。
總的交流電流放大倍數(shù)為:
交流電流放大后的相位:
輸入訊號被R1、C7低通混頻電路滯后了0.9°,又被C4、R3驍龍混頻超前了0.013°,總的電流滯后了約0.9°,在此,幾乎可以忽視不計。
結(jié)語
2.5KHz的方波訊號被同相比例放大器放大了3.04倍,相位幾乎不變。