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了解模拟电路中的相移

Sam Gallagher 2019-07-05

本文讨论了相移,即电路从输入端到输出端引起电压或电流超前或滞后的效应。特别是,我们将关注无功负载和网络如何影响电路的相移。无论你是使用振荡器、放大器、反馈环路、滤波器等,相移都会产生各种后果。你希望你的反相运算放大器电路具有180°相移,相反它返回一个同相信号,并导致令人沮丧的振荡问题。探测电路可能会进一步改变效果。也许你有一个谐振腔在一个振荡器的反馈回路中使用,但是这个谐振腔只提供90°的相移,而你需要180°。你必须改变,怎么更换?UFv电子头条

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反应负荷的相移UFv电子头条

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频率相移源于无功元件:电容器和电感器。这是一个相对量,因此它必须作为两点之间的相位差给出。在本文中,“相移”指输出和输入之间的相位差。据说电容器的电压滞后于电流90度,而电感的电流滞后于电压90度。在相量形式下,这分别由电感和电容电抗中的+ j或-j表示。但在某种程度上,所有导体中都存在电容和电感。那么为什么它们都不会导致90°相移?UFv电子头条

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所有的相移效应都将由RC和RL电路建模。所有电路都可以建模为源,具有一些源阻抗,为电路供电,负载跟随电路。源的源阻抗也称为其输出阻抗。我发现最容易谈论输入和输出阻抗,所以换个说法:所有电路都可以建模为一级输出,带有一些输出阻抗,馈送到现阶段,由输入阻抗加载以下阶段。这很重要,因为它可以将复杂的网络简化为更简单的RLC电路、滤波器和分压器看看下面的电路。UFv电子头条

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图1.分流前一级的电容和10kΩ负载。UFv电子头条

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这将模拟一些输出阻抗为50Ω的源电路(如放大器),其负载为10kΩ,并由10 nF电容器分流。这里应该清楚的是,该电路基本上是由R1和C1制成的RC低通滤波器。从基本电路分析中了解到,RC电路中的电压相移将在0°到-90°之间变化,模拟证实了这一点。UFv电子头条

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图2.并联电容器电路输出的波特图。UFv电子头条

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对于低频,输出相位不受电容的影响。当达到RC滤波器的截止频率(f c)时,相位下降到-45°。对于超过截止频率的频率,相位接近-90°的渐近值。该响应模拟每个 并联 电容器引起的相移。并联电容器将在电阻性负载上引起0°和-90°之间的相移。当然,也要注意衰减。对串联电容器(例如,交流耦合电容器)的类似外观显示了该配置的典型效果。UFv电子头条

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图3.串联电容电路UFv电子头条

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图4.波特图UFv电子头条

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在这种情况下,相移从+ 90°开始,滤波器是高通滤波器。超过截止频率,我们最终稳定到0°。因此,我们看到串联电容总是会在+ 90°和0°相移之间产生影响。UFv电子头条

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共射级放大器UFv电子头条

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有了这些信息,我们可以将RC模型应用于我们想要的的任何电路。例如,这种共射级放大器。UFv电子头条

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图5.具有发射极退化电阻的共射级放大器(偏置未显示)UFv电子头条

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该放大器的响应平坦至10 MHz左右。UFv电子头条

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图6.共射极放大器的波特图 UFv电子头条

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只有在10 MHz左右之后,我们才能看到相移低于180°的变化,这是我们所期望的,因为共发射极配置是一个反相放大器。忽略早期效应,放大器的输出阻抗为R2 =3kΩ,相当高。在输出端放置一个并联电容器。在这个阶段发生什么?UFv电子头条

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图7.带并联电容的共射极放大器UFv电子头条

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根据经验,预计会有53 Hz的截止频率,低于此频率应该有180°的相移(电容没有影响),高于此频率会有180° - 90°= 90°相移(以及很多损失)。模拟证实了我们的怀疑:UFv电子头条

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图8.电容负载共发射极放大器输出的波特图UFv电子头条

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请注意,这相当于相位为-180°至-270°。开始看到驱动容性负载会导致意外的相位变化,这可能会对未检测到的反馈放大器造成严重破坏。更常见的情况是在输出端找到一个串联耦合电容,如下图所示。UFv电子头条

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图9.带有串联交流耦合电容的共射极放大器UFv电子头条

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我改变了电路值并增加了100kΩ的电阻负载。现在我们有一个由C1和R3组成的高通滤波器,截止频率仅为1.6 Hz。我们预计相移将在1.6赫兹以下-90°和远高于1.6赫兹-180°之间,这一点已通过模拟得到证实。UFv电子头条

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图10.带有交流耦合电容的CE放大器的波特图UFv电子头条

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这对于音频信号的耦合电容是一个很好的选择,因为-90°相移区域(因此衰减)远低于10 Hz。这些效应不仅限于电容器。电感会产生相反的反应:并联电感引起0°(低于f c)和+ 90°(远高于f c)相移,而串联电感引起0°(高于f c)和-90°(低于f)c)相移。但是,我们必须小心,不要产生任何有问题的接地连接,因为电感器将在直流处短路。UFv电子头条

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图11.共射极放大器中的输出电感。该系列电感器对低频电路的影响很小。高频可能不是那么幸运。UFv电子头条

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结论UFv电子头条

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我们为理解模拟电路中的相移奠定了基础。通过将电路输出视为具有输出阻抗的源,我们可以有效地模拟无功负载对电路相位的影响。无源和有源电路都可以通过这种方式建模,为简单的分析和设计提供了有用的工具。UFv电子头条