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无功负载和网络对模拟电路相移的影响

Sam Gallagher 2019-07-15

本文将讨论相移,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,将关注无功负载和网络如何影响电路相移。我们将专门研究相移如何影响其他完全可靠的运算放大器以及如何在某些谐振网络拓扑中使用无功元件。 sbp电子头条

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缓冲器上的电容负载sbp电子头条

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在上一篇文章中看到了如何对电路中的无功元件引起的相移进行建模。现在,让我们将迄今为止学到的内容应用到运算放大器电路中。下面是一个作为简单的缓冲器的运算放大器。 sbp电子头条

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图1.使用LF411运算放大器的基本缓冲器或“电压跟随器”。sbp电子头条

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在相位开始下降之前,响应均匀且平坦,达到1 MHz。sbp电子头条

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图2.LF411电压跟随器的输出响应。它开始在大约4 MHz处衰减信号。sbp电子头条

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该电路依赖于负反馈(同相输出到反相输入),-180°相移使负反馈变为正反馈(180°相移输出到反相输入)。让我们尝试用电容器加载电路。sbp电子头条

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图3.使用缓冲器驱动非常大的电容负载。sbp电子头条

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如果运算放大器具有电阻输出阻抗,对于此运算放大器(LF411)的单位增益大约为0.1—10Ω,我们预计该电容器会在截止频率以上产生-90°相移。让我们看看发生了什么。 sbp电子头条

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图4.电容恶性的证据:放大器正在振荡!sbp电子头条

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那看起来很糟糕。振幅响应具有共振峰值,相位快速降至-180°,这是一个完美的振荡。必须至少有三个电容(电感不太可能)导致这些响应的变化。有了怀疑,我们可以通过电路并追踪导致问题的确切原因。sbp电子头条

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无功网络实现相移sbp电子头条

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相移在反馈网络、谐振网络和振荡器等电路中变得尤为重要。我们可能希望在电路中进行90°相移以有意地控制相位。很简单,我们可以添加一个电容器(或者用于冒险的电感器)分流输出并查看它们的位置。实际上,我们可能不希望在负载上只有 90°相移。也许我们想要180°。再加一个电容?sbp电子头条

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图5.无意中尝试创建180°相移sbp电子头条

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这不起作用,两个并联电容器只是形成一个等效电容器。它们都具有相同的电压,因此它们不能同时产生不同的滞后量。我们需要更有创意。实现这种效果的一种方法是使用几级RC滤波器。但是更理想的途径可以是用一个或多个电抗元件分离电容器,如下面电路所示。 sbp电子头条

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图6.该电路在谐振时应具有180°相移。sbp电子头条

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该电路是一个低通滤波器,它的谐振频率与1μF电容和0.5μH电感(或带有1μH电感的0.5μF电容)组成的谐振网络相同。 sbp电子头条

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图7.CLC网络的波特图显示出良好的共振和快速变化的相位。sbp电子头条

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从响应和相移看,电路的行为类似于RC滤波器,源电阻和两个电容并联,在谐振峰值前不久达到-90°。然后共振峰出现,并且相位快速下降到-270°(三个无功元件的最大相移)。正好在共振时,相移是所需的180°。该电路用作Colpitts振荡器中的谐振元件,Hartley振荡器采用电感器电容器电感器变型。通常,电路将如图8所示绘制。 sbp电子头条

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图8.CLC电路的替代图,通常见于Colpitts振荡器原理图。sbp电子头条

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虽然它可能会略微混淆元件的用途,但如图8所示绘制元件会给出单个共振元件的外观。一个带有谐振网络的Colpitts振荡器的例子如图9所示。 sbp电子头条

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图9.Colpitts振荡器的典型图sbp电子头条

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最后两个例子引入了一点共鸣。因为谐振元件取决于无功元件提供相移的能力,所以可以说明关于谐振电路中的相位的更多信息。sbp电子头条

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模拟谐振回路sbp电子头条

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当电感器的电抗和电容器的电抗相等时,串联LC电路就会发生共振。此时,电感和电容共享相同的电流;电感器理想情况下提供+ 90°(超前)电压相移,而电容器提供理想的-90°(滞后)电压相移,这意味着电路两端的电压相位相差0°(无电压降,短路)。类似的效果产生LC谐振回路。但正如我们现在所知,当正确设置源或负载阻抗时,电容器和电感器仅提供+/- 90°相移。以这个谐振回路为例。 sbp电子头条

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图10.一个简单的谐振回路,由1Ω输出阻抗供电。sbp电子头条

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源阻抗仅为1Ω,负载为10kΩ。回路应在5 kHz时共振。我们可以通过应用输入步骤并寻找振幅来测试共振。模拟结果如下。 sbp电子头条

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图11.回路的响应有阻尼而不允许任何振幅,这在许多情况下是理想的。sbp电子头条

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回路似乎没有太多振幅。原因在于源阻抗,由于我们的L和C值太低,我们希望我们的电容器和电感器能够在谐振频率下快速地来回交换能量,但因为谐振回路Q因子太低,效果会受到抑制。sbp电子头条

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有几种方法可以理解这一点。在相移的背景下,我们可以提出以下解释。仅看源阻抗和电容,我们发现它们形成一个截止频率为160 kHz的低通RC滤波器。相反,源阻抗和电感形成RL高通滤波器,截止频率为160 Hz。如果我们同意谐振回路的行为取决于元件提供的相移(电容器相移-90°电压相移,电感器+ 90°电压相移),那么阻尼的原因就变得明显了。sbp电子头条

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RC低通滤波器将提供高于其截止频率的-90°相移,RL高通滤波器将提供低于其截止频率的+ 90°相移。对于RL滤波器而言,5kHz的谐振频率太高而不能提供正相移,而对于RC滤波器而言太低以提供负相移。通过这种方式推理,我们通过改变L和C的值(减小电感和增加相等的电容)或改变源阻抗来诱导电路振幅。增加源阻抗具有所需的效果。 sbp电子头条

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图12.源阻抗为100Ω时,回路振幅为5 kHz。sbp电子头条

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如期望的那样,回路周期为0.2毫秒(相当于5千赫的共振频率)。sbp电子头条

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总结sbp电子头条

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本文仔细研究了模拟电路的相移。我们的主题通过了各种电路:放大器、滤波器、谐振回路和振荡器。电容器和电感器总是会引起相移,但效果会受到源阻抗和负载阻抗的影响。在这里,我们主要假设源阻抗和负载阻抗是电阻的。但是,始终存在电抗元件。为了分析电路中的无功元件,我们应该考虑为元件供电电路的输出阻抗以及电路的输入阻抗。当我们想要一个电路以一种特定的方式工作时,我们可以利用对相移的直觉来指导我们,推动我们朝正确的方向前进。sbp电子头条