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電路波特圖與極點、零點介紹

發(fā)布時間:2020-12-10 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】從放大器失調(diào)電壓、偏置電流、共模抑制比,電源抑制比到開環(huán)增益,在直流或者低頻率范圍內(nèi),影響放大器信號調(diào)理的參數(shù)已經(jīng)介紹完成。期間沒有單獨介紹基礎(chǔ)理論,默認諸位工程師已經(jīng)掌握同相、反相等基礎(chǔ)放大電路,“虛短、虛斷”等放大器基礎(chǔ)特性,以及基爾霍夫、諾頓等電路分析基礎(chǔ)。
 
從放大器失調(diào)電壓、偏置電流、共模抑制比,電源抑制比到開環(huán)增益,在直流或者低頻率范圍內(nèi),影響放大器信號調(diào)理的參數(shù)已經(jīng)介紹完成。期間沒有單獨介紹基礎(chǔ)理論,默認諸位工程師已經(jīng)掌握同相、反相等基礎(chǔ)放大電路,“虛短、虛斷”等放大器基礎(chǔ)特性,以及基爾霍夫、諾頓等電路分析基礎(chǔ)。但是在介紹增益帶寬積、相位裕度與增益裕度,輸入阻抗特性、輸出阻抗特性、容性負載驅(qū)動能力等參數(shù)之前,筆者考慮再三決定增加本篇內(nèi)容,回顧分析這些參數(shù)的方式——波特圖。以及極點與零點在波特圖中的性質(zhì)。后續(xù)相關(guān)參數(shù)的解析中將直接使用本篇內(nèi)容的零點、極點的特性。
 
交流信號處理電路中,信號的頻率范圍較寬,從赫茲級到千赫茲,甚至兆赫茲級,信號增益涵蓋幾十倍到千、萬倍。此時常常使用波特圖縮短坐標擴大視野,方便數(shù)據(jù)分析。波特圖由幅頻波特圖、相頻波特圖兩部分組成。幅頻波特圖表示電壓增益隨頻率的變化情況,其中 Y 軸為電壓增益的對數(shù)形式(20lgG),X 軸為頻率或者頻率的對數(shù)形式 lgf。相頻波特圖是相位(θ)隨頻率的變化情況。Y 軸是相位,X 軸為頻率。
 
以直流增益為 100dB 的單極點系統(tǒng)為例,幅頻波特圖如圖 2.89(a),X 軸是 Hz 為單位的頻率,Y 軸是以 dB 為單位的增益。信號頻率小于 100Hz 時,電路增益為常數(shù) 100dB,信號頻率高于 100Hz 時,電路增益隨信號頻率增加而下降,速度為 -20dB/ 十倍頻,或者 -6dB/ 倍頻。在 100Hz 處電壓增益出現(xiàn)轉(zhuǎn)折該處稱為極點。極點處的增益下降 3dB。
 
電路波特圖與極點、零點介紹
圖 2.89 100dB 增益單極點系統(tǒng)波特圖示例
 
如圖 2.89(b),相頻波特圖:X 軸是以 Hz 為單位的頻率,Y 軸是以度為單位的相位。初始相位是 0°,極點 fp 處的相位是 -45°。在 0.1 倍 fp 至 10 倍 fp 范圍內(nèi),相位從 -5.7°變?yōu)?-84.3°,變化速度為 -45°/ 十倍頻。頻率高于 10KHz 的相位是 -90°。
 
真實電路中,單極點電路由一階 RC 電路組成。如圖 2.90,電阻 R1 為 100Ω,電容 C1 為 1μf,傳遞函數(shù)為式 2-57。
 
電路波特圖與極點、零點介紹
 
式中:
 
電路波特圖與極點、零點介紹
 
將 R1,C1 參數(shù)帶入式 2-60 式,計算 fp 為 1.59KHz。
 
 電路波特圖與極點、零點介紹
圖 2.90 RC 單極點電路
 
使用 LTspice 對 RC 電路進行 AC 分析,結(jié)果如圖 2.91。信號頻率小于 100Hz 時電容 C1 相當于斷路,電路增益為 0dB。到達極點頻率 1.596KHz 時,增益電路為 -3.025dB,其對應(yīng)相位是 -45°。頻率大于 1.596KHz 時,電容的阻抗與頻率成反比,增益按每十倍頻衰減 20dB。159.63Hz 時相位是 -5.86°,15.96KHz 時相位是 -84.55°。
 
電路波特圖與極點、零點介紹
圖 2.91 單極點 RC 電路波特圖 AC 分析結(jié)果
 
單零點系統(tǒng)的幅頻波特圖,如圖 2.92(a)。X 軸是以 Hz 為單位的頻率,Y 軸是以 dB 為單位的增益。頻率小于 100Hz 時,增益為 0dB。頻率高于 100Hz 時,增益隨頻率增加而上升,速度為+20dB/ 十倍頻,或者+6dB/ 倍頻。在 100Hz 處增益出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點,稱為零點。在零點頻率處的實際增益相比直流增益增加 3dB。
 
電路波特圖與極點、零點介紹
圖 2.92 單零點系統(tǒng)波特圖示例
 
如圖 2.92(b)為相頻波特圖,X 軸是以 Hz 在為單位的頻率,Y 軸以度為單位的相位。初始相位是 0°,在零點 fz 頻率處相位是+45°。在 0.1 倍 fz 至 10 倍 fz 范圍內(nèi),相位從+5.7°到+84.3°,以+45°/ 十倍頻變化。頻率高于 10KHz 的相位是+90°。
 
需要注意實際電路中不存在單零點電路,如圖 2.93,是包含一個極點與一個零點的電路,傳遞函數(shù)為式 2-61。
 
電路波特圖與極點、零點介紹
 
其中,電路的直流增益為式 2-62,極點頻率為式 2-63,零點頻率為式 2-64。
 
 電路波特圖與極點、零點介紹
 
將圖 2.93 中 R1、R2、C1 參數(shù)分別代入式 2-63 計算極點頻率為 159.15Hz,代入式 2-64 計算零點頻率為 16.07KHz,代入式 2-62 計算直流增益為 -40.086dB。
 
電路波特圖與極點、零點介紹電路波特圖與極點、零點介紹
圖 2.93 零點 - 極點組合電路系統(tǒng)
 
AC 分析結(jié)果如圖 2.94,在低頻段 C1 相當于斷路,電路的增益為 R1 與 R2 分壓產(chǎn)生,即增益為 -40.057dB,初始相位為 0°。隨著頻率的增加產(chǎn)生相移,當頻率達到 161.4515Hz 的零點(fz)頻率處,相位是+45°電路增益為 -37.14dB。當頻率超過零點頻率時,電路增益以+20dB/ 十倍頻變化。
 
頻率達到極點(fP)16.17KHz 時,電路增益為 -2.996dB。頻率高于極點頻率時,增益的變化為 -20dB/ 十倍頻,抵消高于零點頻率的增益變化。由于零點位于 161.4515Hz,其相位是+45°,零點十倍頻處(1.59KHz)的相位接近 80°。而極點頻率為 16.17KHz,從 1.617KHz 處開始,相位以 -45°/ 十倍頻變化,所以極點處相位是+45°。
 
頻率高于 200KHz,C1 相當于短路電路增益為 0dB,其相位為 0°。
 
電路波特圖與極點、零點介紹
圖 2.94 零點 - 極點組合電路 AC 分析結(jié)果
 
在波特中圖每出現(xiàn)一個極點,電路的幅頻特性就會在極點頻率之后,增益會按照 20dB/ 十倍頻率衰減。在極點頻率前后各十倍頻率范圍內(nèi),相位減少 90°。在《放大器開環(huán)增益參數(shù)仿真》中,通過開環(huán)增益與頻率圖可以看到通常放大器內(nèi)部至少具有一個極點。所以它會在使用增益帶寬積參數(shù)中會體現(xiàn)對指定閉環(huán)增益的帶寬評估時產(chǎn)生影響。
 
更重要的是使用相位裕度或增益裕度參數(shù)評估電路穩(wěn)定性;在跨阻放大電路中結(jié)合放大器輸入阻抗特性參數(shù)與傳感器等效電容評估電路穩(wěn)性;在輸出阻抗特性分析,尤其是放大器驅(qū)動容性負時電路穩(wěn)定性分析,不外乎是由于電路中極點數(shù)量增加導(dǎo)致電路不穩(wěn)定,甚至振蕩。改善的方法是在電路中增加一個零點進行補償。后續(xù)文章將針對上述參數(shù)進行具體分析。
 
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