無功負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)如何影響模擬電路中的相移？

本文討論了相移，即電路從輸入端到輸出端引起電壓或電流超前或滯后的效應(yīng)。特別是，我們將關(guān)注無功負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)如何影響電路的相移。無論你是使用振蕩器、放大器、反饋環(huán)路、濾波器等，相移都會產(chǎn)生各種后果。你希望你的反相運(yùn)算放大器電路具有180°相移，相反它返回一個(gè)同相信號，并導(dǎo)致令人沮喪的振蕩問題。探測電路可能會進(jìn)一步改變效果。也許你有一個(gè)諧振腔在一個(gè)振蕩器的反饋回路中使用，但是這個(gè)諧振腔只提供90°的相移，而你需要180°。你必須改變，怎么更換？

反應(yīng)負(fù)荷的相移

頻率相移源于無功元件：電容器和電感器。這是一個(gè)相對量，因此它必須作為兩點(diǎn)之間的相位差給出。在本文中，“相移”指輸出和輸入之間的相位差。據(jù)說電容器的電壓滯后于電流90度，而電感的電流滯后于電壓90度。在相量形式下，這分別由電感和電容電抗中的+ j或-j表示。但在某種程度上，所有導(dǎo)體中都存在電容和電感。那么為什么它們都不會導(dǎo)致90°相移？

所有的相移效應(yīng)都將由RC和RL電路建模。所有電路都可以建模為源，具有一些源阻抗，為電路供電，負(fù)載跟隨電路。源的源阻抗也稱為其輸出阻抗。我發(fā)現(xiàn)最容易談?wù)撦斎牒洼敵鲎杩?，所以換個(gè)說法：所有電路都可以建模為一級輸出，帶有一些輸出阻抗，饋送到現(xiàn)階段，由輸入阻抗加載以下階段。這很重要，因?yàn)樗梢詫?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)簡化為更簡單的RLC電路、濾波器和分壓器看看下面的電路。

圖1.分流前一級的電容和10kΩ負(fù)載。

這將模擬一些輸出阻抗為50Ω的源電路（如放大器），其負(fù)載為10kΩ，并由10 nF電容器分流。這里應(yīng)該清楚的是，該電路基本上是由R1和C1制成的RC低通濾波器。從基本電路分析中了解到，RC電路中的電壓相移將在0°到-90°之間變化，模擬證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖2.并聯(lián)電容器電路輸出的波特圖。

對于低頻，輸出相位不受電容的影響。當(dāng)達(dá)到RC濾波器的截止頻率（f c）時(shí)，相位下降到-45°。對于超過截止頻率的頻率，相位接近-90°的漸近值。該響應(yīng)模擬每個(gè) 并聯(lián) 電容器引起的相移。并聯(lián)電容器將在電阻性負(fù)載上引起0°和-90°之間的相移。當(dāng)然，也要注意衰減。對串聯(lián)電容器（例如，交流耦合電容器）的類似外觀顯示了該配置的典型效果。

圖3.串聯(lián)電容電路

圖4.波特圖

在這種情況下，相移從+ 90°開始，濾波器是高通濾波器。超過截止頻率，我們最終穩(wěn)定到0°。因此，我們看到串聯(lián)電容總是會在+ 90°和0°相移之間產(chǎn)生影響。

共射級放大器

有了這些信息，我們可以將RC模型應(yīng)用于我們想要的的任何電路。例如，這種共射級放大器。

圖5.具有發(fā)射極退化電阻的共射級放大器

該放大器的響應(yīng)平坦至10 MHz左右。

圖6.共射極放大器的波特圖

只有在10 MHz左右之后，我們才能看到相移低于180°的變化，這是我們所期望的，因?yàn)楣舶l(fā)射極配置是一個(gè)反相放大器。忽略早期效應(yīng)，放大器的輸出阻抗為R2 =3kΩ，相當(dāng)高。在輸出端放置一個(gè)并聯(lián)電容器。在這個(gè)階段發(fā)生什么？

圖7.帶并聯(lián)電容的共射極放大器

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)會有53 Hz的截止頻率，低于此頻率應(yīng)該有180°的相移（電容沒有影響），高于此頻率會有180° - 90°= 90°相移（以及很多損失）。模擬證實(shí)了我們的懷疑：

圖8.電容負(fù)載共發(fā)射極放大器輸出的波特

請注意，這相當(dāng)于相位為-180°至-270°。開始看到驅(qū)動容性負(fù)載會導(dǎo)致意外的相位變化，這可能會對未檢測到的反饋放大器造成嚴(yán)重破壞。更常見的情況是在輸出端找到一個(gè)串聯(lián)耦合電容，如下圖所示。

圖9.帶有串聯(lián)交流耦合電容的共射極放大

我改變了電路值并增加了100kΩ的電阻負(fù)載。現(xiàn)在我們有一個(gè)由C1和R3組成的高通濾波器，截止頻率僅為1.6 Hz。我們預(yù)計(jì)相移將在1.6赫茲以下-90°和遠(yuǎn)高于1.6赫茲-180°之間，這一點(diǎn)已通過模擬得到證實(shí)。

圖10.帶有交流耦合電容的CE放大器的波

這對于音頻信號的耦合電容是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)?90°相移區(qū)域（因此衰減）遠(yuǎn)低于10 Hz。這些效應(yīng)不僅限于電容器。電感會產(chǎn)生相反的反應(yīng)：并聯(lián)電感引起0°（低于f c）和+ 90°（遠(yuǎn)高于f c）相移，而串聯(lián)電感引起0°（高于f c）和-90°（低于f）c）相移。但是，我們必須小心，不要產(chǎn)生任何有問題的接地連接，因?yàn)殡姼衅鲗⒃谥绷魈幎搪贰?/strong>

圖11.共射極放大器中的輸出電感。

結(jié)論

我們?yōu)槔斫饽M電路中的相移奠定了基礎(chǔ)。通過將電路輸出視為具有輸出阻抗的源，我們可以有效地模擬無功負(fù)載對電路相位的影響。無源和有源電路都可以通過這種方式建模，為簡單的分析和設(shè)計(jì)提供了有用的工具。