解釋波特圖中的相位

2021-01-09

電抗電路需要仔細分析，以確定它們如何與不同頻率的信號相互作用。在用于理解電抗電路的各種工具中，主要工具是波特圖。這個(gè)簡(jiǎn)單的圖只是對數刻度上電路的傳遞函數，但是此圖的兩個(gè)部分告訴您有關(guān)信號行為的重要信息。

在濾波器或放大器中，波特圖中的相位曲線(xiàn)表示輸入信號與輸出信號之間的分離，當我們考慮電路中反饋的作用時(shí)，這一點(diǎn)變得非常重要。然而，在波特圖中，相位的一個(gè)經(jīng)常未被考慮的方面是它對穩定性的影響，這在負反饋放大器中會(huì )出現。為了更好地了解Bode圖中的相位對您的電路的影響，讓我們簡(jiǎn)要分析這些系統，并展示如何在Bode圖中的相位曲線(xiàn)中確定重要的數量。

波特圖中的重要相位點(diǎn)

一個(gè)波特圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)顯示在一些重要的信息傳遞功能的線(xiàn)性時(shí)不變（LTI）系統。簡(jiǎn)而言之，可以使用伯德圖總結任何LTI系統的頻率響應。人們在Bode圖中找到的信息取決于以下幾個(gè)因素：

電路類(lèi)型：濾波器和放大器相似，但根據電路拓撲以及是否使用有源元件，可能會(huì )產(chǎn)生略有不同的影響。

反饋的存在：如果電路中存在反饋，則電路可能過(guò)渡到不穩定狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)查看波特圖的大小和相位來(lái)確定這一點(diǎn)。

極點(diǎn)或零點(diǎn)的存在：這些頻率分別在波德圖幅值曲線(xiàn)中顯示為峰和谷，并且相位曲線(xiàn)可能會(huì )通過(guò)這些頻率的某些點(diǎn)。

由于濾波器和放大器遵循類(lèi)似的想法，因此有助于查看這兩種類(lèi)型的電路，以了解波特圖相位曲線(xiàn)中包含哪些信息。

高通和低通濾波器

下圖顯示了一階低通濾波器的波特圖（頂部：幅度，底部：相位）。相位圖顯示了當源頻率開(kāi)始進(jìn)入截止區域時(shí)相移如何發(fā)展。在此，當波特圖中的相移為45度時(shí)，幅度曲線(xiàn)將通過(guò)大約-3 dB。對于高通濾波器，可以看到相同的特性，盡管幅度曲線(xiàn)會(huì )顛倒。

一階低通濾波器的幅值和相位（波德圖）。

當查看這些濾波器時(shí)，我們通常關(guān)注幅度曲線(xiàn)，因為它將具有標準的滾降值和45度相移點(diǎn)處的衰減。對于上面顯示的一階低通濾波器，幅度曲線(xiàn)在45度相移時(shí)具有標準的-20 dB /十倍頻降和-3 dB衰減。對于N級濾波器，其中N個(gè)濾波器級串聯(lián)在一起，這些滾降和衰減值將乘以N。

對于無(wú)源濾波器電路，這基本上總結了波特圖中的要點(diǎn)。具有多個(gè)截止級的更復雜的濾波器也可以類(lèi)似的方式進(jìn)行分析。在存在反饋的放大器電路中，波特圖的相位曲線(xiàn)中還包含其他信息，需要確保放大器穩定性。

運算放大器

在具有負反饋的運算放大器電路中，我們可以確定放大器可能在哪個(gè)頻率下被不穩定驅動(dòng)。如果反饋環(huán)路中的相位偏移180度，則系統中的反饋會(huì )從負反饋切換為正反饋，反饋會(huì )從負反饋切換為正反饋，并且放大器將開(kāi)始振蕩。最終，輸出將飽和，輸出信號將被嚴重削波（這是在比較器電路中發(fā)生的情況）。

可以通過(guò)查看Bode圖中的幅度和相位來(lái)總結向不穩定性的過(guò)渡。當圖中有一個(gè)具有正增益和180度相移的區域時(shí)，由于反饋已從負變?yōu)檎?，輸出將變得不穩定。負反饋運算放大器電路的示例如下所示。度量“增益裕度”和“相位裕度”通常用于定義放大器電路何時(shí)變得不穩定。這些在下面的示例中說(shuō)明。

波特圖的幅值和相位用于穩定和不穩定的放大器電路。

電路設計期間的波特圖模擬

無(wú)論您是要設計濾波器，放大器，匹配網(wǎng)絡(luò )還是其他電路，使用的電路設計工具都可以幫助您保持高效。當需要生成波特圖時(shí)，電路設計工具應包括帶有掃頻仿真的SPICE仿真器。SPICE仿真器可以?huà)呙枰幌盗蓄l率來(lái)計算電路中每個(gè)網(wǎng)絡(luò )的電壓和電流。然后可以在標準的波特圖中顯示時(shí)域中每個(gè)頻率的結果，以供進(jìn)一步分析。

零極點(diǎn)分析可以立即在Bode圖中找出關(guān)鍵點(diǎn)的相關(guān)模擬。該計算將給出產(chǎn)生共振（稱(chēng)為極點(diǎn)）和總衰減（稱(chēng)為零）的頻率。該技術(shù)的優(yōu)勢在于它還返回了每個(gè)頻率的衰減常數，從而描述了時(shí)域中的瞬態(tài)響應。