電路設計中的功率放大器振蕩

2020-03-24

在電路板上，我們不希望出現振蕩，尤其是功率放大器振蕩。例如，在RF功率放大器中，存在一種稱(chēng)為寄生振蕩的振蕩。這種特定類(lèi)型的振蕩屬于不良現象的類(lèi)別。本文主要討論電路設計時(shí)會(huì )遇到的一些振蕩。

什么是振蕩？

總而言之，振蕩是相對于中心點(diǎn)或值平衡的重復變化，通常是在可測量的時(shí)間內。而且，這包括兩個(gè)或多個(gè)不同狀態(tài)（通常是相反狀態(tài)）之間的轉換。正如我之前提到的，術(shù)語(yǔ)振動(dòng)是精確描述機械振蕩的另一個(gè)詞。此外，最常見(jiàn)的兩種振蕩示例是交流電（AC）和擺錘擺動(dòng)。

但是，振蕩不僅在機械系統中發(fā)生，而且在動(dòng)態(tài)系統中以及幾乎每個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中都會(huì )發(fā)生。振動(dòng)的其他理想示例包括人的心跳，地熱間歇泉，弦樂(lè )器中弦的振動(dòng)，人腦中神經(jīng)細胞的發(fā)射以及造父變星，這些星的亮度基本上會(huì )發(fā)生波動(dòng)。

如上所述，在某些情況下，就像人的心臟一樣，不僅需要振動(dòng)，而且還需要適當的功能。但是，就像大多數情況一樣，存在一個(gè)平等但相反的事物。關(guān)于振蕩，我所說(shuō)的相反說(shuō)法稱(chēng)為寄生振蕩。就射頻功率放大器而言，寄生振蕩是不受歡迎的。

功率放大器中的不希望有的振蕩

例如，RF功率放大器是將低功率RF信號轉換成較高功率信號的一種電子放大器。通常，RF功率放大器驅動(dòng)發(fā)射機的天線(xiàn)?？傮w而言，此處的電路設計目標包括功率輸出，增益，功率效率，帶寬，線(xiàn)性度（產(chǎn)生精確的輸入副本），輸入和輸出阻抗匹配以及適當的散熱。

但是，就像所有電子組件和設備一樣，放大器將按預期執行和工作，直到其功能中斷為止。當功率放大器的電路或組件中存在寄生振蕩時(shí)，可能會(huì )發(fā)生這種中斷。此外，這些類(lèi)型的干擾（寄生振蕩）在更高的頻率下更為關(guān)鍵和明顯。那么，是什么原因導致這些振蕩呢？好吧，這個(gè)問(wèn)題有多個(gè)答案，我將在以下各段中詳細討論。

是什么導致功率放大器振蕩？

在許多情況下，功率放大器中的振蕩會(huì )在較高的頻率，較高的增益和較差的電路設計布局下發(fā)生。同樣，評估振蕩的第一步是測量振蕩的幅度和頻率。如果使用示波器，則可以使用示波器的內部觸發(fā)來(lái)穩定波形。

就原因而言，通常3dB帶寬附近的振蕩是輸入輸出反饋的產(chǎn)物。請記住，在處理較高頻率的振蕩時(shí)，你將需要使用頻譜分析儀來(lái)觀(guān)察它們。此外，這種類(lèi)型的振蕩通常引起波形失真，并且通常在數百兆赫茲至千兆赫茲的范圍內。

此外，這通常是最終由設備的輸出或輸入引起的寄生振蕩的副產(chǎn)品。放大器電路的電位布局可能會(huì )有很大差異。

功率放大器中的寄生振蕩

如前所述，寄生振蕩是電子功率放大器或數字設備中不利的電子振蕩或輸出電流或電壓的周期性變化。同樣，你通?？梢詫⑵湓驓w因于放大設備中的反饋。此外，如前所述，該問(wèn)題在RF功率放大器，音頻放大器和各種其他類(lèi)型的電子放大器中更為明顯。然而，這不僅僅限于放大器。這種類(lèi)型的振蕩也可能在數字信號處理器中發(fā)生。

此外，寄生振蕩是控制理論要解決的中心問(wèn)題之一。如你所知，控制理論處理數學(xué)和工程領(lǐng)域內動(dòng)力系統的行為。此外，控制理論還概述了系統在經(jīng)受各種輸入影響的同時(shí)保持受控輸出的必要條件。盡管最初是在自動(dòng)化和機器人技術(shù)領(lǐng)域使用它，但現在已在基因組學(xué)，社會(huì )學(xué)和生理學(xué)等領(lǐng)域為監管流程提供服務(wù)。

產(chǎn)生寄生振蕩的原因有很多。這些原因之一是，它可能導致電路中其他設備的EMI。這是因為寄生振蕩也可能作為無(wú)線(xiàn)電波輻射而影響其他電路。如果你曾經(jīng)聽(tīng)過(guò)諸如汽車(chē)揚聲器或耳機之類(lèi)的煩人的音調，那么你正在目睹音頻系統中的寄生振蕩。

不需要寄生振蕩的原因

在功率放大器中，產(chǎn)生寄生振蕩的關(guān)鍵原因之一是浪費功率，從而產(chǎn)生熱量。此外，經(jīng)歷寄生振蕩的電路將不會(huì )線(xiàn)性放大，這會(huì )導致所需信號失真。

關(guān)于數字電路，寄生振蕩僅可能發(fā)生在特定的邏輯轉換上，其結果是后續級的不穩定操作。這樣的一個(gè)例子是一個(gè)計數器臺，它可能會(huì )看到許多偽造的脈沖并且計數不穩定。

總體而言，寄生振蕩是破壞力，會(huì )破壞電路功能并抑制性能。在許多情況下，它會(huì )完全停止功能，因此你應采取措施減輕其影響。

減輕寄生振蕩

有幾種措施可以減少或防止寄生振蕩。對于功率放大器，它始于放大器電路的布局，即電路設計。他們的電路設計應包括以輸入和輸出接線(xiàn)不相鄰為特征的計劃。這進(jìn)而防止了電容性或電感性耦合。

關(guān)于電路本身，可以在電路的敏感部分上使用金屬屏蔽。同樣，在電源連接處使用旁路電容器是有利的。這將防止通過(guò)電源的級間耦合，并為交流信號提供低阻抗路徑。

關(guān)于PCB，應將高功率級和低功率級分開(kāi)。此外，應以防止大量電流流過(guò)接地跡線(xiàn)共享部分的方式布置接地回路跡線(xiàn)。但是，在某些情況下，只能通過(guò)引入另一個(gè)反饋中和網(wǎng)絡(luò )來(lái)糾正此問(wèn)題。此外，該反饋中和網(wǎng)絡(luò )需要進(jìn)行計算和調整，以消除放大設備通帶內的負反饋。確保正確的電路設計走線(xiàn)布線(xiàn)將對任何放大器設計都是有幫助的。

嘗試解決振蕩問(wèn)題時(shí)，必須首先找到源。對于功率放大器，其源極可能是放大器本身或放大器以外的組件和導線(xiàn)。

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