实用EMI噪讯对策技术讲座(17)应用增幅电路

模拟电路分成被动电路和主动电路两种。一般简易电路大多采用被动电路，要求高精度或是复杂功能时则采用主动电路。主动电路的基础是运算放大器电路，因此本章节要探讨应用增幅电路。

应用增幅器构成的增幅电路，又分成反相增幅电路和非反相增幅电路两种。这些增幅电路的运算放大器外置电阻器，若更换成阻抗(Impedence)就变成主动电路(图1)。
 
图1的主动电路，复数组合就变成被动电路，它的基本结构如图2所示，一个输出其它则是输入。
 
由图可知主动电路的输出阻抗是低阻抗，输入阻抗是高阻抗。一般主动电路的输出，就是运算放大器电路的输出，运算放大器电路单体的输出阻抗原本很低，不过实际使用状态，亦即加上回馈状态时会更变得低。

主动电路的输入，亦即非反相增幅器形态，事实上就是运算放大器电路的输入，因此它的阻抗非常高。

反相增幅器形态的场合，就变成连接于输入端的阻抗值(图1中的Zi)，此时阻抗值通常都很大。
 
图3是运算放大器的增幅率频率特性，由图可知率频率特性的形状，与1次滤波器几乎完全相同，低频具备很高的增幅率，不过在高频阻碍领域，却以-20dB/dec(dec是10倍增益)衰减，换言之运算放大器还具备消除频率fc。

高频时增幅率变成1(0dB)，几乎完全丧失增幅作用，增幅率变成1的频率称为「单位增益(unity gain)」「ft」。由于在阻碍领域它会以-20dB/dec衰减，因此在阻碍领域任意场所，频率与增幅率(dB值)两者相乘的积，始终与单位增益频率的值相同，两者相乘的积则称为「等化频域宽度积」。

低速运算放大器的单位增益频率，大多只有1MHz或是1MHz，泛用运算放大器的单位增益频率则高达10MHz。

一般印刷电路板导线的连结频率比单位增益频率高，由于它没有连结基础，因此不会发生连结。不过某些高速运算放大器的单位增益频率高达100MHz，此时就会发生连结，此外长距离传输时，低频也会发生连结(linking)。

模拟电路的连结影响

模拟电路的瞬态(transient)现象，可以比照数字电路的连结处理。如图2所示，虽然理论上运算放大器电路符合发生连结的所有条件(低阻抗是驱动端，高阻抗是接收端)，不过高速运算放大器除外，通常都不会发生连结，主要运算放大器的频率特性，未含盖连结的频率所致。此外模拟电路若有连结发生条件的时，某些场合反而被视为常态性，而不会当作瞬态现象撷取。

1. 驻波

首先介绍所谓的驻波现象。图4是为了观察驻波现象的仿真电路，图中的驱动器、接收器都是应用增幅电路，驱动器会输出正弦波。

图5是仿真电路的动作波形，图5(a)是接收端插入终端阻抗消除反射时的动作波形。

由图渴知由于信号以一定速度行进，随着量测典循序位相(Sequential phase)会发生偏离，不过一般低频运算放大器电路并不作终端，所以会发生反射，图5(b)是此时的波形。

经过反射的信号，反复数次在传输线路中传输会发共振现象，而且振幅不断增大，此时各部位的信号会一起动作，由于各部位的信号位相完全相等，因此波动无法行进，类似这样的波形称为「驻波」或是「定常波」，相较之下图5(c)的波形称为「行进波」。
　
 
2. 共振的条件

发生共振的条件是信号线的长度刚好是信号的1/4波长，或是信号的其数倍波长的频率，都会发生共振现象。图6是共振时的频率特性，由图可知共振的振幅，会随着信号线的长度方向位置改变。

接收器的输入阻抗很高时，假设驱动器的输出阻抗为Zs，信号线的特性阻抗为Zc，如此一来最大振幅是Zc/Zs的倍数，以本范例为例，它是10倍的10V。
　
如图7所示，振幅取决于信号线的长度方向位置，它的波形在驻波属于固有波形，波形是正弦波形或是部份正弦波形。

电气信号反射造成的波形除外，共振造成的驻波波形，典型范例例如钢琴线、笛子管等等，图7的波形包含上述典型范例。

图7(a)与图7(c)是对应图4的波形，如图所示驱动器的阻抗很低，因此驱动端的振幅非常小，相较之下接收器的阻抗很高，所以接收端的振幅变得非常大。

图7(a)是对应图6基本频率的波形，图7(c)是共振频率3倍时(亦即图6右侧的峰值)的波形。

图7(b)与图7(d)是管子(两端开放)的波形，图7(e)是弦的波形，管子也(两端封闭)经常出现这类波形，换句话说随着管子两端开放、封闭状况决定振幅。

图7(b)、图7(d)的波形，信号线也经常出现这类的波形，尤其是图8的状况，会发生图7(b)的波形。

驱动器的位置不在中央，即使是1/4的位置，变成就会7(d)的波形。实际上随着模拟分析时忽视的要因，共振频率会出现偏差，不过不论如何一旦出现图7的波形，就无法传输信号。
　
 
3. 信号传输的条件

为高精度传输信号，共振的影响必需是可以忽略的条件，如果运算放大器的速度很慢，而且是不会发生共振的条件时，就不会发生共振现象。

如果是会发生共振的条件时，只要共振造成的误差比容许误差值更低即可。图9是上述图6低频部位的增益与位相放大图。模拟电路的噪讯影响，通常是利用噪讯引发的误差大小作评鉴。

此外即使是共振问题，振幅与位相若是在预期误差容许范围内的频率，通常都是实用范围。

接收端是接触信号最频繁的部位，同时也是条件最差的部位。图10是接收端的信号频率、信号线长度与振幅误差的关系，该图显示运算放大器高速时，共振的发生条件。

事实上即使是高速运算放大器，信号频率比应用增幅器的性能更小时，只要插入低通滤波器就可以抑制共振。

信号频率很高时，某些情况透过终端防止反射的手法解决共振问题，然而完全终端并不容易，而且终端同样会发生误差。
　
为建构高精度、低歪斜系统，根据图10可知无终端时，必需在误差会变小的条件范围内使用，不过高频时会有波形歪斜问题，因此一般都不要求高振幅精度，此时终端非常实用。