電(diàn)路设计中的功率放大器振荡

2020-03-24

在電(diàn)路板上，我们不希望出现振荡，尤其是功率放大器振荡。例如，在RF功率放大器中，存在一种称為(wèi)寄生振荡的振荡。这种特定类型的振荡属于不良现象的类别。本文(wén)主要讨论電(diàn)路设计时会遇到的一些振荡。

什么是振荡？

总而言之，振荡是相对于中心点或值平衡的重复变化，通常是在可(kě)测量的时间内。而且，这包括两个或多(duō)个不同状态（通常是相反状态）之间的转换。正如我之前提到的，术语振动是精确描述机械振荡的另一个词。此外，最常见的两种振荡示例是交流電(diàn)（AC）和摆锤摆动。

但是，振荡不仅在机械系统中发生，而且在动态系统中以及几乎每个科(kē)學(xué)领域中都会发生。振动的其他(tā)理(lǐ)想示例包括人的心跳，地热间歇泉，弦乐器中弦的振动，人脑中神经细胞的发射以及造父变星，这些星的亮度基本上会发生波动。

如上所述，在某些情况下，就像人的心脏一样，不仅需要振动，而且还需要适当的功能(néng)。但是，就像大多(duō)数情况一样，存在一个平等但相反的事物(wù)。关于振荡，我所说的相反说法称為(wèi)寄生振荡。就射频功率放大器而言，寄生振荡是不受欢迎的。

功率放大器中的不希望有(yǒu)的振荡

例如，RF功率放大器是将低功率RF信号转换成较高功率信号的一种電(diàn)子放大器。通常，RF功率放大器驱动发射机的天線(xiàn)。总體(tǐ)而言，此处的電(diàn)路设计目标包括功率输出，增益，功率效率，带宽，線(xiàn)性度（产生精确的输入副本），输入和输出阻抗匹配以及适当的散热。

但是，就像所有(yǒu)電(diàn)子组件和设备一样，放大器将按预期执行和工作，直到其功能(néng)中断為(wèi)止。当功率放大器的電(diàn)路或组件中存在寄生振荡时，可(kě)能(néng)会发生这种中断。此外，这些类型的干扰（寄生振荡）在更高的频率下更為(wèi)关键和明显。那么，是什么原因导致这些振荡呢(ne)？好吧，这个问题有(yǒu)多(duō)个答(dá)案，我将在以下各段中详细讨论。

是什么导致功率放大器振荡？

在许多(duō)情况下，功率放大器中的振荡会在较高的频率，较高的增益和较差的電(diàn)路设计布局下发生。同样，评估振荡的第一步是测量振荡的幅度和频率。如果使用(yòng)示波器，则可(kě)以使用(yòng)示波器的内部触发来稳定波形。

就原因而言，通常3dB带宽附近的振荡是输入输出反馈的产物(wù)。请记住，在处理(lǐ)较高频率的振荡时，你将需要使用(yòng)频谱分(fēn)析仪来观察它们。此外，这种类型的振荡通常引起波形失真，并且通常在数百兆赫兹至千兆赫兹的范围内。

此外，这通常是最终由设备的输出或输入引起的寄生振荡的副产品。放大器電(diàn)路的電(diàn)位布局可(kě)能(néng)会有(yǒu)很(hěn)大差异。

功率放大器中的寄生振荡

如前所述，寄生振荡是電(diàn)子功率放大器或数字设备中不利的電(diàn)子振荡或输出電(diàn)流或電(diàn)压的周期性变化。同样，你通常可(kě)以将其原因归因于放大设备中的反馈。此外，如前所述，该问题在RF功率放大器，音频放大器和各种其他(tā)类型的電(diàn)子放大器中更為(wèi)明显。然而，这不仅仅限于放大器。这种类型的振荡也可(kě)能(néng)在数字信号处理(lǐ)器中发生。

此外，寄生振荡是控制理(lǐ)论要解决的中心问题之一。如你所知，控制理(lǐ)论处理(lǐ)数學(xué)和工程领域内动力系统的行為(wèi)。此外，控制理(lǐ)论还概述了系统在经受各种输入影响的同时保持受控输出的必要条件。尽管最初是在自动化和机器人技术领域使用(yòng)它，但现在已在基因组學(xué)，社会學(xué)和生理(lǐ)學(xué)等领域為(wèi)监管流程提供服務(wù)。

产生寄生振荡的原因有(yǒu)很(hěn)多(duō)。这些原因之一是，它可(kě)能(néng)导致電(diàn)路中其他(tā)设备的EMI。这是因為(wèi)寄生振荡也可(kě)能(néng)作為(wèi)无線(xiàn)電(diàn)波辐射而影响其他(tā)電(diàn)路。如果你曾经听过诸如汽車(chē)扬声器或耳机之类的烦人的音调，那么你正在目睹音频系统中的寄生振荡。

不需要寄生振荡的原因

在功率放大器中，产生寄生振荡的关键原因之一是浪费功率，从而产生热量。此外，经历寄生振荡的電(diàn)路将不会線(xiàn)性放大，这会导致所需信号失真。

关于数字電(diàn)路，寄生振荡仅可(kě)能(néng)发生在特定的逻辑转换上，其结果是后续级的不稳定操作。这样的一个例子是一个计数器台，它可(kě)能(néng)会看到许多(duō)伪造的脉冲并且计数不稳定。

总體(tǐ)而言，寄生振荡是破坏力，会破坏電(diàn)路功能(néng)并抑制性能(néng)。在许多(duō)情况下，它会完全停止功能(néng)，因此你应采取措施减轻其影响。

减轻寄生振荡

有(yǒu)几种措施可(kě)以减少或防止寄生振荡。对于功率放大器，它始于放大器電(diàn)路的布局，即電(diàn)路设计。他(tā)们的電(diàn)路设计应包括以输入和输出接線(xiàn)不相邻為(wèi)特征的计划。这进而防止了電(diàn)容性或電(diàn)感性耦合。

关于電(diàn)路本身，可(kě)以在電(diàn)路的敏感部分(fēn)上使用(yòng)金属屏蔽。同样，在電(diàn)源连接处使用(yòng)旁路電(diàn)容器是有(yǒu)利的。这将防止通过電(diàn)源的级间耦合，并為(wèi)交流信号提供低阻抗路径。

关于PCB，应将高功率级和低功率级分(fēn)开。此外，应以防止大量電(diàn)流流过接地迹線(xiàn)共享部分(fēn)的方式布置接地回路迹線(xiàn)。但是，在某些情况下，只能(néng)通过引入另一个反馈中和网络来纠正此问题。此外，该反馈中和网络需要进行计算和调整，以消除放大设备通带内的负反馈。确保正确的電(diàn)路设计走線(xiàn)布線(xiàn)将对任何放大器设计都是有(yǒu)帮助的。

尝试解决振荡问题时，必须首先找到源。对于功率放大器，其源极可(kě)能(néng)是放大器本身或放大器以外的组件和导線(xiàn)。

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