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典型电路分析之射随器电路分析射随,是我们通常对射极跟随器的简称,其实也就是共集电极放大器,它的特点
1、晶体管射随电路具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗--基极回路电阻的1/1+ββ是晶体管的直流放大系数,也就是三极管规格书中的hFEBC857AW正常工作时为250,具有隔离阻抗变换的作用
2、电流增益很大,Ie=Ib1+β
3、电压增益接近1,输入信号与输出信号同相,大小基本相等,这也是射随名字的由来由于射随的这几个特点,我们将其用在例如中放VIDEO输给DECODER,DECODER的AVOUT等电路,弥补原先器件输出电流小,带载能力不足的缺点,减少后级电路对前级电路的影响从而达到增强电路的带负载能力和前后级阻抗匹配射随器同时还可以隔离逆向干扰,一路信号可以通过两个射随分成两路,而不会互相干扰,所以AVOUT,AUDIOOUT也经常使用这个电路目前我们常用的射随电路根据使用PNP或NPN三极管也有两种形式A、PNP图1上面这个电路经常用于我们的AVOUT电路输入信号VIDEOIN波形变高时,三极管截止,VCC通过R1给C1充电;输入信号VIDEOIN波形变低时,三极管导通,C1通过导通的三极管对地放电电路形式看似很简单,器件不多,但如果器件使用不当的话,很容易造成输出波形失真
1、电容C1C1在这个电路中起着仅次于三极管的作用电容的特性直观的说就是会保持电容两端电压不突变,电容量越大,这个阻止电压突变的能力就越强而通常我们说的通交流隔直流,可以通过这个公式来分析电路中电容的容抗Xc=1/2πfC,其中f为信号的频率,C为电容量的大小那么也就是说,当C不变时,频率越高,容抗Xc越小,那么电流越大,信号越容易通过那么为什么直流会被隔离呢?直流电平,相当于f=0这时候容抗Xc=无穷大,相当于开路,信号自然无法传送过去了当f不变时,C越大,容抗Xc越小,那么电流越大,信号越容易通过这也就是为什么我们平时在选用电源滤波电容时,用uF级的电容来滤除几十Hz的纹波,而用nF级的电容,来滤除几十kHz的纹波(uF×10Hz=nF×10kHz)再回到图1这个电路,如果C1选用的电容量太小的话,会导致VIDEO信号中高电平稳不住,场同步期间也就是信号的低电平的低电平也稳不住如下图所示,图2为C1=1000uF时VIDEOOUT的波形,信号上部和场同步基本不失真图3为将C1改为100uF之后的波形,信号上部及场同步头明显失真我们通常说的摆头图2图3为什么电容量的大小会导致这样的信号失真呢?有2种方法可以分析方法1交流电路中,电容的等效容抗Xc=1/2πfC,那么射随电路的输出口等效电路为图4对于理想电路,Xc=0Vo=Vo=Vi×R5/R4+R5=
0.5Vi,我们的实际电路中,如果取C=100uF这时候Xc=1/2πfC其中f=50C=100uF则Xc=
31.84欧,代入Vo=Vi×R5/Xc+R4+R5得Vo=75Vi/
31.84+75+75=
0.41Vi,输出波形失真
0.5-
0.41/
0.5=
17.5%所以能看到图3中的扭曲失真如果我们取C=1000uF这时候Xc=
3.18欧,代入得Vo=75Vi/
3.18+75+75=
0.4896Vi失真只有
0.5-
0.4896/
0.5=2%,所以图2中基本看不出失真来有人要问,用这种方法来看,失真是因为电容的阻抗分压导致接收端R6的幅度Vo变小导致的可是从图3的实际波形来看,无论是场同步期间还是信号高电平的波形都只是扭曲,而幅度并没有变小,这是为什么呢?其实,幅度有变小,但变小的是低频信号整场的信号可以看做是由频率50Hz的低频信号场同步期间的低电平和信号高电平与频率15k左右的行周期信号组成的对于低频信号,由于容抗Xc=1/2πfC较大,所以幅度减小,以场同步期间波形为例,原始波形为低频的低电平经过电容后变成高频的行开槽信号经过电容后,因频率较高,基本直通,幅度不变 叠加后最终的输出波形就象图3一样,整个向上扭曲方法2我们先来看看电容充放电过程图5图5中,电容两端原始电压为U0,之后电容通过负载R放电,时间t后电容两端电压Uc=U0e-t/RC充电过程为上面这个过程的逆过程,大家可以自己分析将上面这个公式用到下图6后,可以看出,当VIDEO信号过来一个场同步头--低电平Vo时,三极管导通,电容C1通过三极管放电图6但如图5,因为C1放电,所以场同步这个低电平Vo无法保持,时间t后Vo的实际电平Vt=Voe-t/RC现在如图3,取C=100uFe=
2.71828t=低电平持续时间=2ms虽然场同步上还有例如开槽脉冲等信号,但这些信号是高频的,对直流电平不会有影响,所以不用考虑,所以t应该取整个场同步周期,约=1/10场周期=2msR=R4+R5=150代入后可求得Vt/Vo=
0.878失真
12.2%如果C=1000uFVt/Vo=
0.987失真
2.2%可以看出,用这种方法计算的结果和方法1的结果近似由以上分析可得,电容C1越大,波形失真越小,但受布板空间及成本限制,推荐C1选取470uF.此时Vt/Vo=
0.972失真
2.8%已经能满足要求由以上这两个公式也可以解释另一个问题为什么音频电路中的隔直电容可以用的很小?因为音频电路的负载电阻很大10kor47k,因此要保持同样的失真度的话,电容C只需要视频中的几百分之一,所以音频电路中的隔直电容一般为nF级的2.电阻R1下图7为输入亮点信号为什么用这个信号后面分析时,VCC=5V,R1=100欧时AVOUT的波形已带75负载,输出的信号幅度为562mV,将R1改为470后,如图8所示,同步头不变,但信号幅度只剩下237mV上面部分的波形都被切掉了图7图8为什么会有这样的问题?R1该如何取,是否将R1改小就能解决这个问题?分析如下例如图7中,AVOUT波形幅度562mV那么C1负极的幅度就是562*2=1124mV也就是说C1负极处的最高电平为1124mV可以求出达到这个电平瞬间的通过C1电流Ir=U/R=1124/150=
7.5mA而这个电流Ir也等于此时流过电阻R1的e极电流Ie=VCC-Ve/R1,所以VCC-Ve/R1=
7.5mA,Ve=此时射极的直流电平=直流偏置+
1.124V如果直流偏置为VCC/2的话R1=1376/
7.5=183欧也就是说R1一定要小于183欧,才能让一个信号幅度562mV的波形不失真的通过那么图8中,R1=470欧,假设负载R5上的波形峰峰值为Vpp那么同上,由Ir=Ie==2Vpp/150=[5-
2.5-2Vpp/470]求得Vpp=302mV只能让一个信号幅度302mV的波形不失真的通过,而对于标准信号幅度
0.7V的VIDEO信号,这个失真就很厉害了理论上R1越小,带载能力越强,但一味减小R1的阻值,会导致三极管导通时通过的电流过大,一个加大了功耗,容易烧三极管,一个是三极管的放大系数会随电流Ie的增大而降低Ie由20mA加大到40mAHfe就由160降低到了130所以R1不能取太小,这个方法不推荐那么我们该怎么办呢?答案是
1、提高VCC
2、改变三极管b极的直流偏置这点放在下一节分析上面的计算中VCC=5V,那我们来看看,如果我们取R1=330欧,VCC增大到9VIe=9000/330=27mA,能通过的Vpp是多少2Vpp/150=[
4.5-2Vpp/330],Vpp=
0.7V也就是可以通过信号幅度
0.7V的VIDEO信号,已经能满足我们的要求了而三极管导通时的电流,Vcc=5VR1=100欧,Ie=50mA如果Vcc=9VR1=330欧,Ie=27mA.减小了很多所以,在视频射随电路中,必须保证VCC8V下面先说说为什么要用亮点信号来做测试图9图10图9为亮点信号,图10为全白场信号的波形,大家可以看到,图9中0电平基本在钳位黑电平处,那么动态范围要求的最大值差不多就是信号幅度,也就是562mV而在图10中,0电平已经快接近信号顶部了,对于这个信号的动态范围的要求,只需要大约200mV动态范围的要求远低于亮点信号所以大家在看波形失真的时候,一定要使用类似亮点信号这样的图形
3、直流偏置先重申一下几个概念黑电平在视频信号中,最暗的信号的电平,如灰阶信号最低那阶的信号电平对黑电平位置的规定,有2种标准美国NTSC-M标准中,黑电平定在比同步头后肩高
7.5IRE的位置也就是下图11中
0.357V的地方图11除了NTSC-M外,PAL、日本的NTSC-J标准中,黑电平定在同步头的后肩上,也就是下图12中
0.321V的地方图12零电平也就是图9,图10中标出的示波器箭头1的位置,表示的是直流0电平的位置,也就是平常我们信号GND处的电平直流电平信号去掉交流调制后剩下的直流信号的位置也就是我们通常说的直流偏置对与通过电容后的交流信号来说,直流电平=0平时可以用万用表一端接地,一端测量信号处,得到的电压值就是信号的直流电平回到我们要讨论的直流偏置图1中,C2将VIDEOIN隔直,通过R2,R3重新给VIDEOIN一个直流偏置为了保证动态范围足够,也就是C1正极的直流电平最好=VCC/2为了保证基极的直流偏置电压稳定,要求流过R2,R3的电流I2,I3要远大于Ib取Ie的平均值20mABC857AW的放大倍数150,Ib=Ie/Hfe=20mA/150=130uA,I2I3至少要mA级,就要求R2,R3要尽量小,至少到K欧这一级第2节中提到要想增大动态范围,可以改直流偏置,那么,偏置电压该取几V呢?对图1这个PNP电路来说,如果输入的是VIDEO信号,因为e极最低只能到0Vc极是0V,Vec要0假设最严格的情况整个VIDEO连同步头2V的波形都在0电平以下实际中不可能,那么e极的直流电平必须2Vb极则应2-
0.7=
1.3V所以如果是9VVcc的话,对视频信号来说,R2,R3分压完后在基及的最佳偏置电压应该是
1.5V这样在选择R1值的时候的取大一些,降低电流,降低三极管的功耗我们来计算一下这时候R1可以增大到多少按最大的信号幅度
1.4V算亮点信号,直流电位基本在零电平,有效信号幅度
1.4V,
1.4V/150=[9-2V+
1.4V]/R1R1=600欧由VCC/R2+R3=Vb/R3,在VCC=9V时,R2=5×R3,考虑基极电流的影响,可以取R2=
5.6K,R3=1K,这时候直流偏置大概是
0.13×1+9/
5.6+1=
1.5V所以,综上所述,对于VIDEO信号,推荐设置Vcc=9VR2=
5.6KR3=1KR1=470欧但是,注意这个但是,在音频信号中,由于音频信号是交流的,且幅度可能较大,所以对于音频信号,Vcc必须取9V或以上,e极偏置在Vcc/2=
4.5V处,b极就是
4.5-
0.7=
3.8V同样可以算出,R2=
5.2R3/
3.8可以取R2=
2.7K,R3=2K所以,对AUDIO信号,推荐设置Vcc=9VR2=
2.7KR3=2KR1=
4.7K
4、作为AVOUT电路时输出幅度的调节---R4如果射随用在AVOUT电路因为接收方电路还有一个75欧的对地匹配电阻,因此接受方获得的实际幅度为Vout×75/R4+75正常情况下Vout=2VppR4=75欧,接受方Vpp=1V正好但如果因为芯片限制或其他原因,Vout偏大或偏小,就可以通过调整R4的大小使接收方最终获得的幅度也为标准的1Vpp.
5、作为AVOUT电路,进行电路验证确认是否会失真时,一定要接上负载看,否则空载没有形成回路看基本都没问题,带载就不行了
6、是否需要隔直后再偏置?虽然用在AVOUT时基本上都要用电容C2先隔直再加上偏置电压,但如果是一体化TUNER的VIDEOOUT,它的内部已经有射随电路了,带载能力足够,直流电平为0,因此不需要加射随,可以直接送给后端的DECODER如果是分离式TUNER+中放,大部分中放电路的输出的VIDEO信号都已经有带上直流偏置大概在2V左右,而且它们自带的直流偏置与我们用电容隔直后再加的不同,直流偏置电平是始终锁定在信号黑电平上的,如下图图13图14图
13、图14为射频分别输入全白场直流电平最高的信号及亮点信号直流电平最低的信号时,中放输出口上的波形,可以看出,信号内容改变,但直流电平不变,都钳在黑电平上再来看看如果隔直完再偏置图15图16图
15、图16为同样输入全白场及亮点信号时,经过电容隔直再重新偏置到大约1V后的波形,可以看出,亮点信号的直流偏置基本还是在黑电平上因为亮度信号有效值很小,而白场信号的直流偏置处已经接近信号顶端了黑电平已经沉到-
0.8V了这会造成什么影响呢?如果直接将中放输出信号送入射随的三极管,那么我们只需要保证2V的动态范围就足够了无论输出什么信号,整个信号幅度只有2V如果我们将其经过电容隔直再重新偏置,然后送入射随的三极管呢?可以由图15,图16看到,三极管的动态范围基本上要保证零电平以上2V亮点信号至零电平以下2V白场信号,也就是需要4V的动态范围这对三极管的动态范围要求高了一倍因此建议如果用在中放输出电路时,C2,R2,R3可以先布上,如果中放输出已经有直流偏置了,就不需要再画蛇添足,加个跳线跳过,直接送到三极管即可
7、电容C2C2作用其实与C1相似,但因为R2//R3之后是K级的,所以C2的电容量大概只需要C1的1/10就够了,所以C2可以选择100uFB、NPN图17NPN三极管组成的射随电路,输入信号VIDEOIN波形变高时,三极管导通,VCC通过导通的三极管给C1充电;输入信号VIDEOIN波形变低时,三极管截止,C1通过R1对地放电对于NPN的射随电路,基本的分析方法和PNP相同,这里就不重复分析了现在来说说NPN和PNP的选用问题选NPN还是PNP电路,理论上的电压增益都是一样的略小于或等于1,极性也没有变化假如输入端有C2隔直,选NPN或是PNP电路并没有差别,也不用考虑电流输出NPN或吸入PNP的问题但是象上面说的,中放输给DECODER时常常是没有隔直电容的,这时就要根据输入端的直流偏置来选用了另外,由于一般情况下前端输出电路电流输出型的,在无隔直电容的射随电路中,选NPN还是PNP电路是要考虑电流输出或吸入的但是可以通过在b极对地接一个电阻的办法解决PNP射随器的电流吸入问题
4、作为AVOUT电路时输出幅度的调节---R4如果射随用在AVOUT电路因为接收方电路还有一个75欧的对地匹配电阻,因此接受方获得的实际幅度为Vout×75/R4+75正常情况下Vout=2VppR4=75欧,接受方Vpp=1V正好但如果因为芯片限制或其他原因,Vout偏大或偏小,就可以通过调整R4的大小使接收方最终获得的幅度也为标准的1Vpp.
5、作为AVOUT电路,进行电路验证确认是否会失真时,一定要接上负载看,否则空载没有形成回路看基本都没问题,带载就不行了
6、是否需要隔直后再偏置?虽然用在AVOUT时基本上都要用电容C2先隔直再加上偏置电压,但如果是一体化TUNER的VIDEOOUT,它的内部已经有射随电路了,带载能力足够,直流电平为0,因此不需要加射随,可以直接送给后端的DECODER如果是分离式TUNER+中放,大部分中放电路的输出的VIDEO信号都已经有带上直流偏置大概在2V左右,而且它们自带的直流偏置与我们用电容隔直后再加的不同,直流偏置电平是始终锁定在信号黑电平上的,如下图图13图14图13,图14为射频分别输入全白场直流电平最高的信号及亮点信号直流电平最低的信号时,中放输出口上的波形,可以看出,信号内容改变,但直流电平不变,都钳在黑电平上再来看看如果隔直完再偏置图15图16图15,图16为同样输入全白场及亮点信号时,经过电容隔直再重新偏置到大约1V后的波形,可以看出,亮点信号的直流偏置基本还是在黑电平上因为亮度信号有效值很小,而白场信号的直流偏置处已经接近信号顶端了黑电平已经沉到-
0.8V了这会造成什么影响呢?如果直接将中放输出信号送入射随的三极管,那么我们只需要保证2V的动态范围就足够了无论输出什么信号,整个信号幅度只有2V如果我们将其经过电容隔直再重新偏置,然后送入射随的三极管呢?可以由图15,图16看到,三极管的动态范围基本上要保证零电平以上2V亮点信号至零电平以下2V白场信号,也就是需要4V的动态范围这对三极管的动态范围要求高了一倍因此建议如果用在中放输出电路时,C2,R2,R3可以先布上,如果中放输出已经有直流偏置了,就不需要再画蛇添足,加个跳线跳过,直接送到三极管即可
7、电容C2C2作用其实与C1相似,但因为R2//R3之后是K级的,所以C2的电容量大概只需要C1的1/10就够了,所以C2可以选择100uFB、NPN图17NPN三极管组成的射随电路,输入信号VIDEOIN波形变高时,三极管导通,VCC通过导通的三极管给C1充电;输入信号VIDEOIN波形变低时,三极管截止,C1通过R1对地放电对于NPN的射随电路,基本的分析方法和PNP相同,这里就不重复分析了现在来说说NPN和PNP的选用问题选NPN还是PNP电路,理论上的电压增益都是一样的略小于或等于1,极性也没有变化假如输入端有C2隔直,选NPN或是PNP电路并没有差别,也不用考虑电流输出NPN或吸入PNP的问题但是象上面说的,中放输给DECODER时常常是没有隔直电容的,这时就要根据输入端的直流偏置来选用了另外,由于一般情况下前端输出电路电流输出型的,在无隔直电容的射随电路中,选NPN还是PNP电路是要考虑电流输出或吸入的但是可以通过在b极对地接一个电阻的办法解决PNP射随器的电流吸入问题。