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        1. 電子發燒友網 > 音視頻及家電 > 音頻技術 > 正文

          基于LM386音頻功率放大電路的調頻電臺接收設計

          2020年02月05日 14:04 ? 次閱讀

          為什么普通的音頻功放在某些情況下可以直接收聽到調頻電臺的聲音?它是如何將空間傳播的高頻電磁波放大檢波之后,還原出聲音的呢?

          要理解這一點,需要稍微比在大學課本中介紹的運算放大器(Operational ?Amplifier:OPAMP)的特性更深入了解一下它的工作情況,并在此基礎上了解運算放大器的“電磁干擾一抑制比”(ElectromagneTIc Interference EjecTIon RaTIo:EMIRR)的概念和防治。

          這一點之所以重要,是因為現在電路工作環境中該高頻電磁干擾逐漸增多,例如設備中的高頻開關電源、WiFi、Bluetooth、ZIgbee無線通信模塊等。在設計電子信號調理電路時如果不防治 EMI,就有可能讓外部的高頻電磁干擾侵擾到電路中,甚至是電路無法工作。

          LM386 基本特性

          LM386 是一款音頻功率放大電路,有很寬的工作電壓范圍(4~18V),提供大約 500mW 的輸出功率,電壓增益在 20~200 之間。

          1、LM386 內部結構

          下圖是從 TI 公司產生的 LM386 內部等效電路圖。它包括有前級差分輸入、電壓放大以及功率推挽輸出。由于內部已經有電阻負反饋回路,所以工作在單電壓下,輸出級會自動偏置在部分。

          TI 公司的 LM386 內部等效電路圖

          LM386 的工作原理與普通運放相似。為了提高電路在深度負反饋下的工作的穩定性,在電壓放大級的三極管的集電極和基極之間會存在寄生的電容,當頻率增高是降低電路的增益,提高電路工作增益穩定裕量。

          2. LM386 的頻率特性

          為了研究 LM386 受到高頻信號的影響,需要了解它的頻率特性,即隨著輸入信號的頻譜不同,運放的幅度增益和相位變化。下面通過一個簡單的實際電路,實測 LM386 的頻率特性。

          將 LM386 配置成增益為 200 的放大器的形式,輸入的信號從 PIN3 通過電解電容 10 耦合到電路中來。

          LM386 實驗電路

          在實驗電路中,輸入 10mV 左右的信號。頻率從 1kHz 增加到 2MHz,輸出信號的幅度隨著頻率的變化而出現變化。在下圖中還記錄了 LM386 輸出管腳的直流分量的變化情況,當頻率高的時候輸出點的直流分量也出現變化。

          通過掃頻獲得 LM386 的幅頻特性和在不同頻率下輸出偏移量

          上面的幅頻曲線顯示 LM386 是一個低通濾波器的特性。輸出增益下降到原來的的時候,所對應的頻率為 LM386 的截止頻率。

          LM386 的低通截止頻率大約為:。

          頻率不僅影響輸出信號的幅值增益,同時還會引起輸出信號的相位移動。下面顯示了輸入輸出波形之間關系隨著頻率不同而變化。

          在不同頻率下 LM386 的輸入,輸出波形與輸入波形之間的關系

          將輸出信號的幅度以及它與輸入信號之間的相位差繪制出來,可以清楚看到頻率引起的變化。隨著信號頻率的增加,輸出信號的幅值下降,相位在逐步落后。

          不同頻率下輸出的幅值以及相位差

          3. 為什么高頻信號會引起 LM386 輸出直流偏置電壓變化?
          從前 LM386 的內部機構和基本的頻率特性可以看出,當輸入信號的頻率比較低的時候,LM386 的電壓放大倍數比較大,輸入輸出的相位差小,IC 內部負反饋電阻網絡使得輸入差分放大級的輸入信號與反饋信號基本上呈現平衡,抵消后實際作用在輸入三極管基極 - 發射極上的交變信號量比較小,此時三極管工作在線性放大狀態。

          當輸入信號的頻率增加之后,超過截止頻率(550kHz)之后,LM386 的電壓增益下降,使得反饋信號逐漸低于輸入信號。同時由于反饋信號的相位逐漸落后于輸入信號,也進一步加大了輸入信號和反饋信號的差別。最終提高了作用在輸入級三極管基極 - 發射極上的交流電壓分量。當該交流電壓分量超過一定幅值,由于三極管基極導通呈現非線性整流作用,因此就會產生附加的整流電壓。該電壓經過放大之后,就逐步影響到輸出級的直流電壓,從而改變 LM386 的直流偏置。

          下面可以通過幾組不同頻率的信號,逐步改變它們的幅值,觀察 LM386 直流分量的變化情況。

          通帶內的頻率:1kHz, 50kHz

          過渡帶的頻率:250kHz

          阻帶內的頻率:1000kHz

          不同頻率輸入信號對 LM386 直流偏置的影響

          1. 頻率為 1kHz 正弦信號

          設置輸入信號為 1kHz 的正弦波,輸入 LM386。信號的有效值幅度從 0.01 逐步升高到 1.00V,對應的 LM386 的輸出以及輸出直流偏移量變化如下:

          輸入信號幅值增大與輸出信號幅值、輸出直流偏移量之間的關系

          LM386 輸出波形的變化

          2. 頻率為 50kHz 正弦信號

          在輸入信號的頻率為 50KHz 下,輸出信號的有效值和直流偏移量隨著輸入信號的有效值從 0.01V 變化到 1.0V 的過程中對應的變化情況。

          在 50kHz 下 LM386 的輸出信號幅度和直流偏移量隨著輸入信號的幅值增加變化的情況

          在 50kHz 下輸出波形隨著輸入信號有效值幅值從 0.01V 增加到 1V 的變化情況

          3. 頻率為 50kHz 正弦信號

          在 250kHz 下,輸入信號增大所引起的輸出信號和輸出偏移量之間的關系

          在 250kHz 頻率下 LM386 輸出波形變化情況

          4. 頻率為 1MHz 的正弦波信號

          在 1MHz 下,LM386 輸出幅值和直流偏移量之間的關系

          在 1MHz 頻率下,LM386 的輸出信號隨著輸入信號有效值從 0.01 增加到 1.00V 的變化情況

          5. 不同頻率信號結果對比

          在不同的頻率下,輸出的信號在開始的時候都是隨著輸入信號的幅值增加而上升。但是隨著頻率超出了 LM386 的頻率范圍。輸出的信號的幅值在高于一定值之后,反而下降。下降的 原因通過下面的輸出直流分量的變化可以看出來。

          在四種不同的頻率下運放的輸出是輸入信號的幅度之間的關系

          直流分量的變化如下圖所示。對于高出 LM386 截止頻率之外的信號,輸出直流偏質量隨著輸入信號的幅值增加而下降。從而影響了輸出信號的的動態范圍,這也使得輸出信號中的交流分量降低了。

          對比在四種頻率下,隨著輸入信號的幅值增加所引起的輸出直流偏移量的變化

          從上面的實驗可以看出,頻率的高低的確是影響 LM386 直流偏移量的主要原因。同時輸入信號的幅值也會影響到輸出直流偏移量。

          當輸入信號的有效值低于 0.1V 的時候,LM386 直流偏移量變化不大,這說明初級的整流效果還不明顯。當輸入信號的幅值增大,輸入級的整流效果增加,就帶動輸出直流分量下降。

          6. 兩組掃頻實驗結果

          第一組 :輸入有效值為 0.1Vrms 下圖對比了在輸入相同的情況下,隨著頻率的增加輸出直流量的變化。

          輸入 0.1Vrms 下不同頻率對應的輸出和直流偏置量的變化

          輸入 0.1Vrms 下,不同頻率對應的 LM386 直立偏移量的變化

          第二組:在 0.2Vrms 輸入頻譜對輸出的影響
          設置輸入信號的有效值為 0.2V,測試輸入信號的頻率對于輸出信號的幅值、輸出直流偏質量的影響。

          輸入信號的頻譜對輸出信號和直流偏置的影響

          在輸入 0.2Vrms 的情況下,信號的頻率對輸出和偏移量的影響

          將前面兩個實驗的直流偏移量隨著頻率的增加而變化的情況繪制在一起。

          可以看到當輸入信號的幅值增大時,頻率的增加會使得直流偏移量的變化更加明顯。

          對比在兩種輸入點好的電壓下,輸入頻譜對于運放直流偏移量的影響

          通過前面實驗數據說明,當輸入信號幅值增大,頻率增大時,LM386 的前級整流效果越明顯。

          前面同學制作的 LM386 功放如果可以收到當地調頻電臺的節目,根據前面分析,這需要有兩個條件:

          條件 1:在 LM386 的輸入端口進入的高頻電磁波的幅值足夠大,就會引起 LM386 輸出整流后的低頻信號;

          條件 2:在輸入回路中還應該有一個諧振回路,它的中心點與附近調頻電臺的頻率很接近。這一方面會增加接收信號的幅值,另一方面利用諧振特性曲線,將接收到的調頻信號的幅值也進行改變,進而有后級的 LM386 整流、放大輸出相應的調制音頻信號。

          運算放大器的 EMIRR

          從前面分析來看,施加在運算放大器輸入級的高頻信號,并不會因為運放的低通作用而被消除。相反,當該信號幅值大于一定程度之后,它會被運放前級整流,進而影響運放的直流工作點。

          輸入高頻電磁干擾會引起輸出直流電壓變化

          雖然從運放的輸入端、電源端和輸出端進入的高頻干擾信號都會影響到輸出直流偏置電壓,但從輸入端進入的干擾產生的影響最大。
          將輸入高頻干擾信號的幅值與它所引起的運放輸出直流的變化之比稱為運放的電磁干擾抑制比(EMIRR)。

          將運放配置成電壓跟隨器的形式,衡量正輸入端的高頻干擾信號與它所引起的運放輸出直流變化的比值定義為:EMIRR IN+。EMIRR 和 EMIRRIN+


          具體的計算公式如下:

          這個數值運放的數據手冊中會給出,它表明了運放對外部電磁干擾抑制的能力。如果電路工作電磁環境惡劣,在設計初期就需要選擇 EMIRR 高的運放設計電路。


          如果自己選擇的運放 EMIRR 數值不高?而又恰恰工作在高頻干擾復雜的環境中,那該怎么辦?


          此時就需要在電路系統的電磁防護上多下些功夫了。通過增加電路輸入輸出高頻濾波電路,對敏感電路區域增加有效屏蔽,對高功率部分增加隔離等。畢竟誰也不希望自己的電路隨時能夠收聽本地調頻電臺的廣播內容。

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          盡管串行通信(例如RS-232,RS-485和控制器局域網)仍然很流行,但在本文中,我將解釋向以太網....
          發表于 2020-01-04 09:41? 155次閱讀
          以太網與數字電網相結合的解決方案

          高速DSP系統的PCB板設計需要注意哪些問題

          高速DSP系統PCB板設計首先需要考慮的是電源設計問題。在電源設計中,通常采用以下方法來解決信號完整....
          發表于 2020-01-03 15:13? 275次閱讀
          高速DSP系統的PCB板設計需要注意哪些問題

          高速DSP系統的電磁兼容設計方案

          隨著電子技術的發展,各種電子產品經常在一起工作,它們之間的干擾越來越嚴重,所以電磁兼容問題成為一個電....
          發表于 2020-01-02 16:18? 186次閱讀
          高速DSP系統的電磁兼容設計方案

          運算放大器的放大問題

          如圖所示,同向端接輸入   通過輸出反饋到反向端,這樣不是輸出和同向端輸入一樣的波形嗎   這樣...
          發表于 2020-01-01 20:07? 612次閱讀
          運算放大器的放大問題

          TI豐富的產品組合為運算放大器設計提供選擇

          作為一個尋求運算放大器(op amp)的設計工程師,可以有很多選擇。另外,隨著如今生產周期不斷縮短,....
          發表于 2020-01-01 17:56? 822次閱讀
          TI豐富的產品組合為運算放大器設計提供選擇

          LTC6406等新的全差分運算放大器系列在單端應...

          最近在低壓硅鍺和 BiCMOS 工藝技術領域的進步已經允許設計和生產速度非常高的放大器了。因為這些工....
          發表于 2020-01-01 17:34? 212次閱讀
          LTC6406等新的全差分運算放大器系列在單端應...

          集成運算放大器是由多級直接耦合放大電路組成的高增...

          集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數的直接耦合放大器,主要由輸入、中間、輸出三部分組成。輸入部分是....
          發表于 2020-01-01 16:22? 254次閱讀
          集成運算放大器是由多級直接耦合放大電路組成的高增...

          運算放大器多種多樣 選擇錯誤的運算放大器可能會耗...

          TI豐富的產品組合由48個獨特的放大器組成(包括新的TLV9001、TLV9052、TLV9064)....
          發表于 2020-01-01 15:56? 227次閱讀
          運算放大器多種多樣 選擇錯誤的運算放大器可能會耗...

          低壓運算放大器在醫療電子中的應用設計

          近年來,以電池作為電源的電子產品得到廣泛使用,設計師迫切要求采用低電壓的模擬電路來降低功耗。
          發表于 2020-01-01 10:49? 200次閱讀
          低壓運算放大器在醫療電子中的應用設計

          如何減低PCB板中的電磁干擾問題

          由于電路板集成度和信號頻率隨著電子技術的發展越來越高,不可避免的要帶來電磁干擾,所以在設計PCB時應....
          發表于 2019-12-31 15:11? 273次閱讀
          如何減低PCB板中的電磁干擾問題

          采用“系列優先”的方法進行運算放大器設計

          在此技術文章中,您將了解到此新的運算放大器系列如何滿足各種項目需要,減少印刷電路板(PCB)的空間,....
          發表于 2019-12-30 09:09? 308次閱讀
          采用“系列優先”的方法進行運算放大器設計

          抗干擾濾波器的工作原理解析

          濾波器是應用最普遍的的一種抗干擾的方法,它主要是抑制通過電路通路直接進入的干擾,根據信號與干擾信號之....
          發表于 2019-12-27 16:30? 266次閱讀
          抗干擾濾波器的工作原理解析

          如何增加固定增益差分放大器的增益?

          可以增加固定增益差分放大器的增益嗎? 答:可以的,您只需增加更多的電阻。 經典的四電阻差分放大器可因應許多量測...
          發表于 2019-12-27 08:00? 1075次閱讀
          如何增加固定增益差分放大器的增益?

          電磁發射和磁場干擾的產生的原理解析

          各種數字電路芯片和高頻模擬電路芯片運行過程中,因PCB走線或產品各部分連線的設計不合理而產生天線效應....
          發表于 2019-12-26 16:59? 287次閱讀
          電磁發射和磁場干擾的產生的原理解析

          轉載一個實用資料:高性能運放芯片參數選擇

          在精密電路設計中,偏置電壓是一個關鍵因素。對于那些經常被忽視的參數,諸如隨溫度而變化的偏置電壓漂移和電壓噪聲等...
          發表于 2019-12-26 14:44? 422次閱讀
          轉載一個實用資料:高性能運放芯片參數選擇

          電磁干擾對工控計算機會有什么影響

          伴隨著計算機應用水平的不斷提升,對計算機的依賴已成為社會的必然。該計算機系統集成了系統的檢測,識別,....
          發表于 2019-12-24 14:35? 185次閱讀
          電磁干擾對工控計算機會有什么影響

          霍爾傳感器的檢測與測試方法

          電流傳感器的過載能力是指發生電流過載時,在測量范圍之外,原邊電流仍會增加,而且過載電流的持續時間可能....
          發表于 2019-12-23 08:57? 446次閱讀
          霍爾傳感器的檢測與測試方法

          霍爾傳感器的優點及用途

          許多人都知道,轎車的自動化程度越高,微電子電路越多,就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件,尤....
          發表于 2019-12-23 08:40? 267次閱讀
          霍爾傳感器的優點及用途

          運算放大器的PCB電路設計

          印制電路板(PCB)布線在高速電路中具有關鍵的作用,但它往往是電路設計過程的最后幾個步驟之一。
          發表于 2019-12-20 15:15? 239次閱讀
          運算放大器的PCB電路設計

          求幫忙推薦一款低功耗高精度差分運放ic

          各位前輩好,求推薦一款低功耗高精度差分運放ic,輸入共模電壓在mV量級,供電電壓允許5V以下,所需增益大約4V/V。...
          發表于 2019-12-20 03:30? 403次閱讀
          求幫忙推薦一款低功耗高精度差分運放ic

          如何正確布設運算放大器的電路板

          在電路設計過程中,應用工程師往往會忽視印刷電路板(PCB)的布局。通常遇到的問題是,電路的原理圖是正....
          發表于 2019-12-19 15:15? 480次閱讀
          如何正確布設運算放大器的電路板

          基于ANSYS電磁兼容仿真平臺的仿真EMI設計

          長期以來,設備的電磁兼容設計和仿真一直缺乏必要的仿真設計手段,只能依賴于設備后期試驗測試,不僅測量成....
          發表于 2019-12-17 16:06? 393次閱讀
          基于ANSYS電磁兼容仿真平臺的仿真EMI設計

          為什么將運算放大器用作比較器時會造成低速度呢?

          比較器用于大差分輸入電壓,而運算放大器工作時,差分輸入電壓一般會在負反饋的作用下降至最低。當運算放大....
          發表于 2019-12-13 15:24? 1370次閱讀
          為什么將運算放大器用作比較器時會造成低速度呢?

          ADI提出了創新的Silent Switcher...

          圖1顯示了快速和慢速開關轉換??焖匍_關轉換會給鄰近電路段產生更強的干擾耦合。存在電壓突變的PCB走線....
          發表于 2019-12-13 15:19? 1128次閱讀
          ADI提出了創新的Silent Switcher...

          國內首個搭載5G應用的鋼廠工業互聯網聯調成功

          2019年是中國5G商用元年。日前,湖北移動和中國信科攜手于中國寶武旗下鄂城鋼鐵,在廠區內建成首個5....
          發表于 2019-12-12 16:54? 1430次閱讀
          國內首個搭載5G應用的鋼廠工業互聯網聯調成功

          醫療設備的電磁干擾屏蔽設計

          電磁干擾(EMI)是電磁兼容的一個分支,它是指研究和抑制噪聲信號的干擾,使其不影響電路的正常功能。在....
          發表于 2019-12-11 15:55? 308次閱讀
          醫療設備的電磁干擾屏蔽設計

          如何解決PCB設計時ESD引起的靜電干擾

          靜電源于其它物體接觸時,依據電荷中和的物理存在著電荷流動,傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送....
          發表于 2019-12-06 15:23? 389次閱讀
          如何解決PCB設計時ESD引起的靜電干擾

          220V高性能精密運算放大器滿足高壓運放的設計挑...

          大部分工程師大概沒有多少機會應用到高壓(60V至100V以上)運算放大器,但實際上在很多應用中由于輸....
          發表于 2019-12-06 08:44? 342次閱讀
          220V高性能精密運算放大器滿足高壓運放的設計挑...

          華碩ROG Strix PCIe延長線上架,采用...

          12月4日消息,不久前,華碩推出了ROG Strix PCIe延長線,用于連接豎置顯卡,沒有任何RG....
          發表于 2019-12-05 14:59? 1189次閱讀
          華碩ROG Strix PCIe延長線上架,采用...

          開關電源中產生電磁干擾的原理解析

          在開關電源輸入電源線中向外傳播的騷擾,既有差模騷擾、又有共模騷擾,共模騷擾比差模騷擾產生更強的輻射騷....
          發表于 2019-12-03 15:41? 460次閱讀
          開關電源中產生電磁干擾的原理解析

          在復雜的電子系統中電源帶來的嚴重問題

          解決電源中EMI相關問題的典型方法是什么?首先,確定EMI就是一個問題。這看似很顯而易見,但是確定其....
          發表于 2019-12-02 15:52? 1165次閱讀
          在復雜的電子系統中電源帶來的嚴重問題

          淺談單電源放大器電路的正確去耦方法

          一種常見的,但是錯誤的做法是通過一個帶有0.1μF旁路電容的100kΩ/100kΩ分壓電路來向運算放....
          發表于 2019-12-01 10:50? 1237次閱讀
          淺談單電源放大器電路的正確去耦方法

          RS-485芯片抑制EMC電磁干擾的設計方案

          當RS-485芯片接受到差分電壓大于200mV時,RO腳輸出低電平,而本身DI可以輸出1.5V的差分....
          發表于 2019-11-29 17:17? 433次閱讀
          RS-485芯片抑制EMC電磁干擾的設計方案

          建造一個電波暗室需要考慮哪些問題

          暗室的作用就是防止外來電磁波的干擾,使測量活動不受外界電磁環境的影響,防止測試信號向外輻射形成干擾源....
          發表于 2019-11-26 17:17? 422次閱讀
          建造一個電波暗室需要考慮哪些問題

          開關電源傳導EMI經驗總結

          開關電源的電磁干擾測試可分為傳導測試與輻射測試,一般開關電源的傳導測試頻段是指150K~30MHz之....
          發表于 2019-11-26 11:39? 1528次閱讀
          開關電源傳導EMI經驗總結
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