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解释波特图中的相位

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解释波特图中的相位


电抗电路需要仔细分析,以确定它们如何与不同频率的信号相互作用。在用于理解电抗电路的各种工具中,主要工具是波特图。这个简单的图只是对数刻度上电路的传递函数,但是此图的两个部分告诉您有关信号行为的重要信息。

在滤波器或放大器中,波特图中的相位曲线表示输入信号与输出信号之间的分离,当我们考虑电路中反馈的作用时,这一点变得非常重要。然而,在波特图中,相位的一个经常未被考虑的方面是它对稳定性的影响,这在负反馈放大器中会出现。为了更好地了解Bode图中的相位对您的电路的影响,让我们简要分析这些系统,并展示如何在Bode图中的相位曲线中确定重要的数量。

波特图中的重要相位点

一个波特图是一个简单的方法来显示在一些重要的信息传递功能的线性时不变(LTI)系统。简而言之,可以使用伯德图总结任何LTI系统的频率响应。人们在Bode图中找到的信息取决于以下几个因素:

电路类型:滤波器和放大器相似,但根据电路拓扑以及是否使用有源元件,可能会产生略有不同的影响。

反馈的存在:如果电路中存在反馈,则电路可能过渡到不稳定状态。可以通过查看波特图的大小和相位来确定这一点。

极点或零点的存在:这些频率分别在波德图幅值曲线中显示为峰和谷,并且相位曲线可能会通过这些频率的某些点。

由于滤波器和放大器遵循类似的想法,因此有助于查看这两种类型的电路,以了解波特图相位曲线中包含哪些信息。

高通和低通滤波器

下图显示了一阶低通滤波器的波特图(顶部:幅度,底部:相位)。相位图显示了当源频率开始进入截止区域时相移如何发展。在此,当波特图中的相移为45度时,幅度曲线将通过大约-3 dB。对于高通滤波器,可以看到相同的特性,尽管幅度曲线会颠倒。

一阶低通滤波器的幅值和相位(波德图)。

当查看这些滤波器时,我们通常关注幅度曲线,因为它将具有标准的滚降值和45度相移点处的衰减。对于上面显示的一阶低通滤波器,幅度曲线在45度相移时具有标准的-20 dB /十倍频降和-3 dB衰减。对于N级滤波器,其中N个滤波器级串联在一起,这些滚降和衰减值将乘以N

对于无源滤波器电路,这基本上总结了波特图中的要点。具有多个截止级的更复杂的滤波器也可以类似的方式进行分析。在存在反馈的放大器电路中,波特图的相位曲线中还包含其他信息,需要确保放大器稳定性。

运算放大器

在具有负反馈的运算放大器电路中,我们可以确定放大器可能在哪个频率下被不稳定驱动。如果反馈环路中的相位偏移180度,则系统中的反馈会从负反馈切换为正反馈,反馈会从负反馈切换为正反馈,并且放大器将开始振荡。最终,输出将饱和,输出信号将被严重削波(这是在比较器电路中发生的情况)。

可以通过查看Bode图中的幅度和相位来总结向不稳定性的过渡。当图中有一个具有正增益和180度相移的区域时,由于反馈已从负变为正,输出将变得不稳定。负反馈运算放大器电路的示例如下所示。度量增益裕度相位裕度通常用于定义放大器电路何时变得不稳定。这些在下面的示例中说明。

波特图的幅值和相位用于稳定和不稳定的放大器电路。

电路设计期间的波特图模拟

无论您是要设计滤波器,放大器,匹配网络还是其他电路,使用的电路设计工具都可以帮助您保持高效。当需要生成波特图时,电路设计工具应包括带有扫频仿真的SPICE仿真器。SPICE仿真器可以扫描一系列频率来计算电路中每个网络的电压和电流。然后可以在标准的波特图中显示时域中每个频率的结果,以供进一步分析。

零极点分析可以立即在Bode图中找出关键点的相关模拟。该计算将给出产生共振(称为极点)和总衰减(称为零)的频率。该技术的优势在于它还返回了每个频率的衰减常数,从而描述了时域中的瞬态响应。

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