典型電路分析之射隨器電路分析

1、典型電路分析之射隨器電路分析射隨，是我們通常對(duì)射極跟隨器的簡(jiǎn)稱，其實(shí)也就是共集電極放大器，它的特點(diǎn)： 1、 晶體管射隨電路具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗-基極回路電阻的1/1+(是晶體管的直流放大系數(shù)，也就是三極管規(guī)格書中的hFE,BC857AW正常工作時(shí)為250)，具有隔離阻抗變換的作用。 2、電流增益很大，Ie=Ib(1+)。 3、電壓增益接近1，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)同相，大小基本相等，這也是射隨名字的由來(lái)。 由于射隨的這幾個(gè)特點(diǎn)，我們將其用在例如中放VIDEO輸給DECODER，DECODER 的AV OUT等電路，彌補(bǔ)原先器件輸出電流小，帶載能力不足的缺點(diǎn)，減少后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影

2、響,從而達(dá)到增強(qiáng)電路的帶負(fù)載能力和前后級(jí)阻抗匹配,射隨器同時(shí)還可以隔離逆向干擾，一路信號(hào)可以通過(guò)兩個(gè)射隨分成兩路，而不會(huì)互相干擾，所以AV OUT，AUDIO OUT也經(jīng)常使用這個(gè)電路。目前我們常用的射隨電路根據(jù)使用PNP或NPN三極管也有兩種形式： A、PNP圖1上面這個(gè)電路經(jīng)常用于我們的AV OUT電路。輸入信號(hào)VIDEO IN波形變高時(shí)，三極管截止，VCC通過(guò)R1給C1充電；輸入信號(hào)VIDEO IN波形變低時(shí)，三極管導(dǎo)通，C1通過(guò)導(dǎo)通的三極管對(duì)地放電。 電路形式看似很簡(jiǎn)單，器件不多，但如果器件使用不當(dāng)?shù)脑挘苋菀自斐奢敵霾ㄐ问д妫?1、電容C1： C1在這個(gè)電路中起著僅次于三極管的作用。

3、電容的特性直觀的說(shuō)就是會(huì)保持電容兩端電壓不突變，電容量越大，這個(gè)阻止電壓突變的能力就越強(qiáng)。而通常我們說(shuō)的通交流隔直流，可以通過(guò)這個(gè)公式來(lái)分析： 電路中電容的容抗Xc=1/2f C ，其中f為信號(hào)的頻率，C為電容量的大小。 那么也就是說(shuō)，當(dāng)C不變時(shí)，頻率越高，容抗Xc越小，那么電流越大，信號(hào)越容易通過(guò)。那么為什么直流會(huì)被隔離呢？直流電平，相當(dāng)于f=0,這時(shí)候容抗Xc=無(wú)窮大，相當(dāng)于開路，信號(hào)自然無(wú)法傳送過(guò)去了。 當(dāng)f不變時(shí)，C越大，容抗Xc越小，那么電流越大，信號(hào)越容易通過(guò)。這也就是為什么我們平時(shí)在選用電源濾波電容時(shí)，用uF級(jí)的電容來(lái)濾除幾十Hz的紋波，而用nF級(jí)的電容，來(lái)濾除幾十kHz的紋波。

4、 （uF×10Hz=nF×10kHz） 再回到圖1這個(gè)電路，如果C1選用的電容量太小的話，會(huì)導(dǎo)致VIDEO信號(hào)中高電平穩(wěn)不住，場(chǎng)同步期間(也就是信號(hào)的低電平)的低電平也穩(wěn)不住。如下圖所示，圖2為C1=1000uF時(shí)VIDEO OUT的波形，信號(hào)上部和場(chǎng)同步基本不失真。圖3為將C1改為100uF之后的波形，信號(hào)上部及場(chǎng)同步頭明顯失真(我們通常說(shuō)的擺頭)。圖2圖3為什么電容量的大小會(huì)導(dǎo)致這樣的信號(hào)失真呢？有2種方法可以分析：方法1： 交流電路中，電容的等效容抗Xc=1/2f C，那么射隨電路的輸出口等效電路為： 圖4對(duì)于理想電路，Xc=0,Vo= Vo=Vi×R5/(

5、 R4+R5)=0.5Vi，我們的實(shí)際電路中，如果取C=100uF,這時(shí)候Xc=1/2f C,其中f=50,C=100uF,則Xc=31.84歐， 代入Vo=Vi×R5/(Xc+R4+R5)得： Vo=75Vi/(31.84+75+75)=0.41Vi，輸出波形失真(0.5-0.41)/0.5=17.5%,所以能看到圖3中的扭曲失真。 如果我們?nèi)=1000uF,這時(shí)候Xc=3.18歐，代入得： Vo=75Vi/(3.18+75+75)=0.4896Vi,失真只有(0.5-0.4896)/0.5=2%，所以圖2中基本看不出失真來(lái)。 · 有人要問(wèn)，用這種方法來(lái)看，失真是因?yàn)殡?/p>

6、容的阻抗分壓導(dǎo)致接收端R6的幅度Vo變小導(dǎo)致的。可是從圖3的實(shí)際波形來(lái)看，無(wú)論是場(chǎng)同步期間還是信號(hào)高電平的波形都只是扭曲，而幅度并沒(méi)有變小，這是為什么呢？ 其實(shí)，幅度有變小，但變小的是低頻信號(hào)。整場(chǎng)的信號(hào)可以看做是由頻率50Hz的低頻信號(hào)(場(chǎng)同步期間的低電平和信號(hào)高電平)與頻率15k左右的行周期信號(hào)組成的。對(duì)于低頻信號(hào)，由于容抗Xc=1/2f C較大，所以幅度減小，以場(chǎng)同步期間波形為例，原始波形為：· 低頻的低電平經(jīng)過(guò)電容后變成： 高頻的行開槽信號(hào)經(jīng)過(guò)電容后，因頻率較高，基本直通，幅度不變： 疊加后最終的輸出波形就象圖3一樣，整個(gè)向上扭曲： 方法2： 我們先來(lái)看看電容充放電過(guò)程： 圖

7、5圖5中，電容兩端原始電壓為U0，之后電容通過(guò)負(fù)載R放電， 時(shí)間t后電容兩端電壓Uc=U0e-t/RC 充電過(guò)程為上面這個(gè)過(guò)程的逆過(guò)程，大家可以自己分析。 將上面這個(gè)公式用到下圖6后，可以看出，當(dāng)VIDEO信號(hào)過(guò)來(lái)一個(gè)場(chǎng)同步頭-低電平Vo時(shí)，三極管導(dǎo)通，電容C1通過(guò)三極管放電 圖6但如圖5，因?yàn)镃1放電，所以場(chǎng)同步這個(gè)低電平Vo無(wú)法保持，時(shí)間t后Vo的實(shí)際電平Vt=Vo e-t/RC 現(xiàn)在如圖3，取C=100uF, e=2.71828 t=低電平持續(xù)時(shí)間=2ms(雖然場(chǎng)同步上還有例如開槽脈沖等信號(hào)，但這些信號(hào)是高頻的，對(duì)直流電平不會(huì)有影響，所以不用考慮，所以t應(yīng)該取整個(gè)場(chǎng)同步周期，約=1/10

8、場(chǎng)周期=2ms) R=R4+R5=150 代入后可求得：Vt/Vo=0.878,失真12.2% 如果C=1000uF, Vt/Vo=0.987,失真2.2% 可以看出，用這種方法計(jì)算的結(jié)果和方法1的結(jié)果近似。 · 由以上分析可得，電容C1越大，波形失真越小，但受布板空間及成本限制，推薦C1選取470uF.此時(shí)Vt/Vo=0.972,失真2.8%,已經(jīng)能滿足要求。 · 由以上這兩個(gè)公式也可以解釋另一個(gè)問(wèn)題：為什么音頻電路中的隔直電容可以用的很小？因?yàn)橐纛l電路的負(fù)載電阻很大(10k or 47k)，因此要保持同樣的失真度的話，電容C只需要視頻中的幾百分之一，所以音頻電路中的隔直

9、電容一般為nF級(jí)的。 2電阻R1： 下圖7為輸入亮點(diǎn)信號(hào)(為什么用這個(gè)信號(hào)后面分析)時(shí)，VCC=5V，R1=100歐時(shí)AV OUT的波形(已帶75負(fù)載)，輸出的信號(hào)幅度為562mV，將R1改為470后，如圖8所示，同步頭不變，但信號(hào)幅度只剩下237mV,上面部分的波形都被切掉了： 圖7圖8為什么會(huì)有這樣的問(wèn)題？R1該如何取，是否將R1改小就能解決這個(gè)問(wèn)題？分析如下： 例如圖7中，AV OUT 波形幅度562mV,那么C1負(fù)極的幅度就是562*2=1124mV,也就是說(shuō)C1負(fù)極處的最高電平為1124mV?？梢郧蟪鲞_(dá)到這個(gè)電平瞬間的通過(guò)C1電流Ir=U/R=1124/150=7.5mA。 而這個(gè)電

10、流Ir也等于此時(shí)流過(guò)電阻R1的e極電流Ie=(VCC-Ve)/R1，所以(VCC-Ve)/R1=7.5mA，Ve=此時(shí)射極的直流電平=直流偏置+1.124V,如果直流偏置為VCC/2的話,R1=1376/7.5=183歐。也就是說(shuō)R1一定要小于183歐，才能讓一個(gè)信號(hào)幅度562mV的波形不失真的通過(guò)。 那么圖8中，R1=470歐，假設(shè)負(fù)載R5上的波形峰峰值為Vpp,那么同上，由Ir=Ie => (2Vpp/150)=(5-2.5-2Vpp)/470,求得Vpp=302mV, 只能讓一個(gè)信號(hào)幅度302mV的波形不失真的通過(guò)，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)幅度0.7V的VIDEO信號(hào)，這個(gè)失真就很厲害了。

11、理論上R1越小，帶載能力越強(qiáng)，但一味減小R1的阻值，會(huì)導(dǎo)致三極管導(dǎo)通時(shí)通過(guò)的電流過(guò)大，一個(gè)加大了功耗，容易燒三極管，一個(gè)是三極管的放大系數(shù)會(huì)隨電流Ie的增大而降低：Ie由20mA加大到40mA, Hfe就由160降低到了130。 所以R1不能取太小，這個(gè)方法不推薦。那么我們?cè)撛趺崔k呢？答案是： 1、提高VCC 2、改變?nèi)龢O管b極的直流偏置(這點(diǎn)放在下一節(jié)分析) 上面的計(jì)算中VCC=5V，那我們來(lái)看看，如果我們?nèi)1=330歐，VCC增大到9V(Ie=9000/330=27mA)，能通過(guò)的Vpp是多少：(2Vpp/150)=(4.5-2Vpp)/330，Vpp=0.7V,也就是可以通過(guò)信號(hào)幅度0

12、.7V的VIDEO信號(hào)，已經(jīng)能滿足我們的要求了。而三極管導(dǎo)通時(shí)的電流，Vcc=5V,R1=100歐，Ie=50mA,如果Vcc=9V,R1=330歐，Ie=27mA.減小了很多。所以，在視頻射隨電路中，必須保證VCC>8V。下面先說(shuō)說(shuō)為什么要用亮點(diǎn)信號(hào)來(lái)做測(cè)試： 圖9圖10圖9為亮點(diǎn)信號(hào)，圖10為全白場(chǎng)信號(hào)的波形，大家可以看到，圖9中0電平基本在鉗位黑電平處，那么動(dòng)態(tài)范圍要求的最大值差不多就是信號(hào)幅度，也就是562mV,而在圖10中，0電平已經(jīng)快接近信號(hào)頂部了，對(duì)于這個(gè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍的要求，只需要大約200mV,動(dòng)態(tài)范圍的要求遠(yuǎn)低于亮點(diǎn)信號(hào)。所以大家在看波形失真的時(shí)候，一定要使用類似亮點(diǎn)

13、信號(hào)這樣的圖形。 3、直流偏置： 先重申一下幾個(gè)概念： · 黑電平：在視頻信號(hào)中，最暗的信號(hào)的電平，如灰階信號(hào)最低那階的信號(hào)電平。 對(duì)黑電平位置的規(guī)定，有2種標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)NTSC-M標(biāo)準(zhǔn)中，黑電平定在比同步頭后肩高7.5IRE的位置。也就是下圖11中0.357V的地方 圖11除了NTSC-M外，PAL、日本的NTSC-J標(biāo)準(zhǔn)中，黑電平定在同步頭的后肩上，也就是下圖12中0.321V的地方： 圖12· 零電平： 也就是圖9，圖10中標(biāo)出的示波器箭頭1>的位置，表示的是直流0電平的位置，也就是平常我們信號(hào)GND處的電平。 · 直流電平： 信號(hào)去掉交流調(diào)制后剩下的直

14、流信號(hào)的位置。也就是我們通常說(shuō)的直流偏置。對(duì)與通過(guò)電容后的交流信號(hào)來(lái)說(shuō)，直流電平=0。平時(shí)可以用萬(wàn)用表一端接地，一端測(cè)量信號(hào)處，得到的電壓值就是信號(hào)的直流電平。 回到我們要討論的直流偏置：圖1中，C2將VIDEO IN隔直，通過(guò)R2，R3重新給VIDEO IN一個(gè)直流偏置。為了保證動(dòng)態(tài)范圍足夠，也就是C1正極的直流電平最好= VCC /2。為了保證基極的直流偏置電壓穩(wěn)定，要求流過(guò)R2，R3的電流I2，I3要遠(yuǎn)大于Ib(取Ie的平均值20mA,BC857AW的放大倍數(shù)150，Ib=Ie/Hfe=20mA/150=130uA)，I2,I3至少要mA級(jí)，就要求R2，R3要盡量小，至少到K歐這一級(jí)。

15、第2節(jié)中提到要想增大動(dòng)態(tài)范圍，可以改直流偏置，那么，偏置電壓該取幾V呢？對(duì)圖1這個(gè)PNP電路來(lái)說(shuō)，如果輸入的是VIDEO信號(hào)，因?yàn)閑極最低只能到0V(c極是0V，Vec要>0),假設(shè)最嚴(yán)格的情況整個(gè)VIDEO 連同步頭2V的波形都在0電平以下(實(shí)際中不可能)，那么e極的直流電平必須>2V,b極則應(yīng)>2-0.7=1.3V,所以如果是9V Vcc的話，對(duì)視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，R2，R3分壓完后在基及的最佳偏置電壓應(yīng)該是1.5V,這樣在選擇R1值的時(shí)候的取大一些，降低電流，降低三極管的功耗。我們來(lái)計(jì)算一下這時(shí)候R1可以增大到多少： 按最大的信號(hào)幅度1.4V算(亮點(diǎn)信號(hào)，直流電位基本在零電平

16、，有效信號(hào)幅度1.4V)， (1.4V/150)=9-(2V+1.4V) /R1 R1=600歐 由VCC/(R2+R3)=Vb/R3，在VCC=9V時(shí)，R2=5×R3，考慮基極電流的影響，可以取R2=5.6K，R3=1K，這時(shí)候直流偏置大概是0.13×1+9/(5.6+1)=1.5V。 所以，綜上所述，對(duì)于VIDEO信號(hào)，推薦設(shè)置Vcc=9V,R2=5.6K, R3=1K, R1=470歐。 但是，注意這個(gè)但是，在音頻信號(hào)中，由于音頻信號(hào)是交流的，且幅度可能較大，所以對(duì)于音頻信號(hào)，Vcc必須取9V或以上，e極偏置在Vcc/2=4.5V處，b極就是4.5-0.7=3.8V,

17、 同樣可以算出，R2=5.2R3/3.8,可以取R2=2.7K，R3=2K。 所以，對(duì)AUDIO信號(hào)，推薦設(shè)置Vcc=9V, R2=2.7K,R3=2K,R1=4.7K。 4、作為AV OUT電路時(shí)輸出幅度的調(diào)節(jié)-R4： 如果射隨用在AV OUT電路,因?yàn)榻邮辗诫娐愤€有一個(gè)75歐的對(duì)地匹配電阻，因此接受方獲得的實(shí)際幅度為Vout×75/(R4+75),正常情況下Vout=2Vpp,R4=75歐，接受方Vpp=1V,正好。但如果因?yàn)樾酒拗苹蚱渌?，Vout偏大或偏小，就可以通過(guò)調(diào)整R4的大小使接收方最終獲得的幅度也為標(biāo)準(zhǔn)的1Vpp. 5、作為AV OUT電路，進(jìn)行電路驗(yàn)證確認(rèn)是否會(huì)

18、失真時(shí)，一定要接上負(fù)載看，否則空載沒(méi)有形成回路看基本都沒(méi)問(wèn)題，帶載就不行了。 6、是否需要隔直后再偏置？ 雖然用在AV OUT時(shí)基本上都要用電容C2先隔直再加上偏置電壓，但如果是一體化TUNER的VIDEO OUT，它的內(nèi)部已經(jīng)有射隨電路了，帶載能力足夠，直流電平為0，因此不需要加射隨，可以直接送給后端的DECODER。如果是分離式TUNER+中放，大部分中放電路的輸出的VIDEO信號(hào)都已經(jīng)有帶上直流偏置(大概在2V左右)，而且它們自帶的直流偏置與我們用電容隔直后再加的不同，直流偏置電平是始終鎖定在信號(hào)黑電平上的，如下圖： 圖13圖14圖13、圖14為射頻分別輸入全白場(chǎng)(直流電平最高的信號(hào))及

19、亮點(diǎn)信號(hào)(直流電平最低的信號(hào))時(shí)，中放輸出口上的波形，可以看出，信號(hào)內(nèi)容改變，但直流電平不變，都鉗在黑電平上。再來(lái)看看如果隔直完再偏置： 圖15圖16圖15、圖16為同樣輸入全白場(chǎng)及亮點(diǎn)信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)電容隔直再重新偏置到大約1V后的波形，可以看出， 亮點(diǎn)信號(hào)的直流偏置基本還是在黑電平上(因?yàn)榱炼刃盘?hào)有效值很小)，而白場(chǎng)信號(hào)的直流偏置處已經(jīng)接近信號(hào)頂端了(黑電平已經(jīng)沉到-0.8V了)。 這會(huì)造成什么影響呢？如果直接將中放輸出信號(hào)送入射隨的三極管，那么我們只需要保證2V的動(dòng)態(tài)范圍就足夠了(無(wú)論輸出什么信號(hào)，整個(gè)信號(hào)幅度只有2V)。如果我們將其經(jīng)過(guò)電容隔直再重新偏置，然后送入射隨的三極管呢？可以由圖1

20、5，圖16看到，三極管的動(dòng)態(tài)范圍基本上要保證零電平以上2V(亮點(diǎn)信號(hào))至零電平以下2V(白場(chǎng)信號(hào))，也就是需要4V的動(dòng)態(tài)范圍。這對(duì)三極管的動(dòng)態(tài)范圍要求高了一倍。因此建議如果用在中放輸出電路時(shí)，C2，R2，R3可以先布上，如果中放輸出已經(jīng)有直流偏置了，就不需要再畫蛇添足，加個(gè)跳線跳過(guò)，直接送到三極管即可。 7、電容C2 C2作用其實(shí)與C1相似，但因?yàn)镽2/R3之后是K級(jí)的，所以C2的電容量大概只需要C1的1/10就夠了 ，所以C2可以選擇100uF。 B、NPN： 圖17NPN三極管組成的射隨電路，輸入信號(hào)VIDEO IN波形變高時(shí)，三極管導(dǎo)通，VCC通過(guò)導(dǎo)通的三極管給C1充電；輸入信號(hào)VIDE

21、O IN波形變低時(shí)，三極管截止，C1通過(guò)R1對(duì)地放電。 對(duì)于NPN的射隨電路，基本的分析方法和PNP相同，這里就不重復(fù)分析了。現(xiàn)在來(lái)說(shuō)說(shuō)NPN和PNP的選用問(wèn)題： 選NPN還是PNP電路，理論上的電壓增益都是一樣的(略小于或等于1)，極性也沒(méi)有變化。假如輸入端有C2隔直，選NPN或是PNP電路并沒(méi)有差別，也不用考慮電流輸出(NPN)或吸入(PNP)的問(wèn)題。但是象上面說(shuō)的，中放輸給DECODER時(shí)常常是沒(méi)有隔直電容的，這時(shí)就要根據(jù)輸入端的直流偏置來(lái)選用了。 另外，由于一般情況下前端輸出電路電流輸出型的，在無(wú)隔直電容的射隨電路中，選NPN還是PNP電路是要考慮電流輸出或吸入的。但是可以通過(guò)在b極對(duì)

22、地接一個(gè)電阻的辦法解決PNP射隨器的電流吸入問(wèn)題。4、作為AV OUT電路時(shí)輸出幅度的調(diào)節(jié)-R4： 如果射隨用在AV OUT電路,因?yàn)榻邮辗诫娐愤€有一個(gè)75歐的對(duì)地匹配電阻，因此接受方獲得的實(shí)際幅度為Vout×75/(R4+75),正常情況下Vout=2Vpp,R4=75歐，接受方Vpp=1V,正好。但如果因?yàn)樾酒拗苹蚱渌?，Vout偏大或偏小，就可以通過(guò)調(diào)整R4的大小使接收方最終獲得的幅度也為標(biāo)準(zhǔn)的1Vpp. 5、作為AV OUT電路，進(jìn)行電路驗(yàn)證確認(rèn)是否會(huì)失真時(shí)，一定要接上負(fù)載看，否則空載沒(méi)有形成回路看基本都沒(méi)問(wèn)題，帶載就不行了。 6、是否需要隔直后再偏置？ 雖然用在AV O

23、UT時(shí)基本上都要用電容C2先隔直再加上偏置電壓，但如果是一體化TUNER的VIDEO OUT，它的內(nèi)部已經(jīng)有射隨電路了，帶載能力足夠，直流電平為0，因此不需要加射隨，可以直接送給后端的DECODER。如果是分離式TUNER+中放，大部分中放電路的輸出的VIDEO信號(hào)都已經(jīng)有帶上直流偏置(大概在2V左右)，而且它們自帶的直流偏置與我們用電容隔直后再加的不同，直流偏置電平是始終鎖定在信號(hào)黑電平上的，如下圖： 圖13圖14圖13，圖14為射頻分別輸入全白場(chǎng)(直流電平最高的信號(hào))及亮點(diǎn)信號(hào)(直流電平最低的信號(hào))時(shí)，中放輸出口上的波形，可以看出，信號(hào)內(nèi)容改變，但直流電平不變，都鉗在黑電平上。再來(lái)看看如果隔直完再偏置： 圖15圖16圖15，圖16為同樣輸入全白場(chǎng)及亮點(diǎn)信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)電容隔直再重新偏置到大約1V后的波形，可以看出， 亮點(diǎn)信號(hào)的直流偏置基本還是在黑電平上(因?yàn)榱炼刃盘?hào)有效值很小)，而白場(chǎng)信號(hào)的直流偏置處已經(jīng)接近信號(hào)頂端了(黑電平已經(jīng)沉到-0.8V了)