為什么用LM386可以收聽(tīng)調(diào)頻電臺(tái)節(jié)目？

為什么普通的音頻功放在某些情況下可以直接收聽(tīng)到調(diào)頻電臺(tái)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(diǎn)，需要稍微比在大學(xué)課本中介紹的運(yùn)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(chǔ)上了解運(yùn)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(diǎn)之所以重要，是因?yàn)楝F(xiàn)在電路工作環(huán)境中該高頻電磁干擾逐漸增多，例如設(shè)備中的高頻開(kāi)關(guān)電源、WiFi、Bluetooth、ZIgbee 等無(wú)線(xiàn)通信模塊等。在設(shè)計(jì)電子信號(hào)調(diào)理電路時(shí)如果不防治 EMI，就有可能讓外部的高頻電磁干擾侵?jǐn)_到電路中，甚至是電路無(wú)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

下圖是從 TI 公司產(chǎn)生的 LM386 內(nèi)部等效電路圖。它包括有前級(jí)差分輸入、電壓放大以及功率推挽輸出。由于內(nèi)部已經(jīng)有電阻負(fù)反饋回路，所以工作在單電壓下，輸出級(jí)會(huì)自動(dòng)偏置在部分。

TI 公司的 LM386 內(nèi)部等效電路圖

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

2. LM386 的頻率特性

為了研究 LM386 受到高頻信號(hào)的影響，需要了解它的頻率特性，即隨著輸入信號(hào)的頻譜不同，運(yùn)放的幅度增益和相位變化。下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)際電路，實(shí)測(cè) 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(hào)從 PIN3 通過(guò)電解電容 10 耦合到電路中來(lái)。

LM386 實(shí)驗(yàn)電路

在實(shí)驗(yàn)電路中，輸入 10mV 左右的信號(hào)。頻率從 1kHz 增加到 2MHz，輸出信號(hào)的幅度隨著頻率的變化而出現(xiàn)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(dāng)頻率高的時(shí)候輸出點(diǎn)的直流分量也出現(xiàn)變化。

通過(guò)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(xiàn)顯示 LM386 是一個(gè)低通濾波器的特性。輸出增益下降到原來(lái)的的時(shí)候，所對(duì)應(yīng)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(hào)的幅值增益，同時(shí)還會(huì)引起輸出信號(hào)的相位移動(dòng)。下面顯示了輸入輸出波形之間關(guān)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(guān)系

將輸出信號(hào)的幅度以及它與輸入信號(hào)之間的相位差繪制出來(lái)，可以清楚看到頻率引起的變化。隨著信號(hào)頻率的增加，輸出信號(hào)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(hào)會(huì)引起 LM386 輸出直流偏置電壓變化？
從前 LM386 的內(nèi)部機(jī)構(gòu)和基本的頻率特性可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率比較低的時(shí)候，LM386 的電壓放大倍數(shù)比較大，輸入輸出的相位差小，IC 內(nèi)部負(fù)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)使得輸入差分放大級(jí)的輸入信號(hào)與反饋信號(hào)基本上呈現(xiàn)平衡，抵消后實(shí)際作用在輸入三極管基極 - 發(fā)射極上的交變信號(hào)量比較小，此時(shí)三極管工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)。

當(dāng)輸入信號(hào)的頻率增加之后，超過(guò)截止頻率（550kHz）之后，LM386 的電壓增益下降，使得反饋信號(hào)逐漸低于輸入信號(hào)。同時(shí)由于反饋信號(hào)的相位逐漸落后于輸入信號(hào)，也進(jìn)一步加大了輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的差別。最終提高了作用在輸入級(jí)三極管基極 - 發(fā)射極上的交流電壓分量。當(dāng)該交流電壓分量超過(guò)一定幅值，由于三極管基極導(dǎo)通呈現(xiàn)非線(xiàn)性整流作用，因此就會(huì)產(chǎn)生附加的整流電壓。該電壓經(jīng)過(guò)放大之后，就逐步影響到輸出級(jí)的直流電壓，從而改變 LM386 的直流偏置。

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

通帶內(nèi)的頻率：1kHz, 50kHz

過(guò)渡帶的頻率：250kHz

阻帶內(nèi)的頻率：1000kHz

不同頻率輸入信號(hào)對(duì) LM386 直流偏置的影響

1. 頻率為 1kHz 正弦信號(hào)

設(shè)置輸入信號(hào)為 1kHz 的正弦波，輸入 LM386。信號(hào)的有效值幅度從 0.01 逐步升高到 1.00V，對(duì)應(yīng)的 LM386 的輸出以及輸出直流偏移量變化如下：

?

輸入信號(hào)幅值增大與輸出信號(hào)幅值、輸出直流偏移量之間的關(guān)系

?

LM386 輸出波形的變化

2. 頻率為 50kHz 正弦信號(hào)

在輸入信號(hào)的頻率為 50KHz 下，輸出信號(hào)的有效值和直流偏移量隨著輸入信號(hào)的有效值從 0.01V 變化到 1.0V 的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的變化情況。

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

在 50kHz 下輸出波形隨著輸入信號(hào)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(hào)

在 250kHz 下，輸入信號(hào)增大所引起的輸出信號(hào)和輸出偏移量之間的關(guān)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(hào)

?

在 1MHz 下，LM386 輸出幅值和直流偏移量之間的關(guān)系

?

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

5. 不同頻率信號(hào)結(jié)果對(duì)比

在不同的頻率下，輸出的信號(hào)在開(kāi)始的時(shí)候都是隨著輸入信號(hào)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(hào)的幅值在高于一定值之后，反而下降。下降的 原因通過(guò)下面的輸出直流分量的變化可以看出來(lái)。

在四種不同的頻率下運(yùn)放的輸出是輸入信號(hào)的幅度之間的關(guān)系

直流分量的變化如下圖所示。對(duì)于高出 LM386 截止頻率之外的信號(hào)，輸出直流偏質(zhì)量隨著輸入信號(hào)的幅值增加而下降。從而影響了輸出信號(hào)的的動(dòng)態(tài)范圍，這也使得輸出信號(hào)中的交流分量降低了。

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

從上面的實(shí)驗(yàn)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(shí)輸入信號(hào)的幅值也會(huì)影響到輸出直流偏移量。

當(dāng)輸入信號(hào)的有效值低于 0.1V 的時(shí)候，LM386 直流偏移量變化不大，這說(shuō)明初級(jí)的整流效果還不明顯。當(dāng)輸入信號(hào)的幅值增大，輸入級(jí)的整流效果增加，就帶動(dòng)輸出直流分量下降。

6. 兩組掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第一組 ：輸入有效值為 0.1Vrms 下圖對(duì)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(duì)應(yīng)的輸出和直流偏置量的變化

?

輸入 0.1Vrms 下，不同頻率對(duì)應(yīng)的 LM386 直立偏移量的變化

第二組：在 0.2Vrms 輸入頻譜對(duì)輸出的影響
設(shè)置輸入信號(hào)的有效值為 0.2V，測(cè)試輸入信號(hào)的頻率對(duì)于輸出信號(hào)的幅值、輸出直流偏質(zhì)量的影響。

輸入信號(hào)的頻譜對(duì)輸出信號(hào)和直流偏置的影響

在輸入 0.2Vrms 的情況下，信號(hào)的頻率對(duì)輸出和偏移量的影響

將前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(dāng)輸入信號(hào)的幅值增大時(shí)，頻率的增加會(huì)使得直流偏移量的變化更加明顯。

對(duì)比在兩種輸入點(diǎn)好的電壓下，輸入頻譜對(duì)于運(yùn)放直流偏移量的影響

通過(guò)前面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，當(dāng)輸入信號(hào)幅值增大，頻率增大時(shí)，LM386 的前級(jí)整流效果越明顯。

前面同學(xué)制作的 LM386 功放如果可以收到當(dāng)?shù)卣{(diào)頻電臺(tái)的節(jié)目，根據(jù)前面分析，這需要有兩個(gè)條件：

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

條件 2：在輸入回路中還應(yīng)該有一個(gè)諧振回路，它的中心點(diǎn)與附近調(diào)頻電臺(tái)的頻率很接近。這一方面會(huì)增加接收信號(hào)的幅值，另一方面利用諧振特性曲線(xiàn)，將接收到的調(diào)頻信號(hào)的幅值也進(jìn)行改變，進(jìn)而有后級(jí)的 LM386 整流、放大輸出相應(yīng)的調(diào)制音頻信號(hào)。

運(yùn)算放大器的 EMIRR

從前面分析來(lái)看，施加在運(yùn)算放大器輸入級(jí)的高頻信號(hào)，并不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)放的低通作用而被消除。相反，當(dāng)該信號(hào)幅值大于一定程度之后，它會(huì)被運(yùn)放前級(jí)整流，進(jìn)而影響運(yùn)放的直流工作點(diǎn)。

輸入高頻電磁干擾會(huì)引起輸出直流電壓變化

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

將運(yùn)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(hào)與它所引起的運(yùn)放輸出直流變化的比值定義為：EMIRR IN+。EMIRR 和 EMIRRIN+

具體的計(jì)算公式如下：

這個(gè)數(shù)值運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)給出，它表明了運(yùn)放對(duì)外部電磁干擾抑制的能力。如果電路工作電磁環(huán)境惡劣，在設(shè)計(jì)初期就需要選擇 EMIRR 高的運(yùn)放設(shè)計(jì)電路。

如果自己選擇的運(yùn)放 EMIRR 數(shù)值不高？而又恰恰工作在高頻干擾復(fù)雜的環(huán)境中，那該怎么辦？

此時(shí)就需要在電路系統(tǒng)的電磁防護(hù)上多下些功夫了。通過(guò)增加電路輸入輸出高頻濾波電路，對(duì)敏感電路區(qū)域增加有效屏蔽，對(duì)高功率部分增加隔離等。畢竟誰(shuí)也不希望自己的電路隨時(shí)能夠收聽(tīng)本地調(diào)頻電臺(tái)的廣播內(nèi)容。