无功负载和网络如何影响模拟电路中的相移？

本文讨论了相移，即电路从输入端到输出端引起电压或电流超前或滞后的效应。特别是，我们将关注无功负载和网络如何影响电路的相移。无论你是使用振荡器、放大器、反馈环路、滤波器等，相移都会产生各种后果。你希望你的反相运算放大器电路具有180°相移，相反它返回一个同相信号，并导致令人沮丧的振荡问题。探测电路可能会进一步改变效果。也许你有一个谐振腔在一个振荡器的反馈回路中使用，但是这个谐振腔只提供90°的相移，而你需要180°。你必须改变，怎么更换？

反应负荷的相移

频率相移源于无功元件：电容器和电感器。这是一个相对量，因此它必须作为两点之间的相位差给出。在本文中，“相移”指输出和输入之间的相位差。据说电容器的电压滞后于电流90度，而电感的电流滞后于电压90度。在相量形式下，这分别由电感和电容电抗中的+ j或-j表示。但在某种程度上，所有导体中都存在电容和电感。那么为什么它们都不会导致90°相移？

所有的相移效应都将由RC和RL电路建模。所有电路都可以建模为源，具有一些源阻抗，为电路供电，负载跟随电路。源的源阻抗也称为其输出阻抗。我发现最容易谈论输入和输出阻抗，所以换个说法：所有电路都可以建模为一级输出，带有一些输出阻抗，馈送到现阶段，由输入阻抗加载以下阶段。这很重要，因为它可以将复杂的网络简化为更简单的RLC电路、滤波器和分压器看看下面的电路。

图1.分流前一级的电容和10kΩ负载。

这将模拟一些输出阻抗为50Ω的源电路（如放大器），其负载为10kΩ，并由10 nF电容器分流。这里应该清楚的是，该电路基本上是由R1和C1制成的RC低通滤波器。从基本电路分析中了解到，RC电路中的电压相移将在0°到-90°之间变化，模拟证实了这一点。

图2.并联电容器电路输出的波特图。

对于低频，输出相位不受电容的影响。当达到RC滤波器的截止频率（f c）时，相位下降到-45°。对于超过截止频率的频率，相位接近-90°的渐近值。该响应模拟每个 并联 电容器引起的相移。并联电容器将在电阻性负载上引起0°和-90°之间的相移。当然，也要注意衰减。对串联电容器（例如，交流耦合电容器）的类似外观显示了该配置的典型效果。

图3.串联电容电路

图4.波特图

在这种情况下，相移从+ 90°开始，滤波器是高通滤波器。超过截止频率，我们最终稳定到0°。因此，我们看到串联电容总是会在+ 90°和0°相移之间产生影响。

共射级放大器

有了这些信息，我们可以将RC模型应用于我们想要的的任何电路。例如，这种共射级放大器。

图5.具有发射极退化电阻的共射级放大器

该放大器的响应平坦至10 MHz左右。

图6.共射极放大器的波特图

只有在10 MHz左右之后，我们才能看到相移低于180°的变化，这是我们所期望的，因为共发射极配置是一个反相放大器。忽略早期效应，放大器的输出阻抗为R2 =3kΩ，相当高。在输出端放置一个并联电容器。在这个阶段发生什么？

图7.带并联电容的共射极放大器

根据经验，预计会有53 Hz的截止频率，低于此频率应该有180°的相移（电容没有影响），高于此频率会有180° - 90°= 90°相移（以及很多损失）。模拟证实了我们的怀疑：

图8.电容负载共发射极放大器输出的波特

请注意，这相当于相位为-180°至-270°。开始看到驱动容性负载会导致意外的相位变化，这可能会对未检测到的反馈放大器造成严重破坏。更常见的情况是在输出端找到一个串联耦合电容，如下图所示。

图9.带有串联交流耦合电容的共射极放大

我改变了电路值并增加了100kΩ的电阻负载。现在我们有一个由C1和R3组成的高通滤波器，截止频率仅为1.6 Hz。我们预计相移将在1.6赫兹以下-90°和远高于1.6赫兹-180°之间，这一点已通过模拟得到证实。

图10.带有交流耦合电容的CE放大器的波

这对于音频信号的耦合电容是一个很好的选择，因为-90°相移区域（因此衰减）远低于10 Hz。这些效应不仅限于电容器。电感会产生相反的反应：并联电感引起0°（低于f c）和+ 90°（远高于f c）相移，而串联电感引起0°（高于f c）和-90°（低于f）c）相移。但是，我们必须小心，不要产生任何有问题的接地连接，因为电感器将在直流处短路。

图11.共射极放大器中的输出电感。

结论

我们为理解模拟电路中的相移奠定了基础。通过将电路输出视为具有输出阻抗的源，我们可以有效地模拟无功负载对电路相位的影响。无源和有源电路都可以通过这种方式建模，为简单的分析和设计提供了有用的工具。