由概略圖來從事設計可說是一種很隨便的主張。在無佈線圖或書面指示資料的作業情況下,你所建立的電路在紙上可能認為非常合理,但後來會發現你的電路因一些你本身未知的原因而產生振盪,哼聲不斷,電路的增益或靈敏度也較預期者為低。在大部分情況中,這種缺點不是電路設計所產生的問題,但與元件的佈線方法以及(或)排列方式息息相關。然而只要應用一些裝配上的小常識與心力,這些問題就可得到解決。
簡要的概略圖分析通常無法告訴你電路中可能會發生一些狀況。雖然概略圖可顯示電路中所有的元件,但是其他的幻象(phanton)元件與電路傳導的路徑常會引起干擾(glitch);這種干擾在根本上能影響電路的操作,有時還會造成電路的無法動作。這種由幻象元件所感應出的干擾可在製作實驗板或PC板之前被完全消除掉。一旦你知道這發生問題的所在以及消除這些問題的方法,你將可設計出相當完美的電路,它的實際操作將跟理論上一樣完美無缺。
現在讓我們來看看你可能會碰到的一些最普通的問題,以及如何來避免這些困擾。在此過程中,你將會學到如何建立無干擾之設計的方法,並且一一屢試不爽。
幻象電阻
圖1-A為一簡單的音頻放大器與電源電路。圖中的每個接地元件都以分別的接地符號來表示,而且沒有特別的資料告訴你接地與接地間的連接方式。假如你欲將圖中所示的電路很精確的裝配起來,在接地沒有作適當連接的情況下,此電路的作用很像振盪器,而非放大器。
此時,在相同的電路中加入一接地匯流排而且考慮R1 R2 R3與R4的電阻值,如圖1-B所示。假設喇叭的接地引線為一條2"長的22號線,其電阻(不含焊接)為2.5毫歐(幻象電阻的歐姆值通常非常低)。電路加入電源後,電流即流過R2與喇叭而向輸出交連電容充電,於是便在兩端產生一壓降。現在R2假設有一長度極短的銅線,以R1表示,將輸入音量控制的地端回路(A點)與喇叭地端的同一點連接起來。在此情況下,由放大器輸入端所看到時的R2的壓降(這種壓降是我們所不喜歡的)有如一輸入信號。
因為放大器的輸入與輸出是同相,因而產生一正回饋迴路。此電路的回饋是純正的ac,因為喇叭的耦合電容遏阻了dc。假如喇叭是直接接到放大器的輸出,則此兩者將受到嚴重的損壞。
這種情況的避免方法是將A、B、C三點連接在一起,然後再接到E點,如圖1-C所示,以保持所有的信號地端於同一電位,而喇叭線的D點則獨自接到濾波電容的負極,即E點。如此做法就可除去電路中的回授路徑。
一般而言,所有的接地回路在電源中必須為具有最低阻抗的端點,如濾波電容的負端。記住:濾波電容器吸收大量的電流而儲存dc電荷,然後釋放直流電流給電路,以供其電力。變壓器中間抽頭(F點)與濾波電容負端(E點)間的電流含有120Hz的脈衝,其振幅為喇叭電流的五倍。於是造成由E點至F點的電流路徑為接地匯流排中雜音最多的部分。所以最好是避免使用裸線來做這種連接或者避免在此兩點間附加任何地線。
雙極性電源
圖2為一個使用雙極性電源的典型運算放大器音頻電路。在此電路中,-Vcc(負)的dc線與喇叭回路不共用相同的線。這點強調了雙極性電源的幾個優點之一──隔離負載與電源。音頻輸入信號出現在R1上,經由非反相(+)輸入端進入OP放大器。在OP放大器中,回授迴路必須在C點提供一個等於A點電位的電壓以確保這兩點電壓的差數和為零。假如接地回路在B點和D點間產生一電壓差,則OP放大器視此電壓為輸入信號的一部分,而在R2上產生一個電壓,此電壓等於VBD+VAB。為了消除由這種差數所產生的任何問題,B點與D點兩個地端必須結合為一點。
變壓器磁場
電源變壓器或錄音機,或電唱機馬達所產生的電磁輻射,也會因有接地回路的存在而產生問題。電磁裝置會產生大量的60Hz渦流,由這種渦流所造成的磁場會在鄰近的任何導線上感應不必要的電壓。由於接地匯流排係是金屬,故愈吸取這些渦流。所以我們必須非常注意,以防止這些感應電流與信號相結合。最顯明易懂的預防法是儘量將電磁裝置放在離敏感性電路較遠的地方。
遮蔽電纜(訊號線)
音頻放大器中產生哼聲問題的一個最普遍的原因,如圖3-A所示。
圖中,遮蔽電纜將信號由電路的一點餽到另外一點。良好的接地是希望遮蔽只接地於一點,即A點。假如信號出現哼聲,則最可能是由於遮蔽的接地式接在電纜的兩端,如圖3-B所示。
在這種組態中,接地路徑會因電源變壓器或者ac馬達線圈的渦流而感應一個電壓值為幾毫伏的60Hz信號。我們假設在此電路中,電纜隔離線的兩端是接於不同地點。因為渦流回路的阻抗非常低,所以電纜的隔離線會流過一個相當大的電流。結果,此隔離線的作用有如一匝之變壓器的初級圈,致使在電纜內部的帶訊導線上感應一個60Hz的電壓。
電源線與旁路
OP放大器通常忽略了電源的漣波以及低頻電壓變動。然而IC式的放大器,若其電源引線有相當的電感,就會有振盪的可能。因為,甚至連一英吋左右的架空線或PC板銅線都可能具有足夠的電感而產生問題,所以最好的方法市在IC的電源接腳處加上一只陶瓷電容器0.1μF以當傍路用,若採用正、負雙電源時則正、負電源均要加接。
汽艇馬達聲
音頻放大器的喇叭有時會發出「普普」的聲音,稱為「汽艇馬達聲」(motorboating),這種普普的聲音是因電源調整率不良所產生的問題。當放大器被連接到一個穩壓不佳的電源時,便會在電容器上產生充放電情形,而使得供電系統產生不穩定。這種結果使得當電壓降低時,會使放大器停止動作。然後當電源供應恢復時,放大器又開始工作,而且立即由電源吸收電流,如此繼續不斷的重複on與off週期。這種on與off週期就是產生普普吵雜聲的主因。治療汽艇馬達聲最有效的方法是在放大器的輸入到輸出電路中加重濾波或者,假如放大器已被包封,則直接在電源基腳上濾波。
必須記住的是:音頻放大器也會產生超聲波或RF(射頻)振盪,而使其吸收大量的電流。雖然大的電解質電容(其值可達到50,000μF)可有效地防止電源漣波,但功率因數與內部電感却可使其在高頻時無法適當地傍路。所以,照例說,所有的高值電解質電容都必須使用一個較低值(設0.01μF)的電容來旁路,以消除令人討厭的高頻信號。這不是一個使用的多少電容值的問題,而是一個在何處使用電容的問題。
你不要害怕大量使用電容;因為你不可能有很多的電容可用。舉例來說,一個1μF的電容絕不會比有系統分部於電路中的20個0.05μF的電容更具效用。
反交連
在由分離元件所構成的麥克風放大器電路中,如圖4所示,C1與R7組成一個反交連網路,以防止電源的雜音和漣波進入放大器。
當地端被適當地連接(圖示)及電源加入電路時,然而放大器却受到哼聲的困擾。假如你拿掉C1,哼聲則大量減少。此哼聲是由於在全波整流電源120Hz漣波頻率下,低電抗(約25歐姆)的C1所產生的結果。雖然C1可保持dc電壓於恆定,但它對於流過接地匯流排至電源的漣波電流而言是一低電阻。所以將C1連接到圖市的電路中可產生一種高級的接地迴路狀態。因為R4與R7構成Q2的集極負載,所以經由接地迴路而產生一個回饋路徑──即由Q2的輸出,經R2,到Q1的基極──而組成一個振盪器。為了改正這種情況,只要簡單地移動C1的接地端,使其儘量靠近電源即可。假若需要,則可使用單線連接。
電源穩壓器
三端的IC電源穩壓器也會對電路產生其特有的問題。尤其是7800系列的穩壓器易於振盪,因此必須小心地加以旁路。此外,這些裝置在限流開始時也有產生振盪的趨勢。所以,最重要的是不要使7800系列的穩壓器在其最大額定輸出電流附近操作並且要有適當的散熱。
圖5所示的電路為一典型的7800系列的穩壓器。為了良好的電路設計起見,電容器的接線儘量與IC的基腳靠近,並且在裝置的輸入端連接一68μF的鉭質電容。在一些情況中,可使用一個0.001μF的電容與一個0.1μF的電容並連以產生一個具有真正作用的旁路組合。
二極體振盪
假如你有一個電路被高頻信號所干擾,而你却無法在可見的範圍內找到原因,則你可檢查電源的整流器。矽質整流器需要約0.6伏的電壓來導通。假如有一個完整的正弦波被加到整流器,則在零交叉點兩端的波形上將出現一個近乎方型的缺口,這都是0.6V效應所造成的結果。這種波形大都存在於諧波中,而有一些則存在於聲頻中,他們會不聲不響地進入音頻放大器的輸出端。超聲波諧波也會改變偏壓而且產生其他不必要的效應。使用低值電容(假定0.001μF至0.1μF)來旁路電源的每個整流二極體可使波形的邊緣平滑,同時減少問題的發生。
數位電路
雖然TTL閘僅需消耗1.6mA的電流,但TTL很少一個閘單獨操作。一個典型的TTL裝置可能包含30個或更多的閘──這些閘是接在共同的接地匯流排上。假如這些閘的全部或一部分同時動作,則會產生很大的電流,而且可能經由電源與接地系統產生不必要的信號。
在典型的TTL閘中,如圖6所示,Q3與Q4的輸出電路組成一個圖騰柱(totem-pole)式電路,使得當Q3 On時,Q4為off,反之亦然。然而在動作轉換期間,兩個電晶體都導通一段非常微小的時間,約幾奈秒(ns),而產生一個高電流波尖(這種波尖會存在於電源與接地系統)。任何連接到電源匯流排系統的閘(或其他的TTL裝置)接可視此波尖為一合法信號與假觸發。在非同步的電路中,亦即邏輯無法同時交換的電路;這種干擾對電路操作可說是一種危害性很大的因素。
因為這些干擾通常是寬度較窄的高電流脈衝,因此在很寬廣的頻譜範圍也會產生振鈴作用(ringing),使得旁路發生困難。處理這種問題唯一有效的方法是在系統的電壓基腳與每個IC的地端直接連接一個旁路電容,電容引線的長度必須儘量短小。在有多個印刷電路板的系統中,每個PC板必須在電源與地端上實施旁路,以防止其中一個電路板所產生的干擾會傳到另外的電路板去。
當一個PC板上同時有類比電路和數位電路時,最好使用不同的接地路徑,然後將兩者連接於板上的主要濾波電容。
其他種類的干擾
這裡所示的十個問題與解答絕對無法完全除去產生干擾的可能性。無疑地,你將碰到,或者已經碰到一些本文所未述的問題。然而文中所列的各項均為最有可能發生的狀況,也是我們在處理電路時常碰到的問題與解答,而這些解答將促使你在碰到其他狀況時能採取有利的行動。 (取材自Popular Elec.)
轉載音響技術第81期SEP. 1982 為你的音響捉臭蟲/俞亨通(取材自Popular Elec.)
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