杂散振荡

杂散振荡Parasitic oscillation)是在电子设备或是数位设备中不希望出现的振荡(输出电压或是电流的周期变化)。一般是因为放大设备加上回授所造成,常见于RF英语RF power amplifier[1]音响功率放大器及其他放大器电路[2]以及数字信号处理[3]。杂散振荡是控制理论中的几个基础议题之一[4][5][6]

杂散振荡因为会有以下的问题,一般不希望出现。振荡可能会耦合到其他电路,或是会发射无线电波、造成对其他设备的电磁干扰(EMI)。在音响系统中,杂散振荡会造成耳机或是喇叭出现恼人的噪音。杂散振荡也会消耗能量,造成不必要的发热。例如有杂散振荡的音响功率放大器会产生更大的能量给喇叭,可能会造起损害。振荡的电路可能不再工作在其线性区,因此其中的信号会出现畸变。在数位电路中,杂散振荡只会出现在特定的逻辑转态中,会造成后续模组的错误动作,例如计数器会看到错误的脉波,计数值也会错误。

成因

放大器级的电路若其输出能量和输入耦合,在特定频率的相位及增益可以产生正回授,就会产生杂散振荡。若输入和输出的电路间有杂散电容或是交互电感就会产生杂散振荡。在一些固态元件或是真空管元件中,本身的内部电容就比较大,很容易产生回授路径。因为输入和输出有共同的接地,输出电流流过接地阻抗时,其信号也会和输入耦合。

电源的阻抗也可能让输入和输出耦合,进而产生振荡。 若许多级的放大都使用共同的电源,电源电压会随输出级的电流而改变。而电源电压的变化会出现在输入级上,进而形成正回授。例如晶体管收音机在电池电力足够时运作良好,但若使用较老的电池,就会出现低频汽船声英语Motorboating (electronics)(Motorboating)的噪音。

在音响系统中,若麦克风距喇叭很近,也会因为正回授而出现杂散振荡。原因是麦克风接收到喇叭的输出,转换成电子信号后,送到放大器的输入端,可参考声频反馈英语Audio feedback

条件

回授控制理论的发展就是要处理伺服控制系统中的杂散振荡,也就是系统在非预期的情形下出现振荡。巴克豪森稳定性准则英语Barkhausen stability criterion提供了振荡的必要条件:回授环的环路增益(放大器的增益乘以回授路径的传递函数)等于1,回授环的相位移等于零或是360°的整数倍(2π 弧度)。

实务上,回授会出现在不同的频率,每个频率下,放大器的相位不同。假如有一个频率下有正回授,且满足上述的增益及相位条件,系统就会在该频率振荡。

此条件可以用奈奎斯特图的数学方式表示,控制理论中用的另一个方法用波德图,也就是是增益和相位相对频率的图。设计工程师可以配合波德图确认是否有频率满足振荡条件,相位为零(正回授)及增益等于1或大于1。

若是出现杂散振荡,设计者可以利用控制回路的许多工具来修改此问题,例如调整有问题频率下的增益或是相位。

抑制及减缓的方式

针对杂散振荡的抑制,有一些常见的作法。例如让放大器电路的输入电不要和输出电路相邻,可以避免电容耦合或是电感耦合。在电路较敏感的部分外围可以加上金属屏蔽层,在电源端可加上去耦电容,让交流信号有低阻抗的路径,避免电源和设备之间出现多级电路之间的耦合。若是使用印刷电路板,强电及弱电的电路需要分离,而且需要规划各电路的接地方式,让共同的接地路径上不会出现大电流。有时杂散振荡需要透过加入neutralization的网络回授才能实现,而且需要经过计算及调整,以消除放大元件在导通频段的负回授。

参考资料

  1. ^ Whitaker, Jerry C. The electronics handbook. CRC Press. 2005: 404 [2017-11-07]. ISBN 978-0-8493-1889-4. (原始内容存档于2020-03-20). 
  2. ^ Weber, Gerald. A Desktop Reference of Hip Vintage Guitar Amps. Hal Leonard. 1994: 220 [2017-11-07]. ISBN 978-0-9641060-0-0. (原始内容存档于2020-03-20). 
  3. ^ Wanhammar, Lars. DSP integrated circuits. Academic Press. 1999: 188 [2017-11-07]. ISBN 978-0-12-734530-7. (原始内容存档于2020-03-20). 
  4. ^ Richard R Spencer & Ghausi MS (2003). Introduction to electronic circuit design. Upper Saddle River NJ: Prentice Hall/Pearson Education. pp. 661. ISBN 0-201-36183-3. http://worldcat.org/isbn/0-201-36183-3页面存档备份,存于互联网档案馆).
  5. ^ Araki, M., PID Control, http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C18/E6-43-03-03.pdf页面存档备份,存于互联网档案馆
  6. ^ P. Horowitz & W. Hill The Art of Electronics Cambridge University Press (1980) Chapter 3, relating to operational amplifiers.