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MOS管G极串联电阻如何抑制谐振?

从前面内容知道,源内阻越小,负载阻抗越大,就越容易产生谐振尖峰。我们画出此时曲线。

MOS管G极串联电阻如何抑制谐振?

可以看到,谐振频率52Mhz处增益达到了好几十倍。而MOS管驱动信号可以看作是一个阶跃信号,频率分量非常丰富,肯定有52Mhz附近的频率。

所以说确实会发生谐振。

现在分别串联1Ω,10Ω,100Ω电阻,这个电阻可以等效到内阻里面去,相当于等效电路变成了Rs=1.1Ω,Rs=10.1Ω,Rs=100.1Ω,其它参数不变。我们再看看曲线。

MOS管G极串联电阻如何抑制谐振?

可以看到,串联1Ω电阻,还是放大,最大到3倍,说明电阻稍小。而10Ω电阻就能完全消除振荡了。100Ω电阻也能完全消除振荡,但是其截止频率更低,会造成驱动信号的高频分量丢失,最终上升沿变缓,也就是MOS管开启的时间变长。

相信到这里,对于这个串联电阻的作用,已经怎么取值应该就比较清楚了。G极走线越长,寄生电感越大,越容易引起问题,电阻就要选得更大些。

从文章开头,一路看下来,这也太费劲了,确实,明白这些也不是很容易,很多时候,我们都是拿着厂家的原理图来抄抄,也不会有问题。等到有新人问到“这个电阻干什么用的?”老员工答曰“抑制振荡”,是啊,这四个字,每个字都认识,是不是总有一种模模糊糊的感觉呢?希望看完此文之后不再模糊。

 Matlab源码

上面所有的曲线图,Matlab源码都在这个里面了,我已经把每个图对应的代码分开来了,有7部分,全部复制过去可以一次执行得到7个图。也可以把其中的一个复制出去执行,都是可以的。代码里面的注释写得也比较清楚,可以自行去修改Rs,RL,L,C的值

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---理想LC低通滤波器增益

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C=0.000001; %1uF   电容量

L=0.000001; %1uH   电感量

Zc=1./(w.*C.*j);   %电容总阻抗

Zl=w.*L.*j;        %电感总阻抗

Av= abs(Zc./(Zc+Zl));   %增益

figure;            %画图

loglog(f,Av);   %画出增益曲线

grid on;          %显示网格

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围

set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %y轴幅度数据

xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称

title(['LC低通滤波器增益(L=',num2str(L*1000000),'uH,C=',num2str(C*1000000),'uF)']);%标题


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---不同负载

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C=0.000001; %1uF   电容量

L=0.000001; %1uH   电感量

RL1=1;       %负载RL1=1

RL2=10;     %负载RL2=10

RL3=100;    %负载RL2=100

Zc=1./(w.*C.*j);   %电容总阻抗

Zl=w.*L.*j;        %电感总阻抗

Av1=abs(((Zc.*RL1)./(Zc+RL1))./(((Zc.*RL1)./(Zc+RL1))+Zl)); %负载1对应增益

Av2=abs(((Zc.*RL2)./(Zc+RL2))./(((Zc.*RL2)./(Zc+RL2))+Zl)); %负载2对应增益

Av3=abs(((Zc.*RL3)./(Zc+RL3))./(((Zc.*RL3)./(Zc+RL3))+Zl)); %负载3对应增益

figure;       %画图

loglog(f,Av1,f,Av2,f,Av3); %画出3种负载的增益

grid on;      %显示网格

legend(['RL=',num2str(RL1)],['RL=',num2str(RL2)],['RL=',num2str(RL3)]);%曲线说明

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围

set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %y轴幅度数据

xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称

title(['不同负载的增益(L=',num2str(L*1000000),'uH,C=',num2str(C*1000000),'uF)']);%标题


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---不同噪声源内阻

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C=0.000001; %1uF   电容量

L=0.000001; %1uH   电感量

RS1=0.1;   %内阻RS1=0.1

RS2=1;     %内阻RS2=1

RS3=10;    %内阻RS2=10

RL=1000000;%负载RL=1

MZc=1./(w.*C.*j);   %电容总阻抗

Zl=w.*L.*j;        %电感总阻抗

Av1=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS1)); %内阻1对应增益

Av2=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS2)); %内阻2对应增益

Av3=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS3)); %内阻3对应增益

figure;       %画图

loglog(f,Av1,f,Av2,f,Av3); %画出3种内阻的增益

grid on;      %显示网格

legend(['Rs=',num2str(RS1)],['Rs=',num2str(RS2)],['Rs=',num2str(RS3)]);%曲线说明

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围

set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %y轴幅度数据xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称

title(['不同噪声源内阻的增益(L=',num2str(L*1000000),'uH,C=',num2str(C*1000000),'uF)']);%标题


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---不同的电容C的值

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C1=0.000001; %1uF   电容量1

C2=0.00001;  %10uF   电容量2

C3=0.0001;   %100uF   电容量3

L=0.000001; %1uH   电感量RS=0.1;   %内阻RS1=0.1

RL=1000000;%负载RL=1M

Zc1=1./(w.*C1.*j);   %电容C1总阻抗

Zc2=1./(w.*C2.*j);   %电容C2总阻抗

Zc3=1./(w.*C3.*j);   %电容C3总阻抗

Zl=w.*L.*j;          %电感总阻抗

Av1= abs(((Zc1.*RL)./(Zc1+RL))./(((Zc1.*RL)./(Zc1+RL))+Zl+RS));%电容1对应增益

Av2= abs(((Zc2.*RL)./(Zc2+RL))./(((Zc2.*RL)./(Zc2+RL))+Zl+RS));%电容2对应增益

Av3= abs(((Zc3.*RL)./(Zc3+RL))./(((Zc3.*RL)./(Zc3+RL))+Zl+RS));%电容2对应增益

figure;       %画图

loglog(f,Av1,f,Av2,f,Av3); %画出3种电容的增益

grid on;      %显示网格

legend(['C=',num2str(C1*1000000),'uF'],['C=',num2str(C2*1000000),'uF'],['C=',num2str(C3*1000000),'uF']);%曲线说明

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %y轴幅度数据xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称

title(['不同电容C的增益']);%标题


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---不同的电感L的值

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C=0.000001; %1uF   电容量

L1=0.000001; %1uH   电感量

L2=0.0000001; %0.1uH   电感量

L3=0.00000001; %0.01uH   电感量

RS=0.1;   %内阻RS1=0.1

RL=1000000;%负载RL=1M

Zc=1./(w.*C.*j);   %电容C总阻抗

Zl1=w.*L1.*j;          %电感L1总阻抗

Zl2=w.*L2.*j;          %电感L2总阻抗

Zl3=w.*L3.*j;          %电感L3总阻抗

Av1= abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl1+RS));%电感1对应增益

Av2= abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl2+RS));%电感2对应增益

Av3= abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl3+RS));%电感3对应增益

figure;       %画图

loglog(f,Av1,f,Av2,f,Av3); %画出3种电感的增益

grid on;      %显示网格

legend(['L=',num2str(L1*1000000),'uH'],['L=',num2str(L2*1000000),'uH'],['L=',num2str(L3*1000000),'uH']);%曲线说明

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围

set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %x轴幅度数据

xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称

title(['不同电感L的增益']);%标题


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---MOS不串电阻

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C=0.000000001; %1nF   电容量

L=0.00000000917; %1uH   电感量

RS=0.1;   %内阻RS1=0.1

RL=1000000;%负载RL=1M

Zc=1./(w.*C.*j);   %电容总阻抗

Zl=w.*L.*j;        %电感总阻抗

Av=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS)); %MOS管不串增益

figure;       %画图

loglog(f,Av); %画出增益曲线

grid on;      %显示网格

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围

set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %x轴幅度数据

xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称

title(['MOS管不串电阻的增益(L=',num2str(L*1000000000),'nH,C=',num2str(C*1000000000),'nF)']);%标题


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%---MOS串电阻

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

f=[1000:100:100000000];   %频率:范围1Khz-10Mhz

w=(f.*pi*2);              %角频率

C=0.000000001; %1nF   电容量

L=0.00000000917; %1uH   电感量

RS1=0.1;   %内阻RS1=0.1

RS2=1.1;   %内阻RS1=1.1

RS3=10.1;   %内阻RS1=10.1

RS4=100.1;   %内阻RS1=100.1

RL=1000000;%负载RL=1M

Zc=1./(w.*C.*j);   %电容总阻抗

Zl=w.*L.*j;        %电感总阻抗

Av1=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS1)); %MOS管不串增益

Av2=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS2)); %MOS管串1Ω电阻增益

Av3=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS3)); %MOS管串1Ω电阻增益

Av4=abs(((Zc.*RL)./(Zc+RL))./(((Zc.*RL)./(Zc+RL))+Zl+RS4)); %MOS管串1Ω电阻增益

figure;       %画图

loglog(f,Av1,f,Av2,f,Av3,f,Av4); %画出增益曲线

grid on;      %显示网格

legend(['不串电阻'],['串1Ω电阻'],['串10Ω电阻'],['串100Ω电阻']);%曲线说明

set(gca,'YLim',[0.001 1000]);%y轴的数据显示范围

set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据

set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %x轴幅度数据

xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x,y轴名称title(['MOS管串电阻的增益(L=',num2str(L*1000000000),'nH,C=',num2str(C*1000000000),'nF)']);%标题


小结

LC串联电路非常简单,然而实际电路应用起来却不简单,从而会引起各种各样的现象,如果不深入分析的话,确实会有点无从下手。下面写几个小结论:

1、LC串联谐振的增益,与信源内阻,负载阻抗,电感,电容的大小都有很大的关系,四个变量造成的情景组合非常多,表现也就有很不一样。总的来说信源内阻越小,负载阻抗越大,电感越大,电容越小,越容易出现尖峰

2、LC滤波器恶化要满足几个条件:源内阻要小,负载阻抗要大,噪声频率正好处于谐振频率附近,电容容量太小,电感感量太大。

这些结论,个人认为真心不重要,重要的是分析方法。有了方法,各种结论不是随便就推出来了,还用别人告诉你吗?至于开篇提的几个问题,自然答案就出来了。

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