基于LM386音頻功率放大電路的調(diào)頻電臺接收設(shè)計

為什么普通的音頻功放在某些情況下可以直接收聽到調(diào)頻電臺的聲音？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，需要稍微比在大學(xué)課本中介紹的運算放大器（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。

這一點之所以重要，是因為現(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)備中的高頻開關(guān)電源、WiFi、Bluetooth、ZIgbee 等無線通信模塊等。在設(shè)計電子信號調(diào)理電路時如果不防治 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，輸出級會自動偏置在部分。

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，在電壓放大級的三極管的集電極和基極之間會存在寄生的電容，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 受到高頻信號的影響，需要了解它的頻率特性，即隨著輸入信號的頻譜不同，運放的幅度增益和相位變化。下面通過一個簡單的實際電路，實測 LM386 的頻率特性。

將 LM386 配置成增益為 200 的放大器的形式，輸入的信號從 PIN3 通過電解電容 10 耦合到電路中來。

LM386 實驗電路

在實驗電路中，輸入 10mV 左右的信號。頻率從 1kHz 增加到 2MHz，輸出信號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)頻率高的時候輸出點的直流分量也出現(xiàn)變化。

通過掃頻獲得 LM386 的幅頻特性和在不同頻率下輸出偏移量

上面的幅頻曲線顯示 LM386 是一個低通濾波器的特性。輸出增益下降到原來的的時候，所對應(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的幅值增益，同時還會引起輸出信號的相位移動。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

將輸出信號的幅度以及它與輸入信號之間的相位差繪制出來，可以清楚看到頻率引起的變化。隨著信號頻率的增加，輸出信號的幅值下降，相位在逐步落后。

不同頻率下輸出的幅值以及相位差

3. 為什么高頻信號會引起 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)輸入信號的頻率比較低的時候，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的輸入信號與反饋信號基本上呈現(xiàn)平衡，抵消后實際作用在輸入三極管基極 - 發(fā)射極上的交變信號量比較小，此時三極管工作在線性放大狀態(tài)。

當(dāng)輸入信號的頻率增加之后，超過截止頻率（550kHz）之后，LM386 的電壓增益下降，使得反饋信號逐漸低于輸入信號。同時由于反饋信號的相位逐漸落后于輸入信號，也進(jìn)一步加大了輸入信號和反饋信號的差別。最終提高了作用在輸入級三極管基極 - 發(fā)射極上的交流電壓分量。當(dāng)該交流電壓分量超過一定幅值，由于三極管基極導(dǎo)通呈現(xiàn)非線性整流作用，因此就會產(chǎn)生附加的整流電壓。該電壓經(jīng)過放大之后，就逐步影響到輸出級的直流電壓，從而改變 LM386 的直流偏置。

下面可以通過幾組不同頻率的信號，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

過渡帶的頻率：250kHz

阻帶內(nèi)的頻率：1000kHz

不同頻率輸入信號對 LM386 直流偏置的影響

1. 頻率為 1kHz 正弦信號

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

輸入信號幅值增大與輸出信號幅值、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

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

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

在 50kHz 下輸出波形隨著輸入信號有效值幅值從 0.01V 增加到 1V 的變化情況

3. 頻率為 50kHz 正弦信號

在 250kHz 下，輸入信號增大所引起的輸出信號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

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 的輸出信號隨著輸入信號有效值從 0.01 增加到 1.00V 的變化情況

5. 不同頻率信號結(jié)果對比

在不同的頻率下，輸出的信號在開始的時候都是隨著輸入信號的幅值增加而上升。但是隨著頻率超出了 LM386 的頻率范圍。輸出的信號的幅值在高于一定值之后，反而下降。下降的 原因通過下面的輸出直流分量的變化可以看出來。

在四種不同的頻率下運放的輸出是輸入信號的幅度之間的關(guān)系

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

對比在四種頻率下，隨著輸入信號的幅值增加所引起的輸出直流偏移量的變化

從上面的實驗可以看出，頻率的高低的確是影響 LM386 直流偏移量的主要原因。同時輸入信號的幅值也會影響到輸出直流偏移量。

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

6. 兩組掃頻實驗結(jié)果

第一組 ：輸入有效值為 0.1Vrms 下圖對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 下不同頻率對應(yīng)的輸出和直流偏置量的變化

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

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

輸入信號的頻譜對輸出信號和直流偏置的影響

在輸入 0.2Vrms 的情況下，信號的頻率對輸出和偏移量的影響

將前面兩個實驗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)輸入信號的幅值增大時，頻率的增加會使得直流偏移量的變化更加明顯。

對比在兩種輸入點好的電壓下，輸入頻譜對于運放直流偏移量的影響

通過前面實驗數(shù)據(jù)說明，當(dāng)輸入信號幅值增大，頻率增大時，LM386 的前級整流效果越明顯。

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

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，就會引起 LM386 輸出整流后的低頻信號；

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

運算放大器的 EMIRR

從前面分析來看，施加在運算放大器輸入級的高頻信號，并不會因為運放的低通作用而被消除。相反，當(dāng)該信號幅值大于一定程度之后，它會被運放前級整流，進(jìn)而影響運放的直流工作點。

輸入高頻電磁干擾會引起輸出直流電壓變化

雖然從運放的輸入端、電源端和輸出端進(jìn)入的高頻干擾信號都會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的幅值與它所引起的運放輸出直流的變化之比稱為運放的電磁干擾抑制比（EMIRR）。

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

具體的計算公式如下：

這個數(shù)值運放的數(shù)據(jù)手冊中會給出，它表明了運放對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)計初期就需要選擇 EMIRR 高的運放設(shè)計電路。

如果自己選擇的運放 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？

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