这篇文章并非是现在写的,而是三年前,文章中的方法是我常用的,再次分享给兄弟们。
输入阻抗,输出阻抗,这两个参数似乎没那么重要,但事实并非如此。下面说下我的看法吧。
一个问题
音频中的耦合电容从0.1uF-220uF都有,这是有病吗?都是用作隔离直流的,怎么就不能统一呢?
明白这个问题其实很简单,我们看信号是如何传输就容易明白了。这里就讲一个电路的分析方法,或者说是思维方式。
电路分析方法
我们经常会看到各种复杂的电路,如果是新手,可能就蒙了。其实化繁为简非常简单:
只需要把电路分两块,一边输出信号,另外一边接收信号。姑且把输出信号的叫输出模块,接收信号的叫接收模块吧。
我们如果搞清楚这个信号在传输过程中发生了什么变化,那就什么都明白了。
输出模块
对于左边输出模块,我们通常知道输出的信号是什么,频率在什么范围,另外有一个重要的参数就是输出阻抗,所以电路模型是下面这个
这个很容易看出来,输出阻抗Zout非常重要了,它衡量了这个模块的输出能力。假如输出模块是个电源,那么Zout就是电源内阻,必定很小。不然的话,假如Zout=100Ω,接个10Ω负载,结果负载分得的电压只有电源电压的十分之一还不到,那还能叫电源吗?
所以呢,一般对于输出模块来说,这个输出阻抗越小越好。
接收模块
接收信号的电路太多了,花里胡哨。有的信号输入到IC芯片,有的信号接到MOS管上面驱动开关,有的接喇叭,等等很多很多类。
我们不管它到底是什么,就用一个Zin来表示,也就是输入阻抗。应该很容易知道,这个输入阻抗比较大是有好处的。
我们极端一点,假如输入阻抗无穷大,也就是开路了,那么不管前面的输出信号模块的输出阻抗是多大,信号都能很好的接收,跟输出的信号一样。而往小极端一点,如果输入无穷小,为0,其实就是接地短路了,那还传个球的信号。
我们把输入和输出接起来,就是下面这个。
总的来说,我们看信号传输时会发生哪些变化,只需要在头脑中将电路等效成这个样子就好了。
这样一等效,是不是简单多了?运用欧姆定律,接收端接收到的信号就出来啦。当然了,有时电路中间串联有电阻,电容,或者是电感,我们只需在中间加上这些器件即可。
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如何分析
举例1:拿开篇的音频耦合电容来举例。
这个是某音频codec典型电路,音频输入MIC管脚串联的是0.1uF电容,这个电容这么小可以吗?
我们按照前面的方法来分析。
先看输出模块
咪头mic拾取音频,输出模拟信号,所以它是前面说的模型中的输出模块,它的输出阻抗是多少呢?
我们随便找个咪头规格书看下,说是2.2KΩ,一般咪头的输出阻抗也都是差不多的的。
如图,芯片规格书也提供了咪头的内部电路,其实就是个FET管放大电路。如果好好学习的话(论大学好好学习的重要性),就知道这个FET管放大电路的输出阻抗就是那个RL,厂家这个RL是2.2KΩ,所以它就标注输出阻抗是2.2KΩ。
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而我们前面贴出的codec电路用的是1KΩ的电阻,所以实际输出阻抗是1KΩ,我们就用1KΩ吧。
我们再来看接收模块。
接收模块是codec芯片,管脚是它的输入阻抗是多少呢?我们查看规格,输入阻抗是20KΩ或者是80KΩ(与配置有关),我们取不利的值,也就是最小的值,20KΩ
输出模块和输入模块中间有个隔直电容,我们加上这个电容。所以,电路化简完后就是这样的了。
其实,这就是个RC高通滤波器,截止频率为1/2π(Zin+Zout)C。
现在Zin+Zout =20KΩ+1KΩ,C=0.1uF,所以3dB截止频率为75.8Hz。我们知道,人的声音频率范围是300Hz-3.4Khz,所以可以判断,这个音频信号可以很好的传输过去了,也就是说电容0.1uF的大小就够了,如果增大到1uF,截止频率变为7.58Hz,也没有问题。不过1uF电容肯定要比0.1uF电容要贵些,选0.1uF更经济。
这个codec图中还有个耳机输出端口,串联的是220uF的电容,为什么接这么大呢?
对于这个电路,是芯片输出信号送到耳机。输出模块是芯片,接收模块是耳机
我们先看输出模块codec芯片,查看规格书,芯片对应管脚输出阻抗是16Ω。在看接收端——耳机,耳机的阻抗有16Ω,32Ω,64Ω。我们取最差的(不利于信号接收),也就是16Ω,电路简化之后电路跟上面是一样的,我就不画了
也是个高通滤波器,截止频率为1/2π(Zin+Zout)C。现在Zin+Zout=16+16=32Ω,C=220uF,所以3dB截止频率为22.6Hz。同样,人声的300Hz-3.4Khz可以很好的传过去。如果我们选用10uF电容,那么截止频率就变为了497.6Hz,显然,低频就被衰减了,音频就不能很好的传输了,出现失真。
估计有人会问,220uF太大了,我选用22uF行不行呢?22uF带入进去,截至频率是226Hz,也在人的声音频率300Hz之外啊,应该可以吧。
这个我想说看自己应用吧,看你放的声音是什么频率段的。麦克风拾音一般是人的声音,在200Hz-3.4K范围。但是放音就不一定只有人的声音了,人耳的听力范围是20Hz-20Khz,所以最低可以到达20Hz。如果你要求高,一定要最低的频率也不能衰减,那么就需要220uF的电容。
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如果就是为了听个响,低频失不失真的无所谓,你搞个22uF也行,甚至10uF也凑合,就是低频分量被削弱了。
除了这个音频的例子,我们再看另外一个例子。
举例2:MOS管栅极串联电阻的分析
分析方法跟前面说的是一样的,接收模块是MOS管,MOS管的输入电阻可以看成无穷大,但是寄生电容较大,所以它作为接收模块时,寄生电容站输入阻抗的主要部分,其输入阻抗就是电容的阻抗,为1/jwC。
我之所以把这个放到这里,其实主要是想说明一点。输入阻抗,输出阻抗,它俩是复阻抗,不仅仅包括电阻,还包括电容和电感。
很多芯片也会给出相关端口的寄生电容大小,我们要根据实际情况考虑。前面举的音频的例子,因为频率较低,而相关端口的寄生电容也就10pF左右,这个影响是相当小的,所以自然就可以忽略掉电容了。
结尾
本文主要的目的不在于讲一个音频耦合电容的问题,重点在于分析方法。
如果你碰到一个新的电路,不知道如何下手的时候,不妨按照这个方法试一试。头脑中简单建个模,代入输出阻抗,输入阻抗。再思索一下所处理的信号是什么,其包含了哪些频率分量(傅里叶变换)。也许答案就出来了,不用其他人告诉你。
另外,我们现在应该知道,为什么厂家会给出输入阻抗,输出阻抗参数了吧。学习模电的时候,为什么要去算那个输入阻抗,输出阻抗。因为它们都是有用的。
看完了这个文章,至少应该不会再有耦合电容取多大这种问题了吧…
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