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新型的品質因數計

2014年01月04日  | Louis Vlemincq

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品質因數(quality factor)計通過測量諧振頻率下的串聯電阻確定諧振電路、晶體或諧振器的品質因數Q。品質因數Q與串聯電阻之間的關係可通過下列兩個簡單的方程式計算出來(Rs為串聯電阻,L和C為電抗元件,Fr為諧振頻率):


equ1


此一品質因數計有以下幾個不尋常之處:可以直接顯示串聯電阻的值,並以串聯調諧振盪器為基礎。這種振盪器的優點已在另一則設計實例“Series-LC-tank VCO breaks tuning-range records”中有所說明。


在本文中,串聯調諧的拓撲結構更勝一籌,因為該結構在L和C之間普通節點並未引起自身的阻尼,還因為校準的負阻力將諧振回路的串聯電阻完全消除了。因此,這種負阻力僅只是諧振電路的損失。


電路描述

該電路以跨四拓撲結構為基礎(參考文獻1): Q1至Q4構成四元組,該電路通過取消寄生參數,合成一個Q3與Q4發射極之間的零電阻。





在本實例中,為了使該電路發揮諧振器的作用,做了如下的修改:使用齊納管D1~D4來確保電晶體有足夠的C-E動力,以保證可正常運行,另外通過電池P1產生可調節正回饋(是的,正回饋從Q2的集電器中產生並流入其底端,這便是新型反向跨四拓撲結構的工作模式)。


經此修改,P1擦淨器(wiper)和接地之間的電阻會在Q3和Q4之間的發射極出現異號。當該電阻的大小與諧振回路電阻相等時,該電路便開始諧振。四元組中其他臂中的電流被R1攔截,使二極體檢波器D6/D7上產生電壓,並在J1上產生輸出電壓。D7為峰值檢波器,D6為替補峰值檢波器。當檢測到信號時,D7增加U1b(-)輸入的電壓,同時減少輸出,點亮D8。


該跨四拓撲結構由Q5和Q6兩個電流源提供偏壓電流,在U1a的幫助下精確提供5mA的電流。該偏壓電流還流經P1,同時導致電壓下降,下降的值等於分壓計設定值與5mA相乘的乘積。


R15/R16將此電壓分為五份傳送至毫伏計,毫伏計上顯示的值為分壓計的精確值,單位為歐姆。使用該方法可以準確地顯示實際電流值,而不需要使用大約值或進行更多的運算。如果要計算諧振頻率,可將一個頻率計連接至J1。


開關x1/x10可以通過與R8並聯來減小分壓計的表觀值(apparent value),將滿標值(full scale value)由220Ω降至22Ω。由於C7阻隔了直流電流,顯示值並不會受影響,仍可以全解析度顯示。





現在,我們來解釋一下各組件的功能:L1~L3、R2~R7、C2和C4均用於維持電路的穩定,同時抑制不必要的振盪。如果沒有這些元件,該電路可能會以特高頻頻率振盪。幾釐米長的測試端子形成了一個開放式傳輸線路,該線路擁有自己的諧振頻率;且由於其品質因數Q值很高,其在電路中總是處於主導地位。


其它附加元件限制了頻率範圍:在本實例中,最大可用頻率約為100MHz(保持可接受的精度)。這是在性能和可用性之間的權衡。L1~L3為電感約為80nH(50Ω)的鐵氧體磁珠。毋庸置疑,為確保電路可以穩定正常地運行,良好的佈局技術是不可或缺的。


調節

在沒有振盪發生的情況下,需調節TR2,以使LED D8處於關閉狀態,以便在出現振盪時,它可以迅速點亮。


可使用1-10MHz範圍內的高品質調諧電路(聚苯乙烯或銀雲母電容、低損耗電感器)來調節TR1。預設TR1在其擦淨器和-12V之間讀取0.5V電壓;在22Ω(x1)範圍內測量該振盪電路並記下測量值;然後,將一個無電感10Ω精確電阻與LC串聯在一起;將P1調整為新的數值,並使TR1能夠讀取10Ω與最初測量值之和;再檢查一下整個流程:通常情況下,該電路會很快聚合,一或兩個通路便足夠。檢查指示燈是否與x10範圍一致。


使用須知

使用某些類型的元件之後,有時會出現模棱兩可的情況:當在低頻電路中使用某些類型的諧振器時就會出現這種情況。


低頻率下,元件體積很大,電感器的並聯電容也比較大。這種佈線方式及電容形成了一種更高頻率的“幽靈(phantom)”諧振電路,該電路的品質因數Q要高於“常規”電路,這是因為低頻電感器擁有較高的等效串聯電阻(ESR)。所有這些都意味著測試者會首先發現甚高頻(VHF)諧振,但這並不是電路故障,而是正常的現象。


為使電路僅在低頻率下運行,需在電路中使用大型鐵氧體磁珠以“消除”高頻(HF)回應。圖中展示了一種切實可行的實現方法:測試端子為直連PCB的螺旋型端子。在甚高頻條件下這些端子可以直接使用;但在一般情況下,這些端子可以利用彈簧夾延伸,這樣使用起來更加便捷,此外每個連接中都串聯了一個大型鐵氧體磁珠(1μH/600Ω)。這樣一來,電路就可以在低於10MHz頻率下高效運行。


使用機械諧振器時可能還會出現同樣的問題:動態參數會被物理電容分流,而這種電容會與連接長度產生共振。對陶瓷諧振器來說,尤其是這樣,因為陶瓷諧振器的電容量比晶體諧振器的電容量大的多。而補救方法與上述的方法一樣:在電路中添加額外的珠狀高頻阻尼,或者使用被電阻器分流的電感器。


使用晶體也同樣有其自身的問題。晶體的品質因數Q很大,導致其時間係數也很大。本測試中未計入殘餘損失(residual loss),所以將顯而易見的品質因數Q和時間係數增加到無限大。在正確設置P1後,振盪會積聚長達一分鐘時間。這使調整工作近乎不可能完成——即使以很慢的速度打開P1,當LED燈亮時,你得到的數值也會比正確數值大很多。


在這種情況下,最簡單的解決方法就是將一個示波器連接到J1,同時觀察振幅並手動進行增益控制:改變現象進行的很緩慢,所以很容易進行手動調整。其中,振盪器可完全發揮積分器的作用。


其它應用

由於本身取消了寄生參數,該振盪器拓撲結構能夠提供傑出的穩定性,也可以運用到其他應用中(如近程檢測器),如果使用的是敏感元件,該電路具有電感性;如果L和C之間的普通節點為輸入節點,則該電路具有電容性。


在不考慮並聯電容等寄生因素的情況下,該電路還能夠精確地找出晶體的準確自然諧振(串聯情況下)。



參考文獻

1.PrecisionDifferentialVoltage-CurrentConvertorbyCaprio;ElectronicsLetters,Mar.22,1973,vol.9,No.6


2.TranslinearCircuits(see pg.16formoreaboutthecross-quad)





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