從共地到浮地的簡單介紹
在模擬電路中,如果需要仿真電路或者分析電路,經(jīng)常需要找到地在哪里,即GND,之后才能開始進行分析。
比如一個同相放大電路,正常畫法如下圖所示。當輸入電壓為1V時,輸出電壓為2V。

如果取消GND,則可以畫成如下結構:

可以在無參考地的情況下,計算一下節(jié)點OUT與節(jié)點COMM之間的電壓。節(jié)點INV與節(jié)點NON電壓相等(虛短),節(jié)點NON與節(jié)點IN之間電壓相等(虛斷),則節(jié)點INV與節(jié)點COMM之間的電壓為1V,流過R3的電流為0.1mA,那么流過R2的電流也為0.1mA,則節(jié)點OUT與節(jié)點COMM之間的電壓為0.1mA*(10kΩ+10kΩ)=2V。
在仿真時,隨意添加GND即可,比如可以將運算放大器的負電源輸入端設置為GND,進行仿真,仿真結果顯示,節(jié)點OUT與節(jié)點COMM之間的電壓仍然為2V。即使將+15V電源的正輸出端設置為GND進行仿真,節(jié)點OUT與節(jié)點COMM之間的電壓也還是2V。

將電路真正的連接成環(huán)路,則GND的位置在哪里,并不會影響電路的功能。但很多時候,模擬電路為了方便理解,以GND為參考點開始進行設計,這時,GND的位置不同,將會產(chǎn)生不同的結果。
這里以一個常見的偏置結構為例進行說明。下面這個電路都很好理解,是一個互補輸出的功率放大電路。三極管的交流等效電路是共集電極放大電路,也就是緩沖器的連接方式,這是一種非常常見的連接方法。

如果這個時候更改一下參考地的位置。如下圖所示,轉換為共射放大電路,此時放大電路的放大倍非常大,所以輸出會變?yōu)榉讲ā?/p>
將該電路略微復雜化一些,共射極放大電路的放大倍數(shù)可以由集電極電阻和發(fā)射極電阻之比進行估算,這里添加500歐的發(fā)射極電阻,形成一個約2倍放大的共射極放大電路,如下圖所示??梢钥吹椒糯蟊稊?shù)近似為2倍。在分析交流放大倍數(shù)時,15V的電源是短路的,所以R1是與集電極連接的。

誤差主要是由交越失真產(chǎn)生的,增加消除交越失真的電路,如下圖所示,輸出更加接近2倍的輸入電壓。

這里使用電壓源進行偏置,是因為電壓源的內阻為零歐,不會改變三極管的基極輸入電阻。但是實際電路設計不能進行這種方式進行設置??梢允褂没鶚O電阻進行偏置。如下圖所示,此時因為基極電阻的影響的,實際放大倍數(shù)會減小。
在實際電路中,R1通常是在負載的位置,也即是說負載會影響該電路的放大倍數(shù),這在很多應用中都是不可以接受的,所以設計時需要注意這個問題,需要額外的串入電阻并增加負反饋控制放大倍數(shù)。

我們再把這個電路重新繪制成不需要GND的模式,將原來的GND改為COMM,另外連接一個大電阻到GND(此時可以隨意選擇連接的位置),這樣可以進行仿真,可以看到節(jié)點OUT與節(jié)點COMM之間的電壓與之前基本相同。

在模擬電路中,通常有直流等效和交流等效,直流等效用于計算電路的直流偏置參數(shù),即求解靜態(tài)工作點;而交流的放大倍數(shù),通常使用交流等效電路進行計算。在交流等效電路時,直流電源短路,電壓恒定的兩個節(jié)點短路(或接地),電流恒定的路徑開路,則很容易看到電路的本質。
當然,要了解電路的動態(tài)特性,則必須使用拉普拉斯變換或者直接列寫電路的微分方程求解。模擬電路的地通常非常復雜,但是有些時候,忽略地的概念,把這些參考點連接起來,更容易看到電路的本質。
模擬電路系統(tǒng)通常非常復雜,但是局部電路是可以簡化成容易理解的基礎電路模塊。將局部電路逐個模塊化,就得到電路的框圖,進而能夠理解整個系統(tǒng)。再從系統(tǒng)需求去理解每個模塊的設計參數(shù),則更容易學會如何進行電路設計。