前天，在公衆號推文《單片調頻接收機》有同學留言，提到他在去年寒假使用LM386製作小功放時的一個神奇的經歷，居然LM386收到了本地調頻電臺的聲音！
公衆號留言
去年寒假用LM386搭的小功放竟然收到了本地的FM電臺，聲音很輕，真的好神奇。
爲什麼普通的音頻功放在某些情況下可以直接收聽到調頻電臺的聲音？它是如何將空間傳播的高頻電磁波放大檢波之後，還原出聲音的呢？
要理解這一點，需要稍微比在大學課本中介紹的運算放大器（Operational Amplifier:OPAMP）的特性更深入瞭解一下它的工作情況，並在此基礎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，是因爲現在電路工作環境中該高頻電磁干擾逐漸增多，例如設備中的高頻開關電源、WiFi、Bluetooth、ZIgbee等無線通信模塊等。在設計電子信號調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擾到電路中，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，有很寬的工作電壓範圍（4~18V），提供大約500mW的輸出功率，電壓增益在20~200之間。
1、LM386內部結構
下圖是從TI公司產生的LM386內部等效電路圖。它包括有前級差分輸入、電壓放大以及功率爲推輓輸出。由於內部已經有電阻負反饋迴路，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內部等效電路圖
LM386的工作原理與普通運放相似。爲了提高電路在深度負反饋下的工作的穩定性，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，當頻率增高是降低電路的增益，提高電路工作增益穩定裕量。
2. LM386的頻率特性
爲了研究LM386受到高頻信號的影響，需要了解它的頻率特性，即隨着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配置成增益爲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，輸出信號的幅度隨着頻率的變化而出現變化。在下圖中還記錄了LM386輸出管腳的直流分量的變化情況，當頻率高的時候輸出點的直流分量也出現變化。
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，所對應的頻率爲LM386的截止頻率。
LM386的低通截止頻率大約爲：。
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係隨着頻率不同而變化。
在不同頻率下LM386的輸入，輸出波形與輸入波形之間的關係
將輸出信號的幅度以及它與輸入信號之間的相位差繪製出來，可以清楚看到頻率引起的變化。隨着信號頻率的增加，輸出信號的幅值下降，相位在逐步落後。
不同頻率下輸出的幅值以及相位差
爲什麼高頻信號會引起LM386輸出直流偏置電壓變化？
從前LM386的內部機構和基本的頻率特性可以看出，當輸入信號的頻率比較低的時候，LM386的電壓放大倍數比較大，輸入輸出的相位差小，IC內部負反饋電阻網絡使得輸入差分放大級的輸入信號與反饋信號基本上呈現平衡，抵消後實際作用在輸入三極管基極-發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。
當輸入信號的頻率增加之後，超過截止頻率（550kHz）之後，LM386的電壓增益下降，使得反饋信號逐漸低於輸入信號。同時由於反饋信號的相位逐漸落後於輸入信號，也進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-發射極上的交流電壓分量。當該交流電壓分量超過一定幅值，由於三極管基極導通呈現非線性整流作用，因此就會產生附加的整流電壓。該電壓經過放大之後，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。
- 通帶內的頻率： 1kHz, 50kHz
- 過渡帶的頻率：250kHz
- 阻帶內的頻率：1000kHz
不同頻率輸入信號對LM386直流偏置的影響
1. 頻率爲1kHz正弦信號
設置輸入信號爲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係
LM386輸出波形的變化
2. 頻率爲50kHz正弦信號
在輸入信號的頻率爲50KHz下，輸出信號的有效值和直流偏移量隨着輸入信號的有效值從0.01V變化到1.0V的過程中對應的變化情況。
在50kHz下LM386的輸出信號幅度和直流偏移量隨着輸入信號的幅值增加變化的情況
在50kHz下輸出波形隨着輸入信號有效值幅值從0.01V增加到1V的變化情況
3. 頻率爲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係
在250kHz頻率下LM386輸出波形變化情況
4. 頻率爲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係
在1MHz頻率下，LM386的輸出信號隨着輸入信號有效值從0.01增加到1.00V的變化情況
5. 不同頻率信號結果對比
在不同的頻率下，輸出的信號在開始的時候都是隨着輸入信號的幅值增加而上升。但是隨着頻率超出了LM386的頻率範圍。輸出的信號的幅值在高於一定值之後，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係
直流分量的變化如下圖所示。對於高出LM386截止頻率之外的信號，輸出直流偏質量隨着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範圍，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，隨着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。
當輸入信號的有效值低於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. 兩組掃頻實驗結果
第一組 ：輸入有效值爲0.1Vrms
下圖對比了在輸入相同的情況下，隨着頻率的增加輸出直流量的變化。
輸入0.1Vrms下不同頻率對應的輸出和直流偏置量的變化
輸入0.1Vrms下，不同頻率對應的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
設置輸入信號的有效值爲0.2V，測試輸入信號的頻率對於輸出信號的幅值、輸出直流偏質量的影響。
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着頻率的增加而變化的情況繪製在一起。
可以看到當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，輸入頻譜對於運放直流偏移量的影響
通過前面實驗數據說明，當輸入信號幅值增大，頻率增大時，LM386的前級整流效果越明顯。
前面同學製作的LM386功放如果可以收到當地調頻電臺的節目，根據前面分析，這需要有兩個條件：
條件1：在LM386的輸入端口進入的高頻電磁波的幅值足夠大，就會引起LM386輸出整流後的低頻信號；
條件2：在輸入迴路中還應該有一個諧振迴路，它的中心點與附近調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，將接收到的調頻信號的幅值也進行改變，進而有後級的LM386整流、放大輸出相應的調製音頻信號。
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，並不會因爲運放的低通作用而被消除。相反，當該信號幅值大於一定程度之後，它會被運放前級整流，進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，但從輸入端進入的干擾產生的影響最大。
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爲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爲：EMIRR IN+。
EMIRR和EMIRRIN+
具體的計算公式如下：
這個數值運放的數據手冊中會給出，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境惡劣，在設計初期就需要選擇EMIRR高的運放設計電路。
如果自己選擇的運放EMIRR數值不高？而有恰恰工作在高頻干擾複雜的環境中，那該怎麼辦？
此時就需要在電路系統的電磁防護上多下些功夫了。通過增加電路輸如輸出高頻濾波電路，對敏感電路區域增加有效屏蔽，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頻電臺的廣播內容。
