請問如何設計一個輸出10兆到100兆Hz，幅值1000伏的方波訊號發生電路？

從量子到電子2019-09-21 16:01:36

與其說這是一個技術問題，不如說這是一個工程師直覺的問題！

所謂工程師直覺，當然要建立在深厚的數理功底和豐富的實踐經驗之基礎上。進而

1。對資料的敏感度；

2。知道電路設計的物理極限在哪裡。

對於此問題，一個比較有工程師直覺的工程師，首先要抓住兩個關鍵指標：

1。 10MHz~100MHz的方波；

2。 1000V的方波幅值。

對於這種近乎極端的情況，首先考慮的已經不是MOS管等功率半導體器件的耐壓了，甚至首先都不用去考慮器件。如果還在想用什麼樣的半導體器件來實現該方案，那麼我只能說你還缺乏工程師直覺，也對半導體器件不夠了解。

如果一位硬體工程師對運放比較瞭解，或常用運放，我想對於這種場景首先想到的是——壓擺率SR（Slew Rate）。

我們首先要問，對於這樣的方波，0V到1000V電壓上升所用的時間是多少？理想的方波，0V到1000V是瞬間突變的，顯然那隻存在於理論中。我們做一個妥協，認為用梯形波來近似方波。在頻率確定的前提下，梯形波中1000V電平維持的時間越短，從0到1000V電壓上升的時間越緩慢，那麼梯形波的極限就是三角波。此時，我們可以算出來，在10MHz的頻率約束下，此種場景下的最小壓擺率為：

SR=1000V/0。05us=20，000V/us

這是一個什麼概念呢？

我們常用的運算放大器TL084的壓擺率只有16V/us，這個資料在傳統的電壓反饋型運放中不算特別小的資料。那麼再去ADI的官網找一個壓擺率最大的電流反饋型運放，見下圖

5500V/us幾乎已經是ADI公佈的壓擺率最大的電流反饋型運放了。但注意看資料手冊中說明5500V/us是4V階躍下得到的，而問主問的方案，階躍在1000V，高250倍之多。

接下來，再來思考電磁輻射的問題。學過電磁學理論的同學應該都知道“變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場”，而電場是電壓的負梯度，電場的量綱是V/m，或者籠統地說——對於固定的兩個點之間，電場的大小與電壓成正比。大的dV/dt意味著大的電場變化，這樣就非常容易向周圍空間輻射電磁波，此種情景下，連基爾霍夫定律都不能用來分析電路了。如果仍然對此資料沒概念，那麼不妨同2。4GHz的WIFI訊號做一個對比。

對於一個正弦電壓訊號，可以表示為

V=A*sin（wt），這裡角頻率歐米茄用w代替（手機編輯，敬請諒解），對時間求一次導數後

dV/dt=A*w*cos（wt）

所以可以說WIFI訊號的壓擺率與頻率、幅值和相位有關係。而最大壓擺率是幅值與角頻率的乘積。WIFI功率放大器的直流電源電壓幅值通常為1～2V，若為2V，則2。4GHz WIFI訊號的最大壓擺率約為30，170V/us，若為1V，則壓擺率約為15，070V/us。與前述1000V，10MHz三角波是比較接近的。

然而，正弦波只有在電壓過零點附近壓擺率是最大的，其擺率是時刻在變化的，最小處在波峰和波谷，擺率為零。如果將正弦訊號相位的-60°～60°之間的變化直線化。那麼在WIFI訊號中維持15，000V/us～30，000V/us壓擺率的階躍電壓只有1。7V～3。4V（√3=1。73），遠遠小於1000V。那麼就算1000V/10MHz三角波輸出端沒接天線的情況下，只要有一小段導線，就會向外輻射強烈的電磁波。如果與WIFI接相同阻抗的天線，那麼1000V/10MHz三角波向外輻射電磁波的功率是WIFI天線輻射功率的約10萬倍（階躍電壓的平方之比）的數量級。WIFI的輻射功率在0。1W～1W（我對當前路由器輻射功率具體數值不是很清楚，只是10來年前嘗試設計過一個2。4GHz的射頻功放，輸出功率20dBm），那麼可想而知1000V/10MHz三角波發生器的輻射功率是一個多麼可觀的資料。

綜上所述，題主提出的問題已接近物理極限。用通常的電子電路是幾乎不可能實現的。