【導(dǎo)讀】本文的測量與分析，以輸入及輸出均為變壓器耦合的經(jīng)典電路為原型。至于另一種也被廣泛使用的單端推挽電路，僅僅是輸入信號的激勵方式，以及輸出信號的整合方式不同，下述的基本原理依然適用。
無刷直流 (BLDC) 電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)車間不可或缺的一部分，主要用于伺服、致動、定位和變速應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，精確的運(yùn)動控制和穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。由于 BLDC 基于運(yùn)動磁場的原理運(yùn)行以產(chǎn)生電機(jī)扭矩，因此在設(shè)計(jì)工業(yè) BLDC 系統(tǒng)時(shí)，主要的控制挑戰(zhàn)在于準(zhǔn)確地測量電機(jī)的扭矩和速度。
為了捕獲 BLDC 電機(jī)的扭矩，需要使用多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 同時(shí)測量三個(gè)感應(yīng)相電流中的兩個(gè)。由具有合適算法的微控制器計(jì)算第三個(gè)瞬時(shí)相電流。此過程可以準(zhǔn)確、即時(shí)地記錄電機(jī)狀況，而這是開發(fā)堅(jiān)固耐用的高精度電機(jī)扭矩控制系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。
本文將簡要討論與實(shí)現(xiàn)精確的扭矩控制相關(guān)的問題，包括一種實(shí)現(xiàn)所需分流電阻器的經(jīng)濟(jì)高效的方法。然后介紹 Analog Devices 的 AD8479 精密差分放大器和 AD7380 雙通道采樣逐次逼近寄存器 ADC (SAR-ADC)，并展示如何將它們用于獲取精確的相位測量值，以實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
BLDC 電機(jī)的工作原理
BLDC 電機(jī)是具有反電動勢 (EMF) 波形的永磁同步電機(jī)。觀察到的端子反電動勢并非恒定的；它會隨著轉(zhuǎn)子的扭矩和速度而變化。雖然直流電壓源不能直接驅(qū)動 BLDC 電機(jī)，但 BLDC 的基本工作原理與直流電機(jī)相似。
BLDC 電機(jī)包含一個(gè)具有永磁體的轉(zhuǎn)子和一個(gè)具有感應(yīng)繞組的定子。這種電機(jī)本質(zhì)上是一種外翻的直流電機(jī)，其中消除了電刷和換向器，然后將繞組直接連接到控制電子設(shè)備。控制電子設(shè)備取代了換向器的功能，以正確的順序?yàn)槔@組通電，獲得所需的運(yùn)動。通電的繞組以同步、平衡的模式圍繞定子旋轉(zhuǎn)。通電的定子繞組引導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁鐵，并在轉(zhuǎn)子與定子對齊時(shí)開關(guān)。
BLDC 電機(jī)系統(tǒng)需要一個(gè)三相無傳感器 BLDC 電機(jī)驅(qū)動器，該驅(qū)動器在電機(jī)的三個(gè)繞組中產(chǎn)生電流（圖 1）。電路通過具有涌流控制的數(shù)字功率因數(shù)校正 (PFC) 級供電，可為三相無傳感器驅(qū)動器提供穩(wěn)定的電力。
圖 1：原理電路及輸出信號的合成
如果我們完全依照原理電路搭建一個(gè)推挽放大器，那么我們所得到的放大信號將是這樣的：
圖 2：輸出信號波形
圖 3：輸入信號波形與輸出信號波形作疊加對比
顯然，這不是我們期待得到的放大信號，它并沒有一個(gè)完整的信號周期，產(chǎn)生了明顯的失真；
圖 3 中可以看到，當(dāng)上面那個(gè)晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域，停止工作，而下面那個(gè)晶體管卻尚未進(jìn)入工作狀態(tài)；同樣，當(dāng)下面那個(gè)晶體管已經(jīng)脫離放大區(qū)域，停止工作，上面那個(gè)晶體管也是未有進(jìn)入工作狀態(tài)；
這個(gè)失真發(fā)生在兩個(gè)晶體管所各自負(fù)責(zé)的半個(gè)周期之交接區(qū)域中，放大器理論把這種發(fā)生在信號上下半周交接區(qū)域產(chǎn)生的失真稱為“交越失真”。
交越失真的成因
要知道這個(gè)交越失真是怎樣產(chǎn)生的，首先要知道的是令晶體管工作所需的電壓條件；
大多數(shù)涉及晶體管電路原理的書籍中都會提到，在晶體管的 PN 結(jié)上，要加上一定的正向電壓才能使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，半導(dǎo)體物理學(xué)把這個(gè)令晶體管進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)的電壓，稱為晶體管的“特征電壓”；不同材質(zhì)的晶體管其導(dǎo)通電壓并不相同，電路理論中，鍺材料晶體管的“特征電壓”被定為 0.2V，硅材料晶體管的“特征電壓”被定為 0.7V。
實(shí)際應(yīng)用中需要留意的是：即使材質(zhì)相同的晶體管，其導(dǎo)通電壓也會略有不同，并且，這個(gè)“特征電壓”也不是一個(gè)固定的值，而是在這個(gè)值附近的一個(gè)范圍。
我們再來看看原理電路中，兩個(gè)晶體管到底是怎樣的一個(gè)工作情況
圖 4：上晶體管的輸出波形與輸入信號波形的疊加對比
圖 5：下晶體管的輸出波形與輸入信號波形的疊加對比
圖 4、圖 5 中兩個(gè)晶體管的輸出波形與輸入信號波形的疊加對比，都反映了同樣的問題：在信號的兩個(gè)半周，上下晶體管都沒有完整地工作在其負(fù)責(zé)放大的半周期內(nèi)，只是在信號電壓超過其“特征電壓”時(shí)才開始工作，當(dāng)信號電壓低于其“特征電壓”，但尚未回到 0 的時(shí)候，就脫離了工作狀態(tài)，這種偷工減料的行為致使工作交替過程期間的信號被丟失，這就是導(dǎo)致推挽放大器產(chǎn)生“交越失真”的成因。
消除交越失真的方法
面對所出現(xiàn)的問題，首先是要找出問題的成因，才能據(jù)此探求解決問題的辦法。
上面的測量中，我們找到了造成“交越失真”是因?yàn)榫w管的“特征電壓”在作怪，那么我們就可以這樣做：預(yù)先為晶體管基極設(shè)置一個(gè)導(dǎo)通電壓，令其在尚未有輸入信號的時(shí)候，已經(jīng)提前進(jìn)入工作區(qū)域，這樣，晶體管就可以在信號到來時(shí)馬上進(jìn)入工作狀態(tài)，兩個(gè)晶體管的信號交接過程就會變得暢順，交越失真就可以消除。
這個(gè)為晶體管基極預(yù)置的電壓，在晶體管放大器理論中稱為“偏置電壓”；也因?yàn)榫w管是電流控制器件，預(yù)置這個(gè)電壓的實(shí)際目的是為晶體管基極注入一個(gè)小電流，令晶體管進(jìn)入工作區(qū)域，所以這個(gè)注入的小電路也被稱為晶體管的“偏置電流”。
圖 6：設(shè)置有“偏置電壓”的實(shí)際工作電路
測試一下加入偏置電壓后，晶體管的工作區(qū)域發(fā)生了什么改變；
圖 7 為上晶體管的輸出波形，從 0V 基線的位置可以看到，上晶體管已經(jīng)工作在一個(gè)完整的半周期范圍，它的截止區(qū)已經(jīng)逾越了這個(gè)范圍，落在下晶體管的工作區(qū)域。
圖 7：上晶體管工作區(qū)域
圖 8 為下晶體管的輸出波形，同樣可以看到，此時(shí)下晶體管也已經(jīng)工作在一個(gè)完整的半周期范圍，它的截止區(qū)也逾越了這個(gè)范圍，落在上晶體管的工作區(qū)域。
圖 8：下晶體管工作區(qū)域
綜合測試
我們調(diào)整圖 6 偏置電路中的 R1，使基極電壓從 0 開始逐步增加，再看看原有的交越失真發(fā)生了什么變化。
圖 9：偏置電壓略為增加后，對比圖 3 中原來交越區(qū)域的不工作范圍變窄，交越失真得到改善。
圖 10：當(dāng)偏置電壓增加到令晶體管已經(jīng)完全進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)的交越失真也同時(shí)被消除。（圖 10 中有意把輸入、輸出兩個(gè)信號略作移位，以方便對比兩個(gè)波形）
以上測試過程，我們解決了晶體管推挽放大器的交越失真問題，兩個(gè)晶體管已經(jīng)可以分別工作在各自的半個(gè)周期范圍，負(fù)載得到了一個(gè)完整周期的不失真信號；
放大器理論中，把擔(dān)負(fù)放大作用的器件（晶體管或電子管），在無輸入信號時(shí)處于不工作狀態(tài)的這種放大器，稱為“乙類（B 類）放大器”；把放大器件預(yù)先進(jìn)入工作狀態(tài)，但其依然主要是承擔(dān)信號半個(gè)周期放大任務(wù)的這種放大器，稱為甲乙類（AB 類）放大器。
在音頻放大器中，為消除這種非線性失真，不使用乙類（B 類）放大器，只使用甲乙類（AB 類）放大器。
如果我們繼續(xù)增加偏置電壓，令晶體管產(chǎn)生更大的基極電流，則其截止區(qū)還會繼續(xù)向?qū)Ψ骄w管的工作區(qū)域延伸，直到最后完全覆蓋對方的整個(gè)工作區(qū)域，兩個(gè)晶體管都會工作在完整的信號周期范圍，此時(shí)，放大器的屬性也隨之發(fā)生了改變，它脫離了甲乙類（AB 類）放大器，變成為純甲類（A 類）推挽放大器。
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