第三章典型应用电路(1)剖析

电子设计教程,第3章 典型应用电路,第3章 典型应用电路,无论是何种性质的系统都是由许多功能电路模块组成的，这些功能模块之间的不同组合可以构成不同的功能系统，了解并熟识这些功能电路是设计系统的基础，本章对系统中的典型应用电路做简单介绍，这些电路的设计及取值都是经过实验论证的，但实际设计时由于实验环境等因素的影响，结果还是会有所不同，设计者应仅以本文所给数据为参照，自行探索，才能发挥电路的最佳性能3.1 限幅放大电路,对信号测量时，微弱信号需要先经过放大才能被检测出来但当输入信号的幅值变化范围较大时，如果对信号放大同样倍数，则可能出现信号较强时超出后级处理芯片的测量范围，而信号较弱时却不能够被后级处理芯片识别的情况使用程控放大可以解决这个矛盾，但很多情况只是对信号进行频率或者相位的测量，只需要知道信号的周期(自变量2)信息，而非幅值(自变量1)信息，使用程控放大就不是很有必要了这种情况下，通常采取限幅放大此限幅放大器由前级同相放大、限幅放大和电平转换电路三部分组成：前级同相放大电路主要起到放大、隔离－阻抗变换的作用；限幅放大电路采用二极管1N4148实现负反馈桥式限幅反馈支路箝位电压为2x0.7+UVD1=5V，当UO1刚脱离0进入正半周时运放负饱和；反之UO1刚进入负半周时运放正饱和。

饱和时UO2绝对值超过5V，桥式电路的二极管导通，稳压二极管工作，形成负反馈闭环放大，U－=0，从而将UO2钳位于+或-5V左右(±12V)，故运放不易进入饱和状态，该电路实为边沿不够陡峭的整形电路 ；电平转换电路再将放大后的信号经过0比较器后整形为陡峭的方波信号，便于后级电路处理 限幅放大级Ri=R4，因I2i=I2o－R4取值偏小会导致I2o过大，烧坏运放U2(当 I2o接近U2极限时运放饱和电压=5V?)上图中当负载小时接上拉电位器R6，这样通过调节R6可保证输出TTL电平但最好选 VA、VD分开的MAX902这样的运放来直接整形 采用负反馈桥式限幅电路可实现双向限幅，限幅效果好，可减少单个稳压管的承压能力(3.6V)，而击穿时的电流取决于外电路此桥式电路中，二极管的选取比较重要，因反向击穿时U随I击穿=IR4微变，故应注意IR4与U的匹配；如果采用线性度较差的二极管，还会造成输出与输入信号间的相位偏移，并且偏移会随频率的变化而改变因此应当采用线性度好、反应速度快的二极管，如IN4148，以保证输入输出信号的线性相位关系由于限幅器一级的输入输出电压的振幅都很大(周期不变时信号振幅越大则变化率越大)，为避免失真电路中的运放芯片应该选取高摆率、输出电流大(KCL)、耐压高的运放。

同时，为使进入限幅器的信号更加稳定，应选取增益带宽积较大的电压反馈型运放(CFB贵)综合以上因素，可选取LF356 如果过零比较器的输出波形出现边缘抖动现象，原因多半是比较器的电路设计不合理一方面可以在过零比较电路(LM311或者LM393等)中增加补偿网络，使得输出波形更加稳定；另一方面还可将比较器电路中的电阻R5用电位器代替，调节电位器到合适的阻值，使得波形达到最佳效果，削弱波形抖动最后，为使比较输出的方波信号边沿陡峭,可采用两级施密特触发器(反相施密特－电压串联正反馈、同相施密特－电压并联正反馈)对其整形实验表明，这样做在使边沿陡峭的同时还能减少信号毛刺 若不采用限幅放大电路而采用固定增益放大电路，当放大器输出信号幅值接近运放的工作电压12V时也会被削平，原因是运放进入饱和但此时运放工作在极限状态，容易引入不稳定因素，对电路的稳定性和功耗方面提出了很高的要求，长时间的超量程工作也会对运放本身造成损害3.2 运放参数测试电路,无论是放大电路、比较电路，还是隔离电路，运算放大器都是这些电路的核心器件运算放大器的合理运用，对模拟电路的设计来说十分重要，在前章中已经就集成运放芯片的选择作过简要介绍，但在使用运算放大器前，应当充分理解运算放大器的特性及相应特性参数的测量。

故此，本文介绍一个运放参数的测试电路，利用此电路可以测量运放的输入失调电压、输入失调电流、差模开环交流电压增益和共模抑制比等基本参数3.2.1 运放参数测量介绍,通常运放的参数测量是根据运放各种参数的定义将待测运放接成共模或差模输入方式来实现的，测试电路因测量参数的不同而异，要实现不同参数的测量，测试过程复杂 另有一种采用“被测器件－辅助运放”模式的运放参数测量电路，籍被测运放和辅助运放以构成稳定的负反馈网络，从而使输出电压嵌位于预置电压，将小电压、小电流转换为伏特级的电压进行测试以下给出的图形为“被测器件－辅助运放”模式的运放参数测量原理电路图1).利用辅助运放测量VIO、IIO的测试原理图,① 闭合K1、K2，测得辅助运放的输出电压为VL0，则有： ② 闭合K1、K2，测得辅助运放的输出电压为VL0； 断开K1、K2 ，测得辅助运放的输出电压为VLI ，则有：,,,,,,(2)利用辅助运放测量AVD的测试原理图,设信号源输出电压为VS，测得辅助运放输出电压为VL0，则有,,(3).利用辅助运放测量KCMR的测试原理图,设信号源输出电压为VS，测得辅助运放输出电压为VL0，则有,,3.2.2 辅助运放法通用测量电路设计,分析辅助运放法的测试原理图，各参数的测量电路虽不同，但仍有大部分近似的电路。

将、、和四个参数的测试电路简化为一个标准测试模板，通过按键控制不同参数测试电路的选择，避免了因不同电参数测试电路不同而使得测不同参数时需插拔待测芯片，符合实际测试的标准通用标准测试电路,按键S1、S2、S3、S4的编码 为0000时，接通测量VIO 的电路 为0100时，接通测量 IIO 的 电路； 为0011时，接通测量 AVD 的电路 为1010时，接通测量KCMR的电路在实际制作电路时，辅助运放的性能对被测运放的参数测量影响非常大，其性能不好可能会引起闭环回路的寄生振荡辅助放大器需满足下列基本要求： (1).开环增益应大于60dB； (2).输入失调电流及输入偏置电流应足够小； (3).输入共模电压范围应足够大，应具有足够的稳定性 根据各种运放的性能比较，可选择AD620作为辅助运放AD620的特性参数如表所示另外，为了保证测试精度，要求： R、Ri、Rf的阻值准确测量； R1、R2的阻值尽可能一致； IIO与R的乘积远大于VIO； IIO与Ri // Rf的乘积应远小于VIO 测试电路中的电阻值建议取：Ri=100Ω、 RL=10kΩ Rf=10kΩ~100kΩ、R1=R2=20kΩ、、R=1MΩ,,,,,,,,由于运放的单位增益带宽积BWG的测量需要扫频信源，测量电路与其它参数的测量电路出入也较大，因此可单独进行测量。

测量输入扫频信源后运放的输出幅值，当测得的幅值为输入幅值的0.707倍时停止扫频，这样就可以测得BWG 要实现测试电路的自动化，只需将标准测试电路中的按键用继电器代替，并用数字电路控制继电器的通断即可虽然电路的通断选择也可以采用模拟开关实现，但模拟开关存在导通电阻，即通道选通时会将导通电阻加于电路中，从而引入测量误差通过添加补偿电容便可避免因继电器的电路分布参数大而引起的闭环测试回路寄生振荡3.3锁相技术原理与应用,所谓锁相，就是相位同步的自动控制完成两个信号间相位同步的闭环自动控制系统叫做锁相环，也称PLL(Phase Locked loop)3.3.1 锁相环概述,典型的锁相环由鉴相器(Phase Detector)、环路滤波器(Loop Filter)、压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)三部分组成 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号与反馈信号之间的相位差； 环路滤波器具有低通特性，是低通滤波器，但更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用，比如防止自激振荡，所以不能是普通的LPF； 压控振荡器是一个电压－频率转换装置，在环路中作为被控振荡器其振荡频率随控制电压而变。

Loop Filter,当H(s)=s+a=a+j时s1=-a为一阶负实零点， =argtg /a，当=a时 =argtg1= /4；≤s1/10时 ≤ argtg0.10；≥10s1时 ≥ argtg10argtg= /2，在高频段一阶零点导致相位超前/2 当H(s)=s-a=-a+j时s1=a为一阶正实零点， =argtg /(-a)，当=a时 =argtg(-1)= -/4；无论零点是正是负，都永远为正！ 当H(s)=1/(s+a)=1/(a+j)时s1=-a为一阶负极点， =-argtg /a，当=a时 =-/4； ≤ s1/10时 0； ≥ 10s1时 -argtg= -/2在高频段一阶极点导致相位滞后/2 ，这就是普通的一阶RC积分低通滤波器 在高频段△ = -/2，高频干扰信号就可能满足自激振荡的相位条件，而环路增益往往1满足幅度条件，故极易形成自激振荡 无源比例积分滤波器： H(∞)=R2/(R1+R2)= SR2C/S(R1+R2)C，当s较大时H(S)≈(1+SR2C)/[1+S(R1+R2)C]，一阶负极点s1=-1/(R1+R2)C，一阶负零点s2=-1/R2C，s1s2。

故S≥s2后s1、s2的作用互相抵消：增益保持不变= H(∞)；R1越小零、极点越靠近，极点单独发挥作用的频段(0.1s1~0.1s2)、零点单独发挥作用的频段(10s1~10s2)就越窄，系统的△就越小当S≥10s2后△ = /2+(-/2)=0，则自激振荡的相位条件将很难满足 有源比例积分滤波器(当运放开环A足够高时可近似为理想积分滤波器－分母=sτ) 运放接为反相放大器形式，反馈网络为阻容R2、C串联， H(S)≈-(1+SR2C)/SR1C 则一阶极点s1=0，H(0)= ∞，10s1=0故0频处 = -/2已达极限，0频后的相位将单独受零点的影响 ；一阶负零点s2=-1/R2C，s1s2故S≥s2后s1、s2的作用互相抵消：增益保持不变= H(∞)=-R2/R1，可见该滤波器具有低通特性和比例作用；  在0.1s2处开始返回，在s2处△ = (-/2)+ /4= -/4 ，当S≥10s2后△ = /2+(-/2)=0，则自激振荡的相位条件将很难满足锁相环技术涉及到的术语有： (1).锁相环是完成相位同步的自动控制环路，当环路的输出信号频率与输入信号的频率一致时称为锁定. (2).从输入信号加到锁相环路的输入端开始一直到环路到达锁定的全过程称为捕获过程。

(3).捕获过程需要的时间称为捕获时间 (4).保证环路必然进入锁定的最大固有频率值称为捕获带3.3.2 锁相环应用举例,锁相技术应用广泛，例如：广播电视、通信雷达、跟踪滤波、同步滤波、调制与解调、频率合成、频率变换、载波同步、时钟同步、位同步等本文就其基本应用介绍如下 (1).频率合成 (2).倍频 (3).V/F转换,(1).频率合成,频率合成器是将一个高精度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等步骤对其进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精度和稳定度的频率源 频率合成的方法主要有三种最早的合成方法称为直接频率合成，它是利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算的但是，该方法需要硬件设备多，造价高，并且输出会出现无用的寄生频率，已渐渐被间接合成法所取代变模分频合成法,变模分频合成法是通过程控分频器，对基准的高精度高稳定度的频率进行分频和倍频而得到需要的频率这种方法的输出频率分辨率跟分频器和倍频器的倍数以及基准频率有关如图3-7所示，合成器的输出频率为：其中N为变模分频器的分频值，通过控制N，就可以产生不同的频率值变模分频合成法经过改进，变成如图所示的双模分频器。

双模分频合成法,利用锁相环可以输出频率稳。