限幅放大器的仿真研究

張靜秋，陳寧，陳明義，桂衛(wèi)華

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410000）

0 引言

限幅放大電路也可以稱為數(shù)據(jù)量化器，接收較寬變化范圍的輸入電壓，輸出邊沿速度受控的、幅度固定的數(shù)字邏輯電平。在輸入信號(hào)較小時(shí)，限幅放大電路處于線性放大區(qū)；當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到一定的幅度，輸出電壓的幅度將不隨輸入信號(hào)幅度變化而維持在一定值上，處于限幅工作狀態(tài)。限幅放大器可以作為對(duì)微弱輸入信號(hào)的頻率、相位進(jìn)行測(cè)量之前的預(yù)處理電路，常用于數(shù)字傳輸系統(tǒng)、信號(hào)整形和過壓保護(hù)等。

與數(shù)字電路相比，在電路結(jié)構(gòu)基本確定的情況下，模擬電路中元器件特性參數(shù)的選擇對(duì)電路功能能否實(shí)現(xiàn)、能否達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。本文介紹的限幅放大器采用三級(jí)電路來實(shí)現(xiàn)限幅放大和電平轉(zhuǎn)換功能：第一級(jí)采用由集成運(yùn)放構(gòu)成的同相比例運(yùn)算電路，主要起阻抗變換作用，其輸入電阻極高而輸出電阻極低，可以從信號(hào)源獲取微小的電壓信號(hào)；第二級(jí)由集成運(yùn)放、二極管和穩(wěn)壓管構(gòu)成負(fù)反饋橋式限幅放大電路，在輸入信號(hào)的幅度和頻率均會(huì)變化的情況下，輸出一定幅度范圍內(nèi)的限幅信號(hào)，其頻率與輸入信號(hào)一致，極性與輸入信號(hào)相反。第三級(jí)采用由集成電壓比較器構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路，將限幅信號(hào)進(jìn)行整形并轉(zhuǎn)換為之周期一致的TTL電平輸出。

本文主要介紹在限幅放大器的電路結(jié)構(gòu)基本確定的情況下，如何選擇集成運(yùn)放、集成電壓比較器、整流二極管、限幅穩(wěn)壓管，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。并且利用Multisim12對(duì)給出的限幅放大器進(jìn)行仿真測(cè)試，說明其電路功能以及具體達(dá)到的性能指標(biāo)。

1 關(guān)鍵元器件的選擇

■1.1 集成運(yùn)放的選擇

集成運(yùn)放是模擬電路中應(yīng)用最廣泛的一種器件，由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)運(yùn)放的性能要求也不一樣。在沒有特殊要求的情況下，應(yīng)該盡量選用通用型集成運(yùn)放以降低成本、保證貨源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)運(yùn)放時(shí)，應(yīng)盡量選用將兩個(gè)或者四個(gè)封裝在一起的多運(yùn)放集成電路。

評(píng)價(jià)運(yùn)放性能的優(yōu)劣應(yīng)看其綜合性能，其交流性能可以參考轉(zhuǎn)換率（SR/V/mS），而直流性能可以參考輸入偏置電流（Iib/nA）和輸入失調(diào)電壓（Vio/mV）。當(dāng)放大音頻、視頻等交流信號(hào)時(shí)，應(yīng)選用SR大的運(yùn)放，而處理微弱的直流信號(hào)時(shí)，應(yīng)選用失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫漂均比較小的運(yùn)放。除此之外，還要考慮信號(hào)源的性質(zhì)（近似電壓源還是電流源）、負(fù)載的性質(zhì)（近似恒壓輸出還是恒流輸出）、工作電壓范圍以及環(huán)境條件等。

考慮到輸入信號(hào)是音頻范圍的交流信號(hào)，末級(jí)電平轉(zhuǎn)換電路中電壓比較器的輸入和輸出電壓都比較大，所以前級(jí)放大電路中的集成運(yùn)放應(yīng)選用壓擺率高、輸出電流大、耐壓高的芯片，可以選擇通用型集成運(yùn)放LF356，其壓擺率高、帶寬大、建立時(shí)間短、電壓噪聲和電流噪聲低。LF356的主要參數(shù)如下：輸入阻抗（Input Impedance）Rid=1012Ω，共模抑制比（CMRR）KCMRR=100dB，直流電壓增益（DC Voltage Gain）ADCV=106dB， 壓 擺 率（Slew Rate）SR=12V/μV， 增 益 帶 寬（Gain Bandwidth）fGB=5MHz，建立時(shí)間（Setting Time to 0.01%）tST=1.5μS，輸出電流（Output Current）IO=25mA，供電電壓±VCC=±(5～20)V，功耗（Power Dissipation）Pd=570mW。運(yùn)放LF356的1腳和5腳是失調(diào)電壓調(diào)零端，可以將10kΩ電位器接在1腳和5腳之間，而電位器的滑動(dòng)端接7腳。本例為了簡(jiǎn)化電路容易讀圖，沒有接入調(diào)零電位器。集成運(yùn)放供電電壓的選擇，應(yīng)該在滿足負(fù)載輸出電壓的情況下，選擇較低的供電電壓并且整個(gè)電路盡量統(tǒng)一。在此選擇±5V給LF356供電，與末級(jí)集成電壓比較器的供電電壓一致。

■1.2 整流二極管和限幅穩(wěn)壓管的選擇

第二級(jí)限幅放大采用負(fù)反饋橋式限幅電路，其限幅效果好，還可以減少單個(gè)穩(wěn)壓管承受的壓力，使穩(wěn)壓管吸收電流的能力強(qiáng)，減小輸出電流。應(yīng)選用線性度好、響應(yīng)速度快的二極管構(gòu)成整流橋，否則會(huì)造成輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位存在偏移，并且偏移量還會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率而變化。選擇穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓時(shí)，主要考慮在集成運(yùn)放達(dá)到最大限幅值之前，穩(wěn)壓管要反向擊穿穩(wěn)壓起到限幅作用，如果利用集成運(yùn)放進(jìn)入飽和時(shí)達(dá)到最大輸出值來限幅，則會(huì)由于集成運(yùn)放工作在極限狀態(tài)而引入不穩(wěn)定因素。

為此整流二極管選用小信號(hào)肖特基二極管1N4448，其開關(guān)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高，主要參數(shù)如下：反 向 峰 值 電 壓（Peak Repetitive Reverse Voltage）VPRM=75V，最大正向平均電流（Forward Continuous Current）IFM=500mA， 正 向 電 壓（Forward Voltage）VF=0.62～0.72V，反向恢復(fù)時(shí)間（Reverse Recovery Time）Trr=4.0nS，功耗（Power Dissipation）Pd=500mW。

限幅穩(wěn)壓管選用1N5990，其主要參數(shù)為：穩(wěn)定電壓VZ=3.9V，最大工作電流IZM=100mA，額定功耗PZ=500mW。

■1.3 集成電壓比較器的選擇

第三級(jí)采用集成電壓比較器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，將-3.9V～+3.9V之間的限幅信號(hào)整形且轉(zhuǎn)換為TTL電平。雖然集成運(yùn)放也可以用來構(gòu)成電壓比較器，并且與集成運(yùn)放相比，集成電壓比較器的開環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小。但是集成電壓比較器的響應(yīng)速度快、傳輸延時(shí)時(shí)間短；一般不需要外加限幅電路就可以直接驅(qū)動(dòng)TTL、CMOS和ECL等集成數(shù)字電路；有些負(fù)載能力強(qiáng)的集成電壓比較器還可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器和指示燈；如果給集成電壓比較器設(shè)置很小的回差還能提高轉(zhuǎn)換速度，從而避免寄生電容引起的振蕩現(xiàn)象。

本例選用集成電壓比較器LM393，其供電電源通常不需要加旁路電容，集電極開路、發(fā)射極接地的輸出方式與TTL、DTL、MOS、CMOS等兼容。主要參數(shù)如下：雙電源供電時(shí)±Vcc=±(1～18)V，單電源供電時(shí)Vcc=2～36V；輸入偏置電流IIB=250nA，最大靜態(tài)電流ICCQ=2.5mA，最大輸入失調(diào)電壓VIO=±5mV，最大輸入失調(diào)電流IIO=±50nA；最大差模輸入電壓Vid=±36V，最大共模輸入電壓范圍Vic=Vcc-1.5V；最大灌電流Isink=16mA；輸出漏電流IOLE=0.1nA；功耗Pd=570mW。由于采用OC門輸出方式，LM393的輸出端需要接上拉電阻到VCC，上拉電阻的取值要根據(jù)負(fù)載大小來確定，如果沒有特殊要求可以取10kΩ。

2 限幅放大器的仿真研究

根據(jù)預(yù)定要求給出限幅放大器原理圖，在Multisim12中的仿真測(cè)試電路如圖1所示。示波器XSC1的Channel A測(cè)量整個(gè)電路的輸入信號(hào)ui，Channel B測(cè)量第一級(jí)同相比例放大電路的輸出信號(hào)uo1。示波器XSC2的Channel A測(cè)量第二級(jí)限幅放大電路的輸出信號(hào)uo2，Channel B測(cè)量第三級(jí)電平轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)uo。

圖1 限幅放大器的仿真電路

■2.1 無源高通濾波電路的仿真測(cè)試

第一級(jí)為同相比例運(yùn)算電路，為了濾除變化緩慢的信號(hào)，在信號(hào)的輸入端加了C1-R1構(gòu)成的無源高通濾波電路，可以調(diào)用Bode圖儀測(cè)試其下限截止頻率為174.5MHz，如圖2所示。

圖2 無源一階高通濾波電路及其幅頻特性

■2.2 第一級(jí)同相比例放大電路的仿真測(cè)試

在圖1所示的電路中，輸入正弦信號(hào)（峰值10mVpk、頻率100Hz），用示波器XSC1測(cè)試同相比例放大電路的輸入和輸出波形，仿真結(jié)果如圖3所示。Channel A在光標(biāo)T2和T1處的差值即為輸入信號(hào)的峰峰值（9.983+9.993）mV=19.976mV，Channel B在光標(biāo)T2和T1處的差值即為輸出信號(hào)的峰峰值（25.875+14.077）mV=39.952mV，可以計(jì)算出輸出信號(hào)幅度比輸入放大了約2倍。

圖3 第一級(jí)同相比例放大電路的輸入—輸出波形

■2.3 第二級(jí)限幅放大電路的仿真測(cè)試

給定V1（1mVpk、100Hz）的正弦小信號(hào)，對(duì)第二級(jí)限幅放大電路單獨(dú)進(jìn)行仿真測(cè)試，用示波器XSC1觀察電路的輸入輸出波形，仿真電路和測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從Channel B光標(biāo)處的讀數(shù)可知輸出信號(hào)的峰峰值為（8.228+9.788）mV=18.0mV，從Channel A光標(biāo)處的讀數(shù)可知輸入信號(hào)的峰峰值為2×999.67μV=2.0mV，由此計(jì)算出第二級(jí)限幅放大電路的放大倍數(shù)約為9倍。當(dāng)輸入信號(hào)幅度小于1mVpk，頻率從10Hz～1000Hz變化時(shí)，可以得到基本相同的結(jié)果，說明此時(shí)二極管D1～D4和穩(wěn)壓管D5均截止，運(yùn)放處于開環(huán)工作狀態(tài)，其輸出與輸入之間成反相比例關(guān)系。

當(dāng)輸入增加到5mVpk時(shí)，則可以觀察到輸出波形的頂部和底部被削平，橋式限幅電路開始正常工作了；輸入信號(hào)繼續(xù)增加到30mVpk以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)限幅電路輸出會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。可見，限幅放大電路只能接收一定幅度范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，才能獲得穩(wěn)定的限幅輸出。

圖4 第二級(jí)限幅放大電路及其波形測(cè)試

■2.4 第三級(jí)電平轉(zhuǎn)換電路的仿真測(cè)試

電平轉(zhuǎn)換電路是由LM393構(gòu)成的反相輸入型滯回電壓比較器。在圖1中，給限幅放大器ui輸入（10mVpk、100Hz）的正弦信號(hào)。用示波器XSC2測(cè)試電平轉(zhuǎn)換電路的輸入和輸出波形：Channel A測(cè)試其輸入波形uo2；Channel B測(cè)試其輸出波形uo，仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹?，輸入信號(hào)uo2為限幅波，其幅度被限制在約為±3V范圍內(nèi)；輸出信號(hào)uo的周期與輸入信號(hào)一致，且邊沿特性良好，其高電平約為5V，低電平約為0.04V。在測(cè)試過程中對(duì)上拉電阻R9的阻值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)取值510Ω時(shí)可以獲得滿意的低電平值。

將圖5中的波形拉寬10倍來觀察，即示波器的時(shí)間軸（Time base Scale）設(shè)置為1mS/DIV，將T1和T2兩個(gè)光標(biāo)分別移到輸出uo發(fā)生負(fù)躍變和正躍變的位置，可以測(cè)量電壓比較器的兩個(gè)閾值分別為-1.35V和-1.80V。從uo躍變的邊沿還可以看出躍變幾乎在瞬間完成?？梢娊o集成電壓比較器設(shè)置較小的回差，起到了加快轉(zhuǎn)換速度的目的，從而避免寄生電容引起的振蕩，獲得了邊沿很好的TTL電平。

圖5 第三級(jí)電平轉(zhuǎn)換電路的輸入—輸出波形

■2.5 整個(gè)限幅放大器的綜合測(cè)試

為了防止電源內(nèi)阻造成低頻或高頻自激振蕩，可以在±Vcc和地之間分別接入一個(gè)較大容量和一個(gè)較小容量的濾波電容。本例對(duì)仿真波形觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率增大到1kHz左右時(shí)，輸出的TTL高電平開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以在電源和地之間接入一個(gè)0.1μF的電容以消除高頻自激，使輸出的高、低電平很平穩(wěn)。

為了方便觀察整個(gè)限幅放大器的輸入ui(t)和輸出uo(t)波形，在圖1中添加示波器XSC3，其Channel A觀察ui，Channel B觀察uo。保持輸入信號(hào)的幅度10mVpk不變，分別測(cè)量頻率為10Hz和1kHz兩種情況，仿真結(jié)果如圖6（a）和（b）所示，可以看到輸出的TTL波形一致性很好，高電平約為5V，低電平約為0.04V，并且輸出信號(hào)的周期與輸入信號(hào)的周期始終一致，而相位固定滯后180o。當(dāng)給定輸入信號(hào)30mVpk、1kHz時(shí)，可以得到相同的結(jié)論。

當(dāng)輸入信號(hào)幅度超出（5～30）mVpk時(shí)，第二級(jí)限幅放大電路工作不穩(wěn)定，限制了整個(gè)限幅放大器輸入信號(hào)的范圍。當(dāng)輸入信號(hào)增大到40mVpk時(shí)，如果將第一級(jí)同相比例改成電壓跟隨器以降低其放大倍數(shù)，則可以獲得滿意的效果。

圖6 整個(gè)限幅放大器的輸入—輸出波形

3 結(jié)束語

利用Multisim12對(duì)集成運(yùn)算放大器和集成比較器所構(gòu)成的限幅放大器的仿真研究表明，該電路在輸入正弦信號(hào)（5～30）mVpk、（10～1000）Hz范圍內(nèi)，可以輸出一致性良好的TTL電平，并且輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的周期一致、相位固定滯后180o。而當(dāng)輸入信號(hào)的幅度和頻率超出一定范圍時(shí)，需要對(duì)電路參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整才能獲得滿意的效果。

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