張靜秋，陳寧，陳明義，桂衛(wèi)華

（中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙，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。在輸入信號較小時，限幅放大電路處于線性放大區(qū)；當輸入信號達到一定的幅度，輸出電壓的幅度將不隨輸入信號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微弱輸入信號的頻率、相位進行測量之前的預處理電路，常用于數(shù)字傳輸系統(tǒng)、信號整形和過壓保護等。

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)的選擇對電路功能能否實現(xiàn)、能否達到預期的性能指標起著至關重要的作用。本文介紹的限幅放大器采用三級電路來實現(xiàn)限幅放大和電平轉(zhuǎn)換功能：第一級采用由集成運放構(gòu)成的同相比例運算電路，主要起阻抗變換作用，其輸入電阻極高而輸出電阻極低，可以從信號源獲取微小的電壓信號；第二級由集成運放、二極管和穩(wěn)壓管構(gòu)成負反饋橋式限幅放大電路，在輸入信號的幅度和頻率均會變化的情況下，輸出一定幅度范圍內(nèi)的限幅信號，其頻率與輸入信號一致，極性與輸入信號相反。第三級采用由集成電壓比較器構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路，將限幅信號進行整形并轉(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，如何選擇集成運放、集成電壓比較器、整流二極管、限幅穩(wěn)壓管，以實現(xiàn)預定的功能達到預期的性能指標。并且利用Multisim12對給出的限幅放大器進行仿真測試，說明其電路功能以及具體達到的性能指標。

1 關鍵元器件的選擇

■1.1 集成運放的選擇

集成運放是模擬電路中應用最廣泛的一種器件，由于應用場合不同，對運放的性能要求也不一樣。在沒有特殊要求的情況下，應該盡量選用通用型集成運放以降低成本、保證貨源。當一個系統(tǒng)中有多個運放時，應盡量選用將兩個或者四個封裝在一起的多運放集成電路。

評價運放性能的優(yōu)劣應看其綜合性能，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）。當放大音頻、視頻等交流信號時，應選用SR大的運放，而處理微弱的直流信號時，應選用失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫漂均比較小的運放。除此之外，還要考慮信號源的性質(zhì)（近似電壓源還是電流源）、負載的性質(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。

考慮到輸入信號是音頻范圍的交流信號，末級電平轉(zhuǎn)換電路中電壓比較器的輸入和輸出電壓都比較大，所以前級放大電路中的集成運放應選用壓擺率高、輸出電流大、耐壓高的芯片，可以選擇通用型集成運放LF356，其壓擺率高、帶寬大、建立時間短、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，而電位器的滑動端接7腳。本例為了簡化電路容易讀圖，沒有接入調(diào)零電位器。集成運放供電電壓的選擇，應該在滿足負載輸出電壓的情況下，選擇較低的供電電壓并且整個電路盡量統(tǒng)一。在此選擇±5V給LF356供電，與末級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

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

為此整流二極管選用小信號肖特基二極管1N4448，其開關速度快、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，反向恢復時間（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之間的限幅信號整形且轉(zhuǎn)換為TTL電平。雖然集成運放也可以用來構(gòu)成電壓比較器，并且與集成運放相比，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速度快、傳輸延時時間短；一般不需要外加限幅電路就可以直接驅(qū)動TTL、CMOS和ECL等集成數(shù)字電路；有些負載能力強的集成電壓比較器還可以直接驅(qū)動繼電器和指示燈；如果給集成電壓比較器設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±Vcc=±(1～18)V，單電源供電時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)預定要求給出限幅放大器原理圖，在Multisim12中的仿真測試電路如圖1所示。示波器XSC1的Channel A測量整個電路的輸入信號ui，Channel B測量第一級同相比例放大電路的輸出信號uo1。示波器XSC2的Channel A測量第二級限幅放大電路的輸出信號uo2，Channel B測量第三級電平轉(zhuǎn)換電路的輸出信號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試

第一級為同相比例運算電路，為了濾除變化緩慢的信號，在信號的輸入端加了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 第一級同相比例放大電路的仿真測試

在圖1所示的電路中，輸入正弦信號（峰值10mVpk、頻率100Hz），用示波器XSC1測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T2和T1處的差值即為輸入信號的峰峰值（9.983+9.993）mV=19.976mV，Channel B在光標T2和T1處的差值即為輸出信號的峰峰值（25.875+14.077）mV=39.952mV，可以計算出輸出信號幅度比輸入放大了約2倍。

圖3 第一級同相比例放大電路的輸入—輸出波形

■2.3 第二級限幅放大電路的仿真測試

給定V1（1mVpk、100Hz）的正弦小信號，對第二級限幅放大電路單獨進行仿真測試，用示波器XSC1觀察電路的輸入輸出波形，仿真電路和測試結(jié)果如圖4所示。從Channel B光標處的讀數(shù)可知輸出信號的峰峰值為（8.228+9.788）mV=18.0mV，從Channel A光標處的讀數(shù)可知輸入信號的峰峰值為2×999.67μV=2.0mV，由此計算出第二級限幅放大電路的放大倍數(shù)約為9倍。當輸入信號幅度小于1mVpk，頻率從10Hz～1000Hz變化時，可以得到基本相同的結(jié)果，說明此時二極管D1～D4和穩(wěn)壓管D5均截止，運放處于開環(huán)工作狀態(tài)，其輸出與輸入之間成反相比例關系。

當輸入增加到5mVpk時，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；輸入信號繼續(xù)增加到30mVpk以上時，發(fā)現(xiàn)限幅電路輸出會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況?？梢姡薹糯箅娐分荒芙邮找欢ǚ确秶鷥?nèi)的輸入信號，才能獲得穩(wěn)定的限幅輸出。

圖4 第二級限幅放大電路及其波形測試

■2.4 第三級電平轉(zhuǎn)換電路的仿真測試

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。用示波器XSC2測試電平轉(zhuǎn)換電路的輸入和輸出波形：Channel A測試其輸入波形uo2；Channel B測試其輸出波形uo，仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹剑斎胄盘杣o2為限幅波，其幅度被限制在約為±3V范圍內(nèi)；輸出信號uo的周期與輸入信號一致，且邊沿特性良好，其高電平約為5V，低電平約為0.04V。在測試過程中對上拉電阻R9的阻值進行調(diào)整，當取值510Ω時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，即示波器的時間軸（Time base Scale）設置為1mS/DIV，將T1和T2兩個光標分別移到輸出uo發(fā)生負躍變和正躍變的位置，可以測量電壓比較器的兩個閾值分別為-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 第三級電平轉(zhuǎn)換電路的輸入—輸出波形

■2.5 整個限幅放大器的綜合測試

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較大容量和一個較小容量的濾波電容。本例對仿真波形觀察發(fā)現(xiàn)，當輸入信號頻率增大到1kHz左右時，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。保持輸入信號的幅度10mVpk不變，分別測量頻率為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，并且輸出信號的周期與輸入信號的周期始終一致，而相位固定滯后180o。當給定輸入信號30mVpk、1kHz時，可以得到相同的結(jié)論。

當輸入信號幅度超出（5～30）mVpk時，第二級限幅放大電路工作不穩(wěn)定，限制了整個限幅放大器輸入信號的范圍。當輸入信號增大到40mVpk時，如果將第一級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 整個限幅放大器的輸入—輸出波形

3 結(jié)束語

利用Multisim12對集成運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（5～30）mVpk、（10～1000）Hz范圍內(nèi)，可以輸出一致性良好的TTL電平，并且輸出信號與輸入信號的周期一致、相位固定滯后180o。而當輸入信號的幅度和頻率超出一定范圍時，需要對電路參數(shù)進一步調(diào)整才能獲得滿意的效果。

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