【文章內(nèi)容簡介】 ： a） 電路 b)電壓 傳輸特性 圖 12 滯回比較器及其電壓傳輸特性 電路從輸出端引一個電阻分壓支路到同相輸入端，若 Uo 改變狀態(tài)，同相端的電位也隨著改變。當(dāng) Uo 為正， U+=[R2/（ Rf +R2） ] Uo+，則當(dāng) Ui U+后， Uo 即由正變負(fù)，此時同相輸入端電位 U+變?yōu)?U+， U+=[R2/（ Rf +R2） ] Uo。故只有當(dāng) Ui下降到 U+以下，才能使 Uo 再度回升到 Uo+，于是出現(xiàn)圖 12（ b）所示的滯回特性。 U+與 U+的差別稱為回差，改變 R2的數(shù)值可以改變回差的大小。 窗口比較 器 單限比較器和滯回比較器 在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在兩個給定電壓之間，而窗口比較器具有這一功能。圖 13（ a）所示為一種雙限比較器，外加參考電壓 URHURL，電阻 R R2和穩(wěn)壓管 VDZ 構(gòu)成限幅電路。 當(dāng)輸入電壓 ui大于 URH時，必然大于 URL，所以集成運放 A1的輸出 u01=+UOM，A2的輸出 u02= UOM。使得二極管 VD1導(dǎo)通， VD2截止，電流通路圖 13 中實線所標(biāo)注， 4 穩(wěn)壓管 VDZ 工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓 u0=+UZ。 當(dāng) ui小于 URL時，必然小于 URH，所以 A1的輸出 u01= UOM， A2的輸出 u02=+ UOM。因此 VD2導(dǎo)通， VD1截止， VDZ 工作在穩(wěn)壓狀態(tài)， u0仍為 +UZ。 當(dāng) URL〈 ui〈 URH時， u01= u02= UOM，所以 VD1和 VD2均截止，穩(wěn)壓管截止， u0=0。 URH和 URL分別為比較器的兩個閾值電壓，設(shè) URH和 URL均大于零，則圖 13（ a）所示電路的電壓傳輸特性如圖 13（ b）所示。 a)電路圖 b)傳輸特性 圖 13 窗口比較器 及其電壓傳輸特性 方波 發(fā)生器 電壓比較器的一個典型應(yīng)用就是 方波發(fā)生器 ，方波發(fā)生器 的電路如圖 14（ a）所示。其中 R1與 RF組成正反饋支路，運放同相端電壓 V+=（ R1/R1+RF） V0,電阻 R、電容 C組成運放的負(fù)反饋支路。當(dāng)電容 C 的端電壓 VC（等于運放的反相端電壓 V）大于 V+時，輸出電壓 V0= VZ（雙向穩(wěn)壓管 DZ的限幅電壓），則電容 C 經(jīng)電阻 R 放電， VC下降。當(dāng) VC下降到比 V+小時，比較器的輸出電壓 V0=+ VZ，電容 C 又經(jīng)過電阻 R 充電，電容的端電壓 VC又開始上升，如此重復(fù)，則輸出電壓 v0為周期性方波，如圖 14（ b）所示。方 波的頻率可用以下公式表示， f0=1/T=1/2RCln (1+2R1/RF)， 調(diào)節(jié)電位器 RP 可改變頻率。 5 a)電路圖 b)輸出波形 圖 14 方波發(fā)生器及其輸出波形 積分器 在函數(shù)信號發(fā)生器中積分器的主要作用是用來構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路， 積分器的基本電路如圖 15（ a） 所示。 若 ui 選用階躍信號，在 t≥ 0 時，輸出電壓 uo 的表達(dá)式為ui=0(t0)或 ui=E（ t≥ 0） ， U0=Et/RC 式中， RC 為積 分時間常數(shù)；輸出電壓 uo 的最大值受集成運算放大器的最大輸出電壓和輸出電流限制，因此積分時間是有限的。 為限制電路的低頻電壓增益，可將反饋電容 C 與一電阻 RF并聯(lián)。當(dāng)輸入頻率大于f0= 1/(2πRFC)時，電路為積分器；若輸入頻率遠(yuǎn)低于 f0。則電路近似一個反相器，低頻電壓增益為 AVF= RF/R1 實際的積分器電路如圖 15（ b） 所示。若輸入為一對稱方波，則積分器的輸出為一對稱三角波，其波形關(guān)系如圖 15（ c） 所示。 a)電路圖 b)實 際電路 c)輸出波形 圖 15 積分器及其輸出波形 6 差分放大器 具有恒流源的差分放大器，應(yīng)用十分廣泛。特別是在模擬集成電路中，常作為輸入級或中間放大級， 而在函數(shù)信號發(fā)生器中的作用是用來產(chǎn)生正弦波，主要是應(yīng)用其工作在非線性區(qū)。差分放大器 電路如圖 16 所示 。其中， T T2 稱為差分對管，常采用雙三極管如 5G921 或 BG319 等，它與電阻 RB RB RC RC2及電位器 RP 共同組成差分放大器的基本電路。 T T4與電阻 RE RE R 共同組成恒流源電路，為差分對管的 射極提供恒定電流 I0。均壓電阻 R R2給差分放大器提供對稱差模輸入信號。晶體管 T1與 T T3與 T4的特性應(yīng)相同，電路參數(shù)應(yīng)完全對稱，改變 RP 可調(diào)整電路的對稱性。由于電路的這種對稱性結(jié)構(gòu)特點及恒流源的作用，無論是溫度的變化，還是電源的波動（稱之為共模信號），對 T T2 兩管的影響都是一樣的。因此，差分放大器能有效地抑制零點漂移。 差分放大器器的主要性能參數(shù)有傳輸特性，差模特性及共模特性。 圖 16 差分放大器電路 傳輸特性 傳輸特性是指差分放大器在差模信號輸入下，集電極電 流 iC隨輸入電壓 vid 的變化規(guī)律，傳輸特性曲線如圖 17 所 示 。由傳輸特性可以看出： 當(dāng)差模輸入電壓 Vid=0 時，兩管的集電極電流相等， IC1Q=IC2Q= I0/2，稱 Q 點為靜態(tài)工作點；當(dāng) vid 增加（177。 25mV以內(nèi)）時， iC1隨 vid 線性增加， iC2隨 vid 線性減少， IC1+IC2=I0 7 的關(guān)系不變，稱 vid 的這一變化范圍為線性放大區(qū)；在 vid 增加到使 T1趨于飽和區(qū)， T2趨于截止區(qū)（ vid 超過177。 50mV）時， iC1的增加和 iC2的減小都逐漸緩慢，這時 iC iC2隨 vid 作非線性變化，稱 vid 的這一變化范圍為 非線性區(qū)，增大射極電阻可加強(qiáng)電流負(fù)反饋，擴(kuò)展線性區(qū)，縮小非線性區(qū)；在 vid 再繼續(xù)增加（超過177。 100mV）， T1 飽和、 T2截止時， iC iC2不再隨 vid 變化，稱 vid 的這一變化范圍為限幅區(qū)。 也可以通過測量 T1和 T2的集電極電壓 vc vc2隨差模電壓 vid 的變化規(guī)律來測量差模傳輸特性。因為 vc1=VCC iC1RC1，如果 +VCC、 RC1確定，則 vc1與 iC1的變化規(guī)律相同， Vc()為晶體管截止時的電壓， Vc(+)為晶體管飽和時的電壓。靜態(tài)工作點 Q 對應(yīng)的電壓為 VCQ，當(dāng) vid 增加時， vc1隨 vid 線性減少， vc2隨 vid 線性增加。此傳輸特性可以同來設(shè)置差分放大器的靜態(tài)工作點，觀測電路的對稱性。 圖 17 差模傳輸特性曲線 共模特性 當(dāng)差分放大器的兩個輸入端輸入一對共模信號（大小相等、極性相同） vic 時，由于恒流源的作用，集電極電壓 vc vc2不會因 vic 變化而同時增加或減小。如果電路參數(shù)完全對稱，則共模電壓增益 AVC≈ 0。所以，具有恒流源的差分放大器對共模信號，如晶體管的零點漂移、電源波動、溫度變化等的影響具有很強(qiáng)的抑制能力。常用共模抑制比 KCMR 來表征差分放大器對共 模信號的抑制能力， KCMR 愈大，說明差分放大器對共模信號的抑制力愈強(qiáng)，放大器的性能愈好。 共模抑制比 KCMR 的測量方法如下：當(dāng)差模電壓增益 AVD 的測量完成后，輸入Vic=500mV, fi=500Hz 的共模信號。如果電路的對稱性很好，則 Vc1=Vc2≈ 0，示波器觀測 vc vc2時，其波形近似于一條水平直線。如果電路的對稱性不是很好， vc vc2的 8 波形可能為一對大小相等、極性相反的正弦波（其原因是由于電路的參數(shù)不完全對稱所引起的）。雖然電路參數(shù)不完全對稱，但由于 AVC≦ 1，放大器的共模抑制比也能達(dá)到幾十分 貝，對共模信號仍具有較強(qiáng)的抑制能力。因此，在要求不是很高的情況下，可以用一固定電阻代替恒流源， T T2 也可以采用特性相近的兩只晶體管，而不一定要用對管，還可以通過調(diào)整外參數(shù)使電路盡可能對稱。 9 2 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計 方案 函數(shù)信號發(fā)生器是能自動產(chǎn)生正弦波，方波，三角波等信號電壓波形的電路或儀器。它的設(shè)計方案一般有以下幾種： 基于單片集成芯片 MAX038 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計， 基于 專用直接數(shù)字合成 DDS 芯片函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 以及基于晶體管、運放 IC函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 。本章將對基于單片集成芯片 MAX038 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計和基于晶體管、運放 IC 等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計這兩種方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。 基于單片集成芯片 MAX038 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 MAX038 是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器。可用單電源供電，也可雙電源供電，他們的值為 177。5 ～ 177。15 V，我們?nèi)?177。15 V，頻率的可調(diào)范圍為 1～ 600 kHz，輸出矩形波的占空比可調(diào)范圍為 2％～ 98％。 此方案 的工作原理是 當(dāng)給函數(shù)發(fā)生器 MAX038 接通電源時，電容 C 的電壓為 0 V，電壓比較器 Ⅰ 和 Ⅱ 的輸出電壓均為低電平；因而 RS 觸發(fā)器的輸出 Q 為低電平， Q 為高電平；使電子開關(guān) S 斷開，電流源 IS1對電容充電，充電電流時間的增長而線性上升。uc的上升使 RS 觸發(fā)器的 R 端從低電平躍變?yōu)楦唠娖?，但其輸出不變，一直?uc上升到 1／ 3 VCC時，電壓比較器 Ⅰ 的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖剑?Q 才變?yōu)楦唠娖剑?Q 同時變?yōu)榈碗娖剑?，?dǎo)致電子開關(guān) S 閉合，電容 C 開始放電，放電電流為 IS2－ IS1＝ I，因放電電流是恒流，所以，電容上電壓 uc隨時間的增長 而線性下降。起初， uc的下降雖然使 RS 觸發(fā)器的 S 端從高電平躍變?yōu)榈碗娖剑漭敵霾蛔?。一直?uc下降到 1／ 3 VEE，使電壓比較器 Ⅱ 的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖剑?Q 才變?yōu)榈碗娖剑?Q 同時為高電平），使得電子開關(guān) S 斷開，電容 C 又開始充電。重復(fù)上述過程，周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。由于充電電流與放電電流數(shù)值相等，因而電容上電壓為對稱三角波形 , Q 和 Q）為方波，經(jīng)緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。通過以 上分析可知，改變電容充電放電電流即改變 RA， RB 的數(shù)值，或改變電容 C 的數(shù)值，就改變了充放電時間，因此可改變其頻率。 圖 21 所示為 MAX038 最常見的接法，矩形波輸出端為集電極開路形式，需外接電阻 RL＝ 10 kHz 至＋ VCC。圖中 RA 和 RB可分別獨立調(diào)整，通過改變 RA 和 RB的數(shù)值可改變矩形波的占空比，當(dāng) RA＝ RB時矩形波的占空比為 50％，因而為方波。當(dāng) RA≠RB 10 時，矩形波不再是方波，引腳 2 輸出也就不再是正弦波。 圖 21 ICL8083的基本接法 基于晶體管、運放 IC 等函數(shù) 信號發(fā)生器的設(shè)計 此方案 包括兩部分電路，一部分為方波 — 三角波產(chǎn)生電路，另一部分為三角波→正弦波變換電路。下面將分別介紹它們的電路及工作原理： 方波 → 三角波產(chǎn)生電路 方波 — 三角波產(chǎn)生電路 如圖 22所示： 圖 22 方波 — 三角波產(chǎn)生電路圖 圖 22 所示的電路能自動產(chǎn)生方波 — 三角波。電路工作原理如下：若 a 點斷開， 11 運算放大