【技术专辑】运算放大器限幅器:如何限制放大信号的幅度

本文是AAC模拟电路系列的一部分,探讨了基于运算放大器的限幅器的设计和功能。

 

两种类型的放大非常容易实现。第一种是单位增益放大,它需要一个电压跟随器,或者,如果不需要缓冲,则需要PCB走线; 当输入信号的幅度或多或少在设备的其他信号处理电路的功能范围内时,这种方法可以产生奇迹。第二种是固定增益放大,需要一个运算放大器和两个电阻。如果输入信号的幅度相当恒定,或者下游电路具有良好的动态范围,则固定增益方法可能绰绰有余。

 

然而,在某些情况下,设计需要放大器对输出信号施加限制。我的意思如下:对于小输入信号,增益是一定值。当输入幅度增加时,该增益或多或少保持不变,这很好 - 也许下游电路可以容忍相当宽的输入幅度范围。但在某些时候,放大器需要停止放大,因为如果输入幅度超过某个阈值,下游组件将表现不佳(或者根本不会)。以这种方式运行的放大器称为限幅器,因为它还通过将非线性响应结合到其传递函数中来限制输出幅度。

 

应用

 

前一段解释了限制器的通用应用。它基本上是一种实现自动增益控制(AGC)的更直接的方法,虽然限幅器不称为AGC电路,并且有充分的理由 - AGC使用反馈来确保输出信号始终具有一定幅度,而限幅器仅确保输出不超过一定幅度。尽管如此,一般的想法是类似的:提供放大的输出,对于整个可能的输入幅度范围,其保持在下游电路的动态范围内。这种类型的应用的具体示例是RF接收器电路,其中限制器用于保护敏感的低噪声放大器免受意外的高幅度信号的影响。

 

在模拟振荡器电路中可以找到一个不太明显但很重要的限幅器应用。如果您已阅读负反馈系列,则您知道负反馈会导致电路变得不稳定。换句话说,如果设计不正确的反馈网络,输入的变化可能导致输出振荡,其幅度会增加,直到放大器饱和。

 

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但是,如果我们想要振荡器而不是放大器呢?那么,理论上可以创建一个具有完美边际稳定性的放大器,这样输出就会表现出持续的振荡。但这在现实生活中是行不通的,因为电路或外部环境中的某些东西会稍微改变并“缩小平衡”,从而导致振荡向零减小或向饱和度增加。可以使用限幅器来克服设计可靠振荡器的这一严重障碍:初始平衡有意倾向于增加趋向于饱和的情况,但限幅器随着幅度增加而减小环路增益,从而产生稳定的振荡。

 

电路

 

这里是:

 

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首先让我们看一下电路的工作原理。我们将在这里介绍基本概念; 您可以通过模拟更详细地探索功能。通过结合二极管的非线性电流 - 电压特性,实现非线性幅度控制(不足为奇)。当输出电压低时,两个二极管都反向偏置。这意味着我们可以分析电路,就好像它们不在那里一样,当我们这样做时,我们看到限幅器只是一个典型的反相运算放大器,在输出和电源电压之间连接了一些电阻。正如预期的那样,限幅器只是一个普通的放大器,只要输出不高或不足以激发其限制功能。

 

但是,随着输出增加,D2阳极的电压开始相对于运算放大器反相输入端的电压增加。最终,二极管两端的电压将达到~0.6 V,二极管将开始导通。在D2导通时,R F被旁路,运算放大器变为电压跟随器 - 换句话说,增益降低,输出幅度受限。此行为如下图所示。

 

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输入电压降低,因此输出电压增加。D2的阳极处的电压也增加,并且当输入电压达到约-0.4V时,D2两端的电压足够高以使二极管开始导通。正如我们对正向偏置二极管所期望的那样,D2两端的电压然后趋于稳定。下一个图确认输出电压也会消失。

 

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二极管D1发生类似的过程。

 

设计细节

 

使用R F和R1 设置非限制性增益; 正如您在上面的示意图中所看到的,我的电路设置为10的非限制增益。下一个任务是建立正负电压限制。如果您仔细考虑电路几分钟,您会发现R4和R5形成一个分压器,这样D2阳极电压(以及扩展的正极限电压)将取决于R4与R5的比率。类似地,D1阴极电压(并且通过扩展负极限电压)取决于R3与R2的比率。完整的方程(由微电子电路提供)如下:

 

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我计算了+5 V和-5 V限值的电阻值。下图显示电路按预期工作; 不同的走线是输入信号幅度范围为0.1 V至1.1 V的输出信号。我非常欣赏从线性行为到限制行为的平滑过渡。

 

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结论

 

我们讨论了基于运算放大器的简单限幅器的应用和功能,我们研究了一个简单的设计实例。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计