第八章 常用放大電路

1、第八章 常用放大電路 343第八章 電子信息系統(tǒng)中常用放大電路引言在電子信息系統(tǒng)中，常常需要將通過(guò)傳感器或其它途徑所采集的小信號(hào)進(jìn)行放大才能進(jìn)行運(yùn)算、濾波等處理，往往也需要將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或進(jìn)一步放大或功率放大。 本章將介紹幾種常用的預(yù)處理放大電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、集成功率放大電路及鎖相環(huán)在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用。8.1 預(yù)處理放大電路8.1.1 儀表用放大器集成儀表用放大器，也稱為精密放大器，用于弱信號(hào)放大。一、儀表用放大器的特點(diǎn)在測(cè)量系統(tǒng)中，通常都用傳感獲取信號(hào)，即把被測(cè)物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行放大。因此，傳感器的輸出是放大器的信號(hào)源。然而，多數(shù)傳感器的等效電阻均不是

2、常量，它們隨所測(cè)物理量的變化而變。這樣，對(duì)于放大器而言，信號(hào)源內(nèi)阻是變量，根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式可知，放大器的放大能力將隨信號(hào)大小而變。為了保證放大器對(duì)不同幅值信號(hào)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，就必須使得放大器的輸入電阻 ，愈大，因信號(hào)源內(nèi)阻變化而引起的放大誤差就愈小。此外，從傳感器所獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào)，并含有較大共模部分，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)。因此，要求放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。綜上所述，儀表用放大器除具備足夠大的放大倍數(shù)外，還應(yīng)具有高輸入電阻和高共模抑制比。二、基本電路集成儀表用放大器的具體電路多種多樣，但是很多電路都是在圖8.1.1所示電路的基礎(chǔ)上演變而來(lái)。根據(jù)運(yùn)算電路的基

3、本分析方法，在圖8.1.1所示電路中，因而所以輸出電壓 (8.1.1)設(shè)，則 (8.1.2)當(dāng)，由于，中電流為零，輸出電壓?？梢?jiàn)，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。差模放大倍數(shù)數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高。當(dāng)輸入信號(hào)中含有共模噪聲時(shí)，也將被抑制。三、集成儀表用放大器圖8.1.2所示為型號(hào)用INA102（AD8221）的集成儀表用放大器，圖中各電容均為相位補(bǔ)償電容。第一級(jí)電路由和組成，與圖8.1.1所示電路中的和對(duì)應(yīng)，電阻、和與圖8.1.1中的對(duì)應(yīng)，、與圖8.1.1中的對(duì)應(yīng)，第二級(jí)電路的電壓放大倍數(shù)為1。INA102的電源和輸入級(jí)失調(diào)調(diào)整引腳接法如圖8.1.3所示，兩個(gè)電容為去耦電容。改變其它管腳的

4、外部接線可以改變第一級(jí)電路的增益，分為1、10、100和1000四種情況，接法如表8.1.1所示。INA102的輸入電阻可達(dá)，共模抑制比為100dB，輸出電阻為，小信號(hào)帶寬為300kHz ；當(dāng)電源電壓±15V時(shí)，最大共模輸入電壓為±12 .5V。表8.1.1 INA102集成儀表用放大器增益的設(shè)定增益引腳連接增益引腳連接16和71003和6和7102和6和710004和7，5和6四、應(yīng)用舉例圖8.1.4所地為采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)電路，測(cè)量范圍為分辨率為0.1。電路由三部分組成，如圖中所標(biāo)注。圖中、D和構(gòu)成測(cè)量電橋，D為溫度測(cè)試元件，即溫度傳感器。電橋的輸出信號(hào)

5、接到集成信表放大器INA102的輸入端進(jìn)行放大。構(gòu)成的電壓跟隨器，起隔離作用。電壓比較器驅(qū)動(dòng)電壓表，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示。設(shè)放大后電路的靈敏度為,則在溫度從時(shí)，輸出電壓的變化范圍為2V，即從-0.5+1.5V。當(dāng)INA102的電源電壓為±18V時(shí)，可將INA102的引腳、連接在一起，設(shè)定儀表放大器的電壓放在倍數(shù)為10，因而儀表放器的輸出電壓范圍為-5+15V。根據(jù)運(yùn)算電路的分析方法，可以求出、輸出電壓的表達(dá)式為 (8.1.3)改變滑動(dòng)端的位置可以改變放大電路的電壓放大倍數(shù)，從而調(diào)整數(shù)字電壓表的顯示數(shù)據(jù)。8.1.2 電荷放大器某些傳感器屬于電容性傳感器，如壓電式加速度傳感器、壓力傳感器等。這

6、類傳感器的阻抗非常高，呈容性，輸出電壓很微弱；它們工作時(shí)，將產(chǎn)生正比于被測(cè)物理量的電荷量，且具有較好的線性度。積分運(yùn)算電路可以將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量，電路如圖8.1.5所示。電容性傳感器可等效為因存儲(chǔ)電荷而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與一個(gè)輸出電容串聯(lián)，如圖中虛線框內(nèi)所示。、和電容上的電量q之間的關(guān)系為 (8.1.4) 在理想運(yùn)放條件下，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，為虛地。將傳感器對(duì)地的雜散電容C短路，消除因C而產(chǎn)生的誤差。集成過(guò)放A的輸出電壓將式（8.1.4）代入，可得 （8.1.5）為了防止因長(zhǎng)時(shí)間充電導(dǎo)致集成運(yùn)放飽和，常在并聯(lián)電阻，如圖8.1.6所示。并聯(lián)后，為了使 ，傳感器輸出信號(hào)頻率不能過(guò)低，f應(yīng)大

7、于。在實(shí)用電路中，為了減少傳感器輸出電纜的電容對(duì)放大電路的影響，一般常將電荷放大器裝在傳感器內(nèi)；而為了防止傳感器在過(guò)載時(shí)有較大的輸出，則在集成運(yùn)放輸入端加保護(hù)二極管；如圖8.1.6所示。8.1.3 隔離放大器在遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，常因強(qiáng)干擾的引入使放大電路的輸出有著很強(qiáng)的干擾背景，甚至將有用信號(hào)淹沒(méi)，造成系統(tǒng)無(wú)法正常工作。將電路的輸入側(cè)和輸出側(cè)在電氣上完全隔離的放大電路稱為隔離放大器。它既可切斷輸入側(cè)和輸出側(cè)電路間的直接聯(lián)系，避免干擾混入輸出信號(hào)，又可使有用信號(hào)暢通無(wú)阻。目前集成隔離放大器有變壓器耦合式、光電耦合式和電容耦合式三種。這里僅就前兩種電路簡(jiǎn)單加以介紹。一、變壓器耦合式變壓器耦合

8、放大電路不能放大變化緩慢的直流信號(hào)和頻率很低的交流信號(hào)。在隔離放大器中，在變壓器的輸入側(cè)，將輸入電壓與一個(gè)具有較高固定頻率的信號(hào)混合（稱為調(diào)制）；經(jīng)變壓器耦合，在輸出側(cè)，再將調(diào)制信號(hào)還原成原信號(hào)（稱為解調(diào)），然后輸出；從而達(dá)到傳遞直流信號(hào)和低頻信號(hào)的目的?？梢?jiàn)，變壓器耦合隔亢放大器通過(guò)調(diào)制和解調(diào)的方法傳遞信號(hào)。調(diào)制和解調(diào)技術(shù)廣泛用于無(wú)線電廣播、電視發(fā)送和接收以及其它通信系統(tǒng)之中。圖8.1.7所示為型號(hào)是AD210的變壓器耦合隔離放大器，其引腳及其功能如表8.1.2所示，為了閱讀方便，表中引腳號(hào)與圖8.1.7所示對(duì)應(yīng)。圖中為輸入放大電路，可以同相輸入，也可以反相輸入，分別構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路或反

9、相比例運(yùn)算電路，從而設(shè)定整個(gè)電路的增益，增益數(shù)值為1100。的輸出信號(hào)經(jīng)調(diào)制電路與振蕩器的輸出電壓波形混合，然后通過(guò)變壓器耦合到輸出側(cè)，再經(jīng)解調(diào)電路還原，最后通過(guò)構(gòu)成的電壓跟隨器輸出，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。振蕩器的輸出通過(guò)變壓器耦合到輸入側(cè)，經(jīng)電源電路變換為直流電，為和調(diào)制電路供電；振蕩器的輸出通過(guò)變壓器耦合輸出側(cè)，經(jīng)電源電路變換為直流電，為和解調(diào)電路供電；而振蕩器由外部供電。表8.1.2 AD210變壓器耦合隔離放大器的引腳及其功能引腳號(hào)功能引腳號(hào)功能16輸入放大電路的輸出端用于接入反饋1電路輸出端17反相輸入端2輸出側(cè)公共端19同相輸入端3輸出側(cè)正電源18輸入側(cè)公共端4輸出側(cè)負(fù)電源14輸入側(cè)正

10、電源29外接的電源電壓15輸入側(cè)負(fù)電源30外接電源的公共端由此可見(jiàn)，輸入側(cè)、輸出側(cè)和持蕩器的供電電源相互隔離，并各自有公共端。這類隔離放大器稱為三端口隔離電路，其額定隔離電壓高達(dá)2500V。此外，還有二端口電路，這類電路的輸出側(cè)電源和振蕩器電源之間有直流通路，而它們與輸入側(cè)電源相互隔離。在變壓器隔離放大器中，變壓器的制作，應(yīng)采用盡量降低匝電容、使繞組嚴(yán)格對(duì)稱、在初、次級(jí)間加屏蔽等工藝手段來(lái)減小外界磁場(chǎng)的影響，增強(qiáng)隔離效果。二、光電耦合式圖8.1.8所示為型號(hào)是ISO100的光耦合放大器，由兩個(gè)運(yùn)放和、兩個(gè)恒流源和以及一個(gè)光電耦合器組成。光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管LED和兩個(gè)光電二極管和組成，起

11、隔離作用，使輸入側(cè)和輸出側(cè)沒(méi)有電通路。兩側(cè)電路的電源與地也相獨(dú)立。ISL100的基本接法如圖8.1.9所示和為外接電阻，調(diào)整它們可以改變?cè)鲆妗Ｈ艉退芄庹障嗤?，則可以證明8.1.4 放大電路中的干擾和噪聲及其抑制措施在微弱信號(hào)放大時(shí)，干擾和噪聲的影響不容忽視。因此，常用抗干擾能力和信號(hào)噪聲比作為性能指標(biāo)來(lái)衡量放大電路這方面的能力。一、干擾的來(lái)源及抑制措施較強(qiáng)的干擾常常來(lái)源于高壓電網(wǎng)、電焊機(jī)、無(wú)線電發(fā)射裝置（如電臺(tái)、電視臺(tái)等）以及雷電等，它們所產(chǎn)生的電磁波或尖峰脈沖通過(guò)電源線、磁耦合或傳輸線間的電容進(jìn)入放大電路。因此，為了減小干擾對(duì)電路的影響，在可能的情況應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源，必要時(shí)加金屬屏蔽罩；并且在

12、電源接入電路之處加濾波環(huán)節(jié)，通常將一個(gè)的鉭電容和一個(gè)獨(dú)石電容并連接在電源接入處；同時(shí)，在已知干擾的頻率范圍的情況下，還可在電路中加一個(gè)合適的有源濾波電路。二、噪聲的來(lái)源及抑制措施在電子電路中，因電子無(wú)序的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲，稱為熱噪聲；因單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)PN結(jié)的載流子數(shù)目的隨機(jī)變化而產(chǎn)生的噪聲，稱為散彈噪聲；上述兩種噪聲的功率頻譜均為均勻的。此外，還有一種頻譜集中的低頻段且與頻率成反比的噪聲，稱為閃爍噪聲或1/f噪聲。晶體三極管和場(chǎng)效應(yīng)管中存在上述三種噪聲，而電阻中僅存在熱噪聲和1/f噪聲。若設(shè)放大器的輸入和輸出信號(hào)的功率分別為和，輸入和輸出的噪聲功率為和，則噪聲系數(shù)定義為或 (8.1.6)因?yàn)?/p>

13、，故可以將式（8.1.6）改寫(xiě)為 (8.1.7)在放大電路中，為了減小電阻產(chǎn)生的噪聲，可選用金屬膜電阻，且避免使用大阻值電阻；為了減小放大電路的噪聲，可選用低噪集成運(yùn)放；當(dāng)已知信號(hào)頻率范圍時(shí)，可加有源濾波電路；此外，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可提高放大電路輸出量的取樣頻率，剔除異常數(shù)據(jù)取平均值的方法，減小噪聲影響。8.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路8.2.1 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路在控制系統(tǒng)中,為了驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如記錄儀、繼電器等，常需要將電壓轉(zhuǎn)換成電流；而在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了數(shù)字化顯示，又常將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再接數(shù)字電壓表。在放大電路中引入合適的反饋，就可實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換。一、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖8.2.1所示為實(shí)現(xiàn)電壓-

14、電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路。由于電路引入了負(fù)反饋，,負(fù)載電流 （8.2.1）與成線性關(guān)系。由于圖8.2.1所示電路中的負(fù)載沒(méi)有接地點(diǎn)，因而不適用于某些應(yīng)用場(chǎng)合。圖8.2.2所示為實(shí)用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。由于電路引入了負(fù)反饋，構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，構(gòu)成電壓跟隨器。圖中，因此 （8.2.2）將式（8.2.2）代入上式，上的電壓所以 （8.2.3）二、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路圖8.2.3所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻，因而，故輸出電壓 （8.2.4）應(yīng)當(dāng)指出，因?yàn)閷?shí)際電路的不可能為零，所以比大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。8.2.2 精密整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，稱為整流。精密整流電路的功

15、能是將微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。整流電路的輸出保留輸入電壓的形狀，而僅僅改變輸入電壓的相位。當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí)，半波整流電路的輸出電壓波形如圖8.2.4中所示，全波整流電路的輸出電壓波形如圖8.2.4中所示。在圖8.2.5(a)所示的一般半波整流電路中，由于二極管的伏安特性如圖(b)所示，當(dāng)輸入電壓幅值小于二極管的開(kāi)啟電壓時(shí)，二極管在信號(hào)的整個(gè)周期均處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓始終為零。即使幅值足夠大，輸出電壓也只反映大于的那部分電壓的大小。因此，該電路不能對(duì)微弱信號(hào)整流。圖8.2.6(a)所示為半波精密整流電路。當(dāng)時(shí)，必然使集成運(yùn)放的輸出，從而導(dǎo)致二極管導(dǎo)通，截止，電路實(shí)現(xiàn)反相比例運(yùn)算，輸出

16、電壓 （8.2.5）當(dāng)時(shí)，必然使集成運(yùn)放的輸出，從而導(dǎo)致二極管導(dǎo)通，截止，中電流為零，因此輸出電壓。和的波形如圖(b)所示。如果設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓為0.7V，集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)為50萬(wàn)倍，那么為使二極管導(dǎo)通，集成運(yùn)放的凈輸入電壓同理可估算出為使導(dǎo)通集成運(yùn)放所需的凈輸入電壓，也是同數(shù)量級(jí)。可見(jiàn)，只要輸入電壓使集成運(yùn)放的凈輸入電壓產(chǎn)生非常微小的變化，就可以改變和工作狀態(tài)，從而達(dá)到精密整流的目的。圖8.2.6 (b)所示波形說(shuō)明當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)。可以想象，若利用反相求和電路將與負(fù)半周波形相加，就可實(shí)現(xiàn)全波整流，電路如圖8.2.7(a)所示。分析由所組成的反相求和運(yùn)算電路可知，輸出電壓當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，

17、；所以 （8.2.6）故圖8.2.7(a)所示電路也稱為絕對(duì)值電路。當(dāng)輸入電壓為正弦波和三角波時(shí)，電路輸出波形分別如圖(b)和(c)所示。【例8.2.1】分析圖8.2.8所示電路輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系，并說(shuō)電路功能。解：當(dāng)時(shí)，二極管D截止，故，使，因而。當(dāng)時(shí)，D導(dǎo)通，為虛地，故。因此電路的功能是實(shí)現(xiàn)精密全波整流，或者說(shuō)構(gòu)成|絕對(duì)值電路。通過(guò)精密整流電路的分析可知，當(dāng)分析含有二極管(或三極管、場(chǎng)效應(yīng)管)的電路時(shí)，一般應(yīng)首先判斷管子的工作狀態(tài)，然后求解輸出與輸入間的函數(shù)關(guān)系。而管子的工作狀態(tài)通常決定于輸入電壓(如整流電路)或輸出電壓(如壓控振蕩電路)的極性。8.2.3 電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路電壓-

18、頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)的功能是將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其數(shù)值成正比的輸出電壓，故也稱為電壓控制振蕩電路(VCO)，簡(jiǎn)稱壓控振蕩電路。通常，它能夠輸出矩形波。可以想象，如果任何一個(gè)物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)預(yù)處理變換為合適的電壓信號(hào)，然后去控制壓控振蕩電路，再用壓控振蕩電路的輸出驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器，使之在一定時(shí)間間隔內(nèi)記錄矩形波個(gè)數(shù)，并用數(shù)碼顯示，那么都可以得到該物理量的數(shù)字式測(cè)量?jī)x表，如圖8.2.9所示。因此，可以認(rèn)為電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路是一種模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路，即模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路。電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路廣泛應(yīng)用于模擬-數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、調(diào)頻、遙控遙測(cè)等各種設(shè)備之中。其電路形式很多，這里僅對(duì)基本

19、電路加以介紹。一、由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路1.電荷平衡式電路圖8.2.10所示為電荷平衡式電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的原理框圖，它由積分器和滯回比較器組成，S為電子開(kāi)關(guān)，受輸出電壓的控制。設(shè)，；的高電平為，的低電平為；當(dāng)時(shí)S閉合，當(dāng)時(shí)S斷開(kāi)。若初態(tài)，S斷開(kāi)，積分器對(duì)輸入電流積分，且，隨時(shí)間逐漸上升；當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)，從躍變?yōu)?，使S閉合，積分器對(duì)恒流源電流I與的差值積分，且I與的差值近似為I，隨時(shí)間下降；因?yàn)椋韵陆邓俣冗h(yuǎn)大于其上升速度；當(dāng)減小到一定數(shù)值時(shí)，從躍變?yōu)?，回到初態(tài)，電路重復(fù)上述過(guò)程，產(chǎn)生自激振蕩，波形如圖(b)所示。由于，可以認(rèn)為振蕩周期。而且，數(shù)值愈大，愈小，振蕩頻率f愈高，

20、因此實(shí)現(xiàn)了電壓-頻率轉(zhuǎn)換，或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)了壓控振蕩。以上分析說(shuō)明，電流源I對(duì)電容C在很短時(shí)間內(nèi)放電(或稱反向充電)的電荷量等于在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)充電(或稱正向充電)的電荷量，故稱這類電路為電荷平衡式電路。圖8.2.11所示為一種電荷平衡式電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路，虛線左邊為積分器，右邊為滯回比較器，二極管D的狀態(tài)決定于輸出電壓，電阻起限流作用，通常。滯回比較器的電壓傳輸特性如圖8.2.12所示，輸出電壓的高、低電平分別為和， 閾值電壓。設(shè)初態(tài)，由于，D截止，的輸出電壓和同相輸入端的電位分別為隨時(shí)間增長(zhǎng)線性增大，同相輸入端的電位也隨之上升。當(dāng)過(guò)時(shí)，輸出電壓從躍變?yōu)椋瑢?dǎo)致D導(dǎo)通。積分器實(shí)現(xiàn)求和積分，若忽略二極管導(dǎo)

21、通電阻，則由于，的下降速度幾乎僅僅決定于，而且迅速下降至，使得從躍變?yōu)椋娐坊氐匠鯌B(tài)。上述過(guò)程循環(huán)往復(fù)，因而產(chǎn)生自激振蕩，波形如圖8.2.10(b)所示，振蕩周期。由于積分起始值為，終了值為，時(shí)間常數(shù)為，故可求出電路的振蕩周期T和頻率f： （8.2.7） （8.2.8）可見(jiàn)，振蕩頻率正比于輸入電壓的數(shù)值。2.復(fù)位式電路復(fù)位式電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的原理框圖如圖8.2.13所示，電路由積分器和單限比較器組成，S為模擬電子開(kāi)關(guān)，可由三極管或場(chǎng)效應(yīng)管組成。設(shè)輸出電壓為高電平時(shí)S斷開(kāi)，為低電平時(shí)S閉合。當(dāng)電源接通后，由于電容C上電壓為零，即，使，S斷開(kāi)，積分器對(duì)積分，逐漸減??；一旦過(guò)基準(zhǔn)電壓，將從躍變?yōu)椋?/p>

22、導(dǎo)致S閉合，使C迅速放電至零，即，從而從躍變?yōu)椋籗又?jǐn)嚅_(kāi)，重復(fù)上述過(guò)程，電路產(chǎn)生自激振蕩，波形如圖(b)所示。愈大，從零變化到所需時(shí)間愈短，振蕩頻率也就愈高。圖8.2.14所示為復(fù)位式電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路，讀者可比照?qǐng)D8.2.13所示原理框圖分析該電路，其振蕩周期T和頻率f為 （8.2.9） （8.2.10）二、集成電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路集成電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路分為電荷平衡式(如AD650、VFC101)和多諧振蕩器式(如AD654)兩類，它們的性能比較見(jiàn)表8.2.1。表8.2.1 集成電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路的主要性能指標(biāo)指標(biāo)參數(shù)單位AD650AD654滿刻度頻率MHz10.5非線性%0.0050.06電

23、壓輸入范圍V-1000（VS-4）（單電源供電）-VS（VS-4）（雙電源供電）輸入阻抗k250250×103電源電壓范圍V±9±18單電源供電：4.53.6雙電源供電：±5±18電源電流最大值mA83表中參數(shù)表明，電荷平衡式電路的滿刻度輸出頻率高，線性誤差小，但其輸入阻抗低，必須正、負(fù)雙電源供電，且功耗大。多諧振蕩器式電路功耗低，輸入阻抗高，而且內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出為方波，價(jià)格便宜，但不如前者精度高。很多集成電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路均可方便地實(shí)現(xiàn)頻率-電壓轉(zhuǎn)換，如型號(hào)為AD650和AD654的集成電路，這里不再詳細(xì)介紹。8.3 功率放大電路8.3

24、.1 變壓器耦合功率放大電路傳統(tǒng)的功率放大電路為變壓器耦合式電路。如圖8.3.1所示。由于采用了兩只晶體管，在信號(hào)的正、負(fù)半周交替導(dǎo)通工作，因此也叫變壓器耦合乙類推挽功率放大電路。在圖8.3.1所示電路中，設(shè)晶體管b-e間的開(kāi)啟電壓可忽略不計(jì)，和 管的特性完全相同，輸入電壓為正弦波。當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，由于和的發(fā)射結(jié)電壓為零，均處于截止?fàn)顟B(tài)，因而電源提供的功率為零，負(fù)載上電壓也為零，兩只管子的管壓降均為。當(dāng)輸入信號(hào)使變壓器副邊電壓極性為上 “+”下“-”時(shí)，管導(dǎo)通， 管截止，電流如圖中實(shí)線所示；當(dāng)輸入信號(hào)使變壓器副邊電壓極性為上“-”下“+”時(shí)，管導(dǎo)通，管截止，電流如圖中虛線所示。同類型管子(和

25、)在電路中交替導(dǎo)通的方式稱為“推挽”工作方式。8.3.2 無(wú)輸出變壓器的功率放大電路變壓器耦合功率放大電路的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，缺點(diǎn)是體積龐大、笨重、消耗有色金屬，且效率較低，低頻和高頻特性均較差。無(wú)輸出變壓器的功率放大電路(簡(jiǎn)稱為OTL電路)用一個(gè)大容量電容取代了變壓器，如圖8.3.2所示。雖然圖中為NPN型管，為PNP型管，但是它們的特性對(duì)稱。靜態(tài)時(shí)，前級(jí)電路應(yīng)使基極電位為，由于和特性對(duì)稱，發(fā)射結(jié)電位也為，故電容上的電壓為，極性如圖8.3.2所標(biāo)注。設(shè)電容容量足夠大，對(duì)交流信號(hào)可視為短路；晶體管b-e間的開(kāi)啟電壓可忽略不計(jì)；輸入電壓為正弦波。當(dāng)時(shí)，管導(dǎo)通，管截止，電流如圖8.3.2中實(shí)

26、線所示，由和 組成的電路為射極輸出形式，；當(dāng)時(shí)，管導(dǎo)通，管截止，電流如圖8.3.2中虛線所示，由和組成的電路也為射極輸出形式，；故電路輸出電壓跟隨輸入電壓。由于一般情況下功率放大電路的負(fù)載電流很大，電容容量常選為幾千微法，且為電解電容。電容容量愈大，電路低頻特性將愈好。但是，當(dāng)電容容量增大到一定程度時(shí)，由于兩個(gè)極板面積很大，且卷制而成，電解電容不再是純電容，而存在漏阻和電感效應(yīng)，使得低頻特性不會(huì)明顯改善。8.3.3 無(wú)輸出電容的功率放大電路在集成運(yùn)算放大電路一章中所介紹的互補(bǔ)輸出級(jí)摒棄了輸出電容，如圖8.3.3所示，稱為無(wú)輸出電容的功率放大電路，簡(jiǎn)稱OCL電路。在OCL電路中，和特性對(duì)稱，采用

27、了雙電源供電。靜態(tài)時(shí)，和均截止，輸出電壓為零。設(shè)晶體管b-e間的開(kāi)啟電壓可忽略不計(jì)；輸入電壓為正弦波。當(dāng)時(shí)，管導(dǎo)通，管截止，正電源供電，電流如圖8.3.3中實(shí)線所示，電路為射極輸出形式，；當(dāng)時(shí)，管導(dǎo)通，管截止，負(fù)電源供電，電流如圖8.3.3中虛線所示，電路也為射極輸出形式，；可見(jiàn)電路實(shí)現(xiàn)了“和交替工作，正、負(fù)電源交替供電，輸出與輸入之間雙向跟隨”。不同類型的兩只晶體管(和)交替工作、且均組成射極輸出形式的電路稱為“互補(bǔ)”電路，兩只管子的這種交替工作方式稱為“互補(bǔ)”工作方式。8.3.4 橋式推挽功率放大電路在OCL電路中采用了雙電源供電，雖然就功放而言沒(méi)有了變壓器和大電容，但是在制作負(fù)電源時(shí)仍需

28、用變壓器或帶鐵芯的電感、大電容等，所以就整個(gè)電路系統(tǒng)而言未必是最佳方案。為了實(shí)現(xiàn)單電源供電，且不用變壓器和大電容，可采用橋式推挽功率放大電路，簡(jiǎn)稱BTL電路，如圖8.3.4所示。圖中四只管子特性對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)均處于截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載上電壓為零。設(shè)晶體管b-e間的開(kāi)啟電壓可忽略不計(jì)；輸入電壓為正弦波，假設(shè)正方向如圖中所標(biāo)注。當(dāng)時(shí)，和管導(dǎo)通，和管截止，電流如圖8.3.4中實(shí)線所示，負(fù)載上獲得正半周電壓；當(dāng)時(shí)，和管導(dǎo)通，和管截止，電流如圖8.3.4中虛線所示，負(fù)載上獲得負(fù)半周電壓，因而負(fù)載上獲得交流功率。BTL電路所用管子數(shù)量最多，難于做到四只管子特性理想對(duì)稱：且管子的總損耗大，必然使得轉(zhuǎn)換效率降低；電路

29、的輸入和輸出均無(wú)接地點(diǎn)，因此有些場(chǎng)合不適用。綜上所述，OTL、OCL和BTL電路中晶體管均工作在乙類狀態(tài)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，且均有集成電路，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要合理選擇。8.3.5 輸出電壓與輸出電流的擴(kuò)展電路集成運(yùn)放選定后,其參數(shù)便確定,可以通過(guò)附加外部電路來(lái)提高它某方面的性能。一、提高輸出電壓為使輸出電壓幅值提高，勢(shì)必要將運(yùn)放的電源電壓提高，然而集成運(yùn)放的電源電壓是不能任意改變的，因而電源電壓的提高有一定的限度。為此，常采用在運(yùn)放輸出端再接一級(jí)由較高電壓電源供電的電路，來(lái)提高輸出電壓幅值，圖8.3.5所示就是這類電路。設(shè)圖中集成運(yùn)放的電源電壓為，。當(dāng)集成運(yùn)放的輸入電壓時(shí)，其輸出電壓，因而和點(diǎn)的電

30、位分別為、，和點(diǎn)的電位差。 若忽略與管的b-e間電壓，則、，可見(jiàn)對(duì)運(yùn)放A來(lái)說(shuō)，其供電電壓仍為。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，說(shuō)明兩路供電電源的差值與無(wú)信號(hào)時(shí)相同，但是，由于，使得輸出電壓的幅值變大了，可達(dá)二十幾伏。值得注意的是，雖然運(yùn)放供電電源電壓總值沒(méi)變，但實(shí)際上，當(dāng)時(shí)，運(yùn)放的正電源電壓約為22.5V，負(fù)電源電壓約為-7.5V，這將使運(yùn)放的參數(shù)產(chǎn)生一些變化。二、增大輸出電流為了使負(fù)載上獲得更大的電流，可在運(yùn)放的輸出端加一級(jí)射極輸出器或互補(bǔ)輸出級(jí)，如圖8.3.6所示。8.4 集成功率放大電路OTL、OCL和BTL電路均有各種不同輸出功率和不同電壓增益的多種型號(hào)的集成電路。應(yīng)當(dāng)注意，在使用OTL電路時(shí)，需外接

31、輸出電容。為了改善頻率特性，減小非線性失真，很多電路內(nèi)部還引入深度負(fù)反饋。本節(jié)以低頻功放為例，講述集成功放的電路組成、工作原理、主要性能指標(biāo)和典型應(yīng)用。8.4.1 集成功率放大電路分析LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。一、LM386內(nèi)部電路LM386內(nèi)部電路原理圖如圖8.4.1所示，與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路，如點(diǎn)劃線所劃分。第一級(jí)為差分放大電路，和、和分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；和組成鏡像電流源作為和的有源負(fù)載；信號(hào)從和管的基極輸入，從管的集電極輸出，為雙

32、端輸入單端輸出差分電路。根據(jù)第三章關(guān)于鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載的分析可知，它可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電路的增益。第二級(jí)為共射放大電路，為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級(jí)中的和管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。二極管和為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。利用瞬時(shí)極性法可以判斷出，引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端(引腳5)應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻從輸出端連接到的發(fā)射極，形成反饋通路，并與和構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。二、LM386的電

33、壓放大倍數(shù)當(dāng)引腳1和8之間開(kāi)路時(shí)，由于在交流通路中管發(fā)射極近似為地，和上的動(dòng)態(tài)電壓為反饋電壓，近似等于同相輸入端的輸入電壓。即為二分之一差模輸入電壓，于是可寫(xiě)出表達(dá)式為反饋系數(shù)所以電路的電壓放大倍數(shù) （8.4.1）因?yàn)?所以 （8.4.2）將、和的數(shù)據(jù)代入，可得。 設(shè)引腳1和8之間外接電阻為R，則 （8.4.3）當(dāng)引腳1和8之間對(duì)交流信號(hào)相當(dāng)于短路時(shí)， （8.4.4）將和的數(shù)據(jù)代入，。所以，當(dāng)引腳1和8之間外接不同阻值的電阻時(shí)，的調(diào)節(jié)范圍為，因而增益約為。實(shí)際上，在引腳1和5(即輸出端)之間外接電阻也可改變電路的電壓放大倍數(shù)。設(shè)引腳1和5之間外接電阻為，則 （8.4.5）應(yīng)當(dāng)指出，在引腳1和8

34、(或者1和5)外接電阻時(shí)，應(yīng)只改變交流通路，所以必須在外接電阻回路中串聯(lián)一個(gè)大容量電容。三、LM386的引腳圖LM386的外形和引腳的排列如圖8.4.2所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。8.4.2 集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)除最大輸出功率外，還有電源電壓范圍、電源靜態(tài)電流、電壓增益、頻帶寬、輸入阻抗、輸入偏置電流、總諧波失真等。LM386-1和LM386-3的電源電壓為412V，LM386-4的電源電壓為518V。因此，對(duì)于同一負(fù)載，當(dāng)

35、電源電壓不同時(shí)，最大輸出功率的數(shù)值將不同；當(dāng)然，對(duì)于同一電源電壓，當(dāng)負(fù)載不同時(shí)，最大輸出功率的數(shù)值也將不同。已知電源的靜態(tài)電流(可查閱手冊(cè))和負(fù)載電流最大值(通過(guò)最大輸出功率和負(fù)載可求出)，可求出電源的功耗，從而得到轉(zhuǎn)換效率。幾種典型產(chǎn)品的性能如表8.4.1所示。表8.4.1中所示電壓增益均在信號(hào)頻率為1kHz條件下測(cè)試所得。應(yīng)當(dāng)指出，表中所示均為典型數(shù)據(jù)，使用時(shí)應(yīng)進(jìn)一步查閱手冊(cè),以便獲得更確切的數(shù)據(jù)。表8.4.1 幾種集成功放的主要參數(shù)型號(hào)LM3864LM2877TDA1514ATDA1556電路類型OTLOTL（雙通道）OCLBTL（雙通道）電源電壓范圍/V5.0186.024±

36、10±306.018靜態(tài)電源電流/mA455680輸入阻抗/k501000120輸出功率/W14.54822電壓增益/dB264670（開(kāi)環(huán)）89（開(kāi)環(huán)）30（閉環(huán)）26（閉環(huán)）頻帶寬/kHz300（1，8開(kāi)路）0.02250.0215增益頻帶寬積/ kHz65總諧波失真/%（或dB）0.2%0.07%-90dB0.1%8.4.3 集成功率放大電路的應(yīng)用一、集成OTL電路的應(yīng)用圖8.4.3所示為L(zhǎng)M386的一種基本用法，也是外接元件最少的一種用法，為輸出電容。由于引腳1和8開(kāi)路，集成功放的電壓增益為26dB，即電壓放大倍數(shù)為20。利用可調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量。R和串聯(lián)構(gòu)成校正網(wǎng)絡(luò)用來(lái)進(jìn)行相

37、位補(bǔ)償。靜態(tài)時(shí)輸出電容上電壓為，LM386的最大不失真輸出電壓的峰-峰值約為電源電壓。設(shè)負(fù)載電阻為，最大輸出功率表達(dá)式為 （8.4.6）此時(shí)的輸入電壓有效值的表達(dá)式為 （8.4.7）當(dāng)、時(shí)，。圖8.4.4所示為L(zhǎng)M386電壓增益最大時(shí)的用法，使引腳1和8在交流通路中短路，使；為旁路電容；為去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。當(dāng)、時(shí)，與圖8.4.4所示電路相同，仍約為1W； 但是，輸入電壓的有效值卻僅需28.3mV。 圖8.4.5所示為L(zhǎng)M386的一般用法，凡改變了LM386的電壓增益，讀者可自行分析其、和。這里不贅述。二、集成OCL電路的應(yīng)用 圖8.4.6所示為T(mén)DA1521的基本用法。TDA1

38、521為2通道OCL電路，可作為立體聲擴(kuò)音機(jī)左、右兩個(gè)聲道的功放。其內(nèi)部引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，閉環(huán)電壓增益為30 dB，并具有待機(jī)、凈噪功能以及短路和過(guò)熱保護(hù)等。查閱手冊(cè)可知，當(dāng)、時(shí)，若要求總諧波失真為0.5%，則。由于最大輸出功率的表達(dá)式為可得最大不失真輸出電壓，其峰值約為13.9V，可見(jiàn)功放輸出電壓的最小值約為2.1V。當(dāng)輸出功率為時(shí)，輸入電壓有效值。三、集成BTL電路的應(yīng)用TDA1556為2通道BTL電路，與TDA1521相同，也可作為立體聲擴(kuò)音機(jī)左右兩個(gè)聲道的功放，圖8.4.7所示為其基本用法，兩個(gè)通道的組成完全相同。TDA1556內(nèi)部具有待機(jī)、凈噪功能，并有短路、電壓反向、過(guò)電壓

39、、過(guò)熱和揚(yáng)聲器保護(hù)等。TDA1556內(nèi)部的每個(gè)放大電路的電壓放大倍數(shù)均為10，當(dāng)輸入電壓為時(shí)，的凈輸入電壓，；的凈輸入電壓，；因此，電壓放大倍數(shù)電壓增益。為了使最大不失真輸出電壓的峰值接近電源電壓，靜態(tài)時(shí)，應(yīng)設(shè)置放大電路的同相輸入端和反相輸入端電位均為，輸出端電位也為，因此內(nèi)部提供的基準(zhǔn)電壓為。當(dāng)由零逐漸增大時(shí)，從逐漸增大，從逐漸減小；當(dāng)增大到峰值時(shí)，達(dá)到最大值，達(dá)到最小值，負(fù)載上電壓可接近。同理，當(dāng)由零逐漸減小時(shí)，和的變化與上述過(guò)程相反；當(dāng)減小到負(fù)峰值時(shí)，達(dá)到最小值，達(dá)到最大值，負(fù)載上電壓可接近。因此，最大不失真輸出電壓的峰值可接近電源電壓 。查閱手冊(cè)可知，當(dāng)、時(shí)，若總諧波失真為0.1%，則

40、。最大不失真輸出電壓，其峰值約為13.3V，因而內(nèi)部放大電路輸出電壓的最小值約為1.1V。為了減小非線性失真，應(yīng)增大內(nèi)部放大電路輸出電壓的最小值，當(dāng)然勢(shì)必減小電路的最大輸出功率。8.5 鎖相環(huán)及其在信號(hào)轉(zhuǎn)換電路中的應(yīng)用鎖相環(huán)路誕生于20世紀(jì)30年代，40年代普遍應(yīng)用于電視機(jī)的同步電路之中；到50年代，由于開(kāi)始用于空間技術(shù)，大大促進(jìn)了人們對(duì)鎖相環(huán)路及其理論的研究，推動(dòng)了鎖相技術(shù)的發(fā)展。自60年代以來(lái)，鎖相技術(shù)在通信、航天、測(cè)量、電視、原子能、電機(jī)控制等領(lǐng)域，能夠高性能地完成信號(hào)的提取、信號(hào)的跟蹤與同步、模擬和數(shù)字通信中的調(diào)制和解調(diào)、頻率的合成、噪聲過(guò)濾等功能，已經(jīng)成為電子設(shè)備中常用的基本部件之一

41、。為了便于調(diào)整、降低成本和提高可靠性，目前已有多種不同性能的集成鎖相環(huán)電路。按電路形式可分為模擬和數(shù)字兩種電路，本節(jié)對(duì)模擬鎖相環(huán)及其典型應(yīng)用加以簡(jiǎn)單介紹。8.5.1 鎖相環(huán)的組成和工作原理一、鎖相環(huán)的基本組成鎖相環(huán)(簡(jiǎn)稱PLL)是一種反饋控制系統(tǒng)。也是閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，其輸出信號(hào)的頻率跟蹤輸入信號(hào)的頻率。當(dāng)輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，故稱為鎖相環(huán)路，簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)。鎖相環(huán)的原理框圖如圖8.5.1所示，它由鑒幅器(簡(jiǎn)稱PD)、環(huán)路濾波器(簡(jiǎn)稱LF)和壓控振蕩器三部分組成。鑒相器也稱為相位比較器，它能將輸入信號(hào)與輸出信號(hào)(也就是反饋信號(hào))的相位差檢測(cè)出來(lái)，并將其

42、轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，稱為誤差電壓；因而鑒相器是一個(gè)相位差電壓轉(zhuǎn)換電路。環(huán)路濾波器一般為低通濾波器，用于濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量和干擾信號(hào)，從而獲得壓控振蕩器的輸入控制電壓。壓控振蕩器是電壓頻率轉(zhuǎn)換電路，其振蕩頻率決定于，也就決定于。設(shè)振蕩角頻率為瞬時(shí)相位為，則 (8.5.1) (8.5.2)設(shè)輸出信號(hào)的角頻率為，輸入信號(hào)的角頻率為，則和的角頻率差為根據(jù)式(6.4.2)瞬時(shí)相位差為若，則 (8.5.3)式(8.5.3)表明，當(dāng)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)頻率相等時(shí)，它們的瞬時(shí)相位差為一常量；而且，若瞬時(shí)相位差為一常量，則輸入信號(hào)和輸出信號(hào)頻率相等。因此，鎖相環(huán)能夠在一定范圍內(nèi)，使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)保持

43、固定的相位差(并由此而得名)，從而達(dá)到輸出信號(hào)頻率跟蹤輸入信號(hào)頻率的目的。二、鎖相環(huán)各部分的特點(diǎn)利用模擬乘法器作為鑒相器，可以將輸入信號(hào)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)之間的相位差轉(zhuǎn)換成誤差電壓，并使它們成比例關(guān)系。電路如圖8.5.2所示。設(shè)輸入電壓為(8.5.4)輸出電壓為 (8.5.5)為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或直流電壓時(shí)的振蕩角頻率，稱為固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓為經(jīng)低通濾波器濾去上式的第一項(xiàng)，即則和的和頻部分；可得有用的誤差電壓，即和的差頻部分，也就是壓控振蕩器的輸入控制電壓，為 (8.5.6)整理可得(8.5.7)式中為環(huán)路的瞬時(shí)相位差。式(8.5.7)表明具有正弦特性，如圖

44、8.5.3所示。壓控振蕩器的壓控特性為 (8.5.8)為壓控增益，或稱為壓控靈敏度。當(dāng)不為純直流量時(shí)，起調(diào)頻作用，壓控振蕩器的振蕩頻率以為中心頻率而產(chǎn)生變化，與應(yīng)在較大范圍內(nèi)成線性關(guān)系，如圖8.5.4所示。由式(8.5.6)、(8.5.7)可知對(duì)兩邊求微分，可得出幾個(gè)頻差的關(guān)系式，微分后得當(dāng)輸入電壓為確定頻率時(shí)，右式第二項(xiàng)為0，得出即 (8.5.9)式中，稱為固有頻差；稱為瞬時(shí)頻差；，稱為控制頻差。式(8.5.9)表明，閉環(huán)時(shí)任何時(shí)刻的瞬時(shí)頻差與控制頻差的代數(shù)和等于固有頻差。若固有頻差為一常量，則控制頻差愈大，瞬時(shí)頻差將愈??；當(dāng)控制頻差等于固有頻差時(shí)，瞬時(shí)頻差為零，鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。可見(jiàn)鎖相

45、環(huán)的鎖定條件是 (8.5.10)此時(shí)不再隨時(shí)間變化，而成為常量，因此環(huán)路濾波器的輸出為直流電壓。三、鎖相環(huán)的工作原理根據(jù)上面分析，鑒相器輸出的有效誤差電壓為 (8.5.11)是一個(gè)無(wú)直流分量的正弦差拍信號(hào)。若大于低通濾波器的上限頻率，則正弦差拍信號(hào)因被濾掉，而不可能形成壓控振蕩器的輸入控制電壓，從而使得壓控振蕩器維持原振蕩頻率，稱電路處于失鎖狀態(tài)。若小于低通濾波器的上限頻率，則正弦差拍信號(hào)在通頻帶內(nèi)，并成為壓控振蕩器的輸入控制電壓，幅值的變化使得壓控振蕩器的頻率隨之變化，從而輸出以為中心頻率的調(diào)頻信號(hào)，并反饋到鑒相器；鑒相器輸出正弦波()和調(diào)頻波()的差拍波，其正、負(fù)半周不對(duì)稱，可分解為直流分

46、量、基波和各次諧波；、和的波形如圖8.5.5所示。低通濾波器將各次諧波濾去，而將直流分量和基波作為作用于壓控振蕩器，直流分量使其中心頻率向偏移，而基波分量使壓控振蕩器輸出中心頻率已向偏移的調(diào)頻波。根據(jù)式(8.5.11)，壓控振蕩器中心頻率向的偏移，使得的頻率愈來(lái)愈低，波形的不對(duì)稱程度愈來(lái)愈大直流分量也就愈來(lái)愈大，使壓控振蕩器的角頻率以更快的速度趨于。上述過(guò)程循環(huán)往返，直至，鑒相器的輸出由差拍波變?yōu)橹绷麟妷?，稱環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，也稱同步狀態(tài)。由以上分析可知，環(huán)路是通過(guò)“頻率牽引”進(jìn)入鎖定狀態(tài)的，故稱此過(guò)程為“捕捉過(guò)程”。設(shè)通過(guò)頻率牽引而能夠進(jìn)入鎖定狀態(tài)所允許的最大固定頻差為，則鎖相環(huán)的捕捉帶為

47、(8.5.12)當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，只要的變化范圍在捕捉帶內(nèi)時(shí)，鎖相環(huán)通過(guò)“捕捉”，都能夠使始終跟蹤的變化，而保持?？梢?jiàn)，鎖相環(huán)具有如下基本特殊功能：(1)鎖定特性：在一定的頻率范圍內(nèi)，鎖相環(huán)可以通過(guò)“頻率牽引”捕捉輸入信號(hào)頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。鎖相環(huán)對(duì)輸入的固定基準(zhǔn)頻率鎖定后，壓控振蕩器的振蕩頻率與輸入信號(hào)頻率的頻差為零，且具有同樣的頻率穩(wěn)定性。它們之間僅存在相位差，而不存在頻率差。因而廣泛用于自動(dòng)頻率控制、頻率合成技術(shù)等方面。(2)跟蹤特性：鎖相環(huán)一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)，就能對(duì)輸入信號(hào)一定范圍頻率的變化具有良好的跟蹤特性。因而廣泛用于信號(hào)的跟蹤、提取、提純、調(diào)制和解調(diào)等。8.5.2 鎖

48、相環(huán)用于調(diào)制和解調(diào)電路在信息技術(shù)發(fā)展的今天，信息的傳輸方式，即通信手段越來(lái)越顯示出其重要性。在通信系統(tǒng)中，通常，發(fā)信端將信息調(diào)制后發(fā)出；收信端將收到的信號(hào)解調(diào)后，便可獲得發(fā)信端的信息，如計(jì)算機(jī)的Modemo可見(jiàn)，調(diào)制和解調(diào)是信息傳輸中的重要環(huán)節(jié)。一、調(diào)制和解謂的概念調(diào)制是用攜帶信息的輸入信號(hào)來(lái)控制另一信號(hào)的某一參數(shù)，使之按照輸入信號(hào)的規(guī)律而變化的過(guò)程，輸入信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，被控制的信號(hào)稱為載波(或載頻)信號(hào)，能夠完成調(diào)制功能的電路稱為調(diào)制器，其輸出信號(hào)為調(diào)制波。載波信號(hào)一般為等幅振蕩信號(hào)，其振蕩頻率相對(duì)輸入信號(hào)的頻率而言為高頻信號(hào)。若調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的幅度，則稱為幅度調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)幅，用AM

49、表示。調(diào)幅電路的波形圖如圖8.5.6所示，調(diào)幅波(即輸出信號(hào))的頻率等于載波信號(hào)的頻率，幅值隨調(diào)制信號(hào)的幅值變化。若調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率，則稱為頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)頻，用FM表示。調(diào)頻電路的波形圖如圖8.5.7所示，調(diào)頻波(即輸出信號(hào))以載波頻率為中心頻率，且頻率隨調(diào)制信號(hào)幅值成線性關(guān)系，但其幅度不變。若調(diào)制信號(hào)控制載波信號(hào)的相位，則稱為相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱調(diào)相，用PM表示。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹調(diào)幅和調(diào)頻。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，它將調(diào)制波還原為調(diào)制信號(hào)，即將調(diào)制器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為其輸入信號(hào)。能夠完成解調(diào)功能的電路稱為解調(diào)器。在圖8.5.6和圖8.5.7所示波形圖中，解調(diào)器的輸入為，而輸出為。由以上分析可知，

50、調(diào)制器和解調(diào)器均為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。二、鎖相環(huán)用于調(diào)頻電路壓控振蕩器的振蕩頻率決定于輸人電壓的幅度，可以作為調(diào)頻電路。但是，一般的壓控振蕩器有振蕩頻率穩(wěn)定性不高、控制的線性度較差等缺點(diǎn)。利用鎖相環(huán)可以獲得高穩(wěn)定性的載波(頻)信號(hào)，電路如圖8.5.8所示。石英晶體振蕩電路的輸出電壓作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)，使得鎖相環(huán)中壓控振蕩器的中心頻率的等于石英晶體振蕩電路的振蕩頻率的，并與之具有同樣的穩(wěn)定性，且作為載波信號(hào)；調(diào)制信號(hào)作用于壓控振蕩器，因而鎖相環(huán)輸出中心頻率為的調(diào)頻信號(hào)。三、鎖相環(huán)用于解調(diào)電路1.調(diào)頻波的解調(diào)電路圖8.5.9所示電路利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻波的解調(diào)。圖中低通濾波器的上限頻率要足夠高，應(yīng)能反映

51、原調(diào)制信號(hào)；鎖相環(huán)的捕捉帶要足夠?qū)?，?yīng)大于輸入調(diào)頻信號(hào)的頻率變化范圍，從而使壓控振蕩器的輸出頻率能夠跟蹤輸入調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率變化，產(chǎn)生與輸入具有相同調(diào)制規(guī)律的調(diào)頻波。這樣，只要壓控振蕩器的頻率控制特性是線性的，低通濾波器的輸出就是還原的調(diào)制信號(hào)。2.調(diào)幅波的同步檢波電路就解調(diào)的基本原理而言，利用低通濾波器，將調(diào)幅波中的載波分量濾去，即可得到還原的調(diào)制信號(hào)。但在實(shí)際的接收設(shè)備中，為了提高接收質(zhì)量，更好地提取載波信號(hào)，不失真地還原調(diào)制信號(hào)，常需采用更復(fù)雜的電路，利用鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅波的同步檢波。對(duì)調(diào)幅波同步檢波時(shí)，需要一個(gè)與輸入調(diào)幅信號(hào)中的載波分量同頻率、同相位的參考信號(hào)，即同步信號(hào)。根據(jù)鎖相

52、環(huán)工作原理的分析可知，當(dāng)將調(diào)幅波加在鎖相環(huán)的輸入端，且鎖相環(huán)工作在鎖定狀態(tài)時(shí)，壓控振蕩器的輸出信號(hào)將與輸入信號(hào)中的載波分量頻率相同，但存在的固定相移；因而，若將其移相，便可得到同步檢潑的參考信號(hào)。調(diào)幅波的同步檢波電路如圖8.5.10所示，移相電路的輸出為參考信號(hào)，利用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)檢波，再經(jīng)低通濾波器得到還原的調(diào)制信號(hào)。模擬乘法器的輸入和輸出的波形如圖8.5.11所示。若以鎖相環(huán)中壓控振蕩器的輸出作為參考信號(hào)，將調(diào)幅波移相，也可使調(diào)幅波中的載波信號(hào)和參考信號(hào)同步。8.5.3鎖相環(huán)用于頻率合成電路在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，一般均采用石英晶體振蕩器，但是石英晶體振蕩器的振蕩頻率是

53、固定不變的單一頻率。根據(jù)頻率合成原理構(gòu)成的頻率轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)⒁粋€(gè)高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)加、減、乘、除等運(yùn)算產(chǎn)生同樣精度和穩(wěn)定度的大量離散頻率。常用的頻率合成技術(shù)有直接合成和間接合成兩種。由鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的間接式頻率合成器的性能接近直接頻率式頻率合成器，而且體積小、成本低、調(diào)試方便，安裝簡(jiǎn)單。一、鎖相倍頻器在鎖相環(huán)路的反饋通路中，接入分頻器，便可得到鎖相倍頻器，如圖8.5.12所示。圖中可來(lái)源于石英晶體振蕩器，其振蕩頻率為；為輸出電壓，其振蕩頻率為；經(jīng)分頻后與進(jìn)行相位比較。當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器輸入的兩個(gè)信號(hào)的頻率相等，即所以輸出信號(hào)的頻率為 （8.5.13）改變的數(shù)值，就可以得到不同倍數(shù)的輸出頻率。二、鎖相分頻器在鎖相環(huán)路的反饋通路中接入倍頻器，便可得到鎖相分頻電路，如圖8.5.13所示。圖中可來(lái)源于石英晶體振蕩器，其振蕩頻率為；為輸出電壓，其振蕩頻率為； 經(jīng)分頻后與進(jìn)行相位比較。當(dāng)環(huán)路鎖定后，鑒相器輸入的兩個(gè)信號(hào)的頻率相等，即所以輸出信號(hào)的頻率為 （8.5.14）改變的數(shù)值，就可以得到不同分頻倍數(shù)的輸出頻率。三、鎖相混頻器在接收機(jī)中，要從許多不同頻率的信號(hào)和干擾中選擇出要接收的信號(hào)，并將其高倍數(shù)放大是很困難的，因?yàn)樵诓煌念l段，電路的性能會(huì)有很大的差異。為了克服上述困難，在通信電路中常將接收的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成某一個(gè)固定頻率（一般為中頻）的信號(hào)，這種頻率轉(zhuǎn)換稱為混頻，具有該功能