限幅放大器的仿真研究

張靜秋，陳寧，陳明義，桂衛華

（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據量化器，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；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。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，常用于數字傳輸系統、信號整形和過壓保護等。

與數字電路相比，在電路結構基本確定的情況下，模擬電路中元器件特性參數的選擇對電路功能能否實現、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限幅放大和電平轉換功能：第一級采用由集成運放構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、二極管和穩壓管構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成的電平轉換電路，將限幅信號進行整形并轉換為之周期一致的TTL電平輸出。

本文主要介紹在限幅放大器的電路結構基本確定的情況下，如何選擇集成運放、集成電壓比較器、整流二極管、限幅穩壓管，以實現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。

評價運放性能的優劣應看其綜合性能，其交流性能可以參考轉換率（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，應選用失調電壓、失調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（近似電壓源還是電流源）、負載的性質（近似恒壓輸出還是恒流輸出）、工作電壓范圍以及環境條件等。

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腳是失調電壓調零端，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，還可以減少單個穩壓管承受的壓力，使穩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。選擇穩壓管的穩定電壓時，主要考慮在集成運放達到最大限幅值之前，穩壓管要反向擊穿穩壓起到限幅作用，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而引入不穩定因素。

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、穩定性好、可靠性高，主要參數如下：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。

限幅穩壓管選用1N5990，其主要參數為：穩定電壓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成電平轉換電路，將-3.9V～+3.9V之間的限幅信號整形且轉換為TTL電平。雖然集成運放也可以用來構成電壓比較器，并且與集成運放相比，集成電壓比較器的開環增益低、失調電壓大、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動TTL、CMOS和ECL等集成數字電路；有些負載能力強的集成電壓比較器還可以直接驅動繼電器和指示燈；如果給集成電壓比較器設置很小的回差還能提高轉換速度，從而避免寄生電容引起的振蕩現象。

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、發射極接地的輸出方式與TTL、DTL、MOS、CMOS等兼容。主要參數如下：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，最大靜態電流ICCQ=2.5mA，最大輸入失調電壓VIO=±5mV，最大輸入失調電流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構成的無源高通濾波電路，可以調用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，仿真電路和測試結果如圖4所示。從Channel B光標處的讀數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果，說明此時二極管D1～D4和穩壓管D5均截止，運放處于開環工作狀態，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；輸入信號繼續增加到30mVpk以上時，發現限幅電路輸出會出現不穩定的情況。可見，限幅放大電路只能接收一定幅度范圍內的輸入信號，才能獲得穩定的限幅輸出。

圖4 第二級限幅放大電路及其波形測試

■2.4 第三級電平轉換電路的仿真測試

電平轉換電路是由LM393構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，仿真結果如圖5所示。可以看到，輸入信號uo2為限幅波，其幅度被限制在約為±3V范圍內；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。可見給集成電壓比較器設置較小的回差，起到了加快轉換速度的目的，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現，當輸入信號頻率增大到1kHz左右時，輸出的TTL高電平開始出現不穩定現象，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。

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，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 結束語

利用Multisim12對集成運算放大器和集成比較器所構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，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，需要對電路參數進一步調整才能獲得滿意的效果。

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