限幅放大器的仿真研究

张静秋，陈宁，陈明义，桂卫华

（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙，410000）

0 引言

限幅放大电路也可以称为数据量化器，接收较宽变化范围的输入电压，输出边沿速度受控的、幅度固定的数字逻辑电平。在输入信号较小时，限幅放大电路处于线性放大区；当输入信号达到一定的幅度，输出电压的幅度将不随输入信号幅度变化而维持在一定值上，处于限幅工作状态。限幅放大器可以作为对微弱输入信号的频率、相位进行测量之前的预处理电路，常用于数字传输系统、信号整形和过压保护等。

与数字电路相比，在电路结构基本确定的情况下，模拟电路中元器件特性参数的选择对电路功能能否实现、能否达到预期的性能指标起着至关重要的作用。本文介绍的限幅放大器采用三级电路来实现限幅放大和电平转换功能：第一级采用由集成运放构成的同相比例运算电路，主要起阻抗变换作用，其输入电阻极高而输出电阻极低，可以从信号源获取微小的电压信号；第二级由集成运放、二极管和稳压管构成负反馈桥式限幅放大电路，在输入信号的幅度和频率均会变化的情况下，输出一定幅度范围内的限幅信号，其频率与输入信号一致，极性与输入信号相反。第三级采用由集成电压比较器构成的电平转换电路，将限幅信号进行整形并转换为之周期一致的TTL电平输出。

本文主要介绍在限幅放大器的电路结构基本确定的情况下，如何选择集成运放、集成电压比较器、整流二极管、限幅稳压管，以实现预定的功能达到预期的性能指标。并且利用Multisim12对给出的限幅放大器进行仿真测试，说明其电路功能以及具体达到的性能指标。

1 关键元器件的选择

■1.1 集成运放的选择

集成运放是模拟电路中应用最广泛的一种器件，由于应用场合不同，对运放的性能要求也不一样。在没有特殊要求的情况下，应该尽量选用通用型集成运放以降低成本、保证货源。当一个系统中有多个运放时，应尽量选用将两个或者四个封装在一起的多运放集成电路。

评价运放性能的优劣应看其综合性能，其交流性能可以参考转换率（SR/V/mS），而直流性能可以参考输入偏置电流（Iib/nA）和输入失调电压（Vio/mV）。当放大音频、视频等交流信号时，应选用SR大的运放，而处理微弱的直流信号时，应选用失调电压、失调电流以及温漂均比较小的运放。除此之外，还要考虑信号源的性质（近似电压源还是电流源）、负载的性质（近似恒压输出还是恒流输出）、工作电压范围以及环境条件等。

考虑到输入信号是音频范围的交流信号，末级电平转换电路中电压比较器的输入和输出电压都比较大，所以前级放大电路中的集成运放应选用压摆率高、输出电流大、耐压高的芯片，可以选择通用型集成运放LF356，其压摆率高、带宽大、建立时间短、电压噪声和电流噪声低。LF356的主要参数如下：输入阻抗（Input Impedance）Rid=1012Ω，共模抑制比（CMRR）KCMRR=100dB，直流电压增益（DC Voltage Gain）ADCV=106dB， 压 摆 率（Slew Rate）SR=12V/μV， 增 益 带 宽（Gain Bandwidth）fGB=5MHz，建立时间（Setting Time to 0.01%）tST=1.5μS，输出电流（Output Current）IO=25mA，供电电压±VCC=±(5～20)V，功耗（Power Dissipation）Pd=570mW。运放LF356的1脚和5脚是失调电压调零端，可以将10kΩ电位器接在1脚和5脚之间，而电位器的滑动端接7脚。本例为了简化电路容易读图，没有接入调零电位器。集成运放供电电压的选择，应该在满足负载输出电压的情况下，选择较低的供电电压并且整个电路尽量统一。在此选择±5V给LF356供电，与末级集成电压比较器的供电电压一致。

■1.2 整流二极管和限幅稳压管的选择

第二级限幅放大采用负反馈桥式限幅电路，其限幅效果好，还可以减少单个稳压管承受的压力，使稳压管吸收电流的能力强，减小输出电流。应选用线性度好、响应速度快的二极管构成整流桥，否则会造成输出信号与输入信号的相位存在偏移，并且偏移量还会随着输入信号的频率而变化。选择稳压管的稳定电压时，主要考虑在集成运放达到最大限幅值之前，稳压管要反向击穿稳压起到限幅作用，如果利用集成运放进入饱和时达到最大输出值来限幅，则会由于集成运放工作在极限状态而引入不稳定因素。

为此整流二极管选用小信号肖特基二极管1N4448，其开关速度快、稳定性好、可靠性高，主要参数如下：反 向 峰 值 电 压（Peak Repetitive Reverse Voltage）VPRM=75V，最大正向平均电流（Forward Continuous Current）IFM=500mA， 正 向 电 压（Forward Voltage）VF=0.62～0.72V，反向恢复时间（Reverse Recovery Time）Trr=4.0nS，功耗（Power Dissipation）Pd=500mW。

限幅稳压管选用1N5990，其主要参数为：稳定电压VZ=3.9V，最大工作电流IZM=100mA，额定功耗PZ=500mW。

■1.3 集成电压比较器的选择

第三级采用集成电压比较器构成电平转换电路，将-3.9V～+3.9V之间的限幅信号整形且转换为TTL电平。虽然集成运放也可以用来构成电压比较器，并且与集成运放相比，集成电压比较器的开环增益低、失调电压大、共模抑制比小。但是集成电压比较器的响应速度快、传输延时时间短；一般不需要外加限幅电路就可以直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；有些负载能力强的集成电压比较器还可以直接驱动继电器和指示灯；如果给集成电压比较器设置很小的回差还能提高转换速度，从而避免寄生电容引起的振荡现象。

本例选用集成电压比较器LM393，其供电电源通常不需要加旁路电容，集电极开路、发射极接地的输出方式与TTL、DTL、MOS、CMOS等兼容。主要参数如下：双电源供电时±Vcc=±(1～18)V，单电源供电时Vcc=2～36V；输入偏置电流IIB=250nA，最大静态电流ICCQ=2.5mA，最大输入失调电压VIO=±5mV，最大输入失调电流IIO=±50nA；最大差模输入电压Vid=±36V，最大共模输入电压范围Vic=Vcc-1.5V；最大灌电流Isink=16mA；输出漏电流IOLE=0.1nA；功耗Pd=570mW。由于采用OC门输出方式，LM393的输出端需要接上拉电阻到VCC，上拉电阻的取值要根据负载大小来确定，如果没有特殊要求可以取10kΩ。

2 限幅放大器的仿真研究

根据预定要求给出限幅放大器原理图，在Multisim12中的仿真测试电路如图1所示。示波器XSC1的Channel A测量整个电路的输入信号ui，Channel B测量第一级同相比例放大电路的输出信号uo1。示波器XSC2的Channel A测量第二级限幅放大电路的输出信号uo2，Channel B测量第三级电平转换电路的输出信号uo。

图1 限幅放大器的仿真电路

■2.1 无源高通滤波电路的仿真测试

第一级为同相比例运算电路，为了滤除变化缓慢的信号，在信号的输入端加了C1-R1构成的无源高通滤波电路，可以调用Bode图仪测试其下限截止频率为174.5MHz，如图2所示。

图2 无源一阶高通滤波电路及其幅频特性

■2.2 第一级同相比例放大电路的仿真测试

在图1所示的电路中，输入正弦信号（峰值10mVpk、频率100Hz），用示波器XSC1测试同相比例放大电路的输入和输出波形，仿真结果如图3所示。Channel A在光标T2和T1处的差值即为输入信号的峰峰值（9.983+9.993）mV=19.976mV，Channel B在光标T2和T1处的差值即为输出信号的峰峰值（25.875+14.077）mV=39.952mV，可以计算出输出信号幅度比输入放大了约2倍。

图3 第一级同相比例放大电路的输入—输出波形

■2.3 第二级限幅放大电路的仿真测试

给定V1（1mVpk、100Hz）的正弦小信号，对第二级限幅放大电路单独进行仿真测试，用示波器XSC1观察电路的输入输出波形，仿真电路和测试结果如图4所示。从Channel B光标处的读数可知输出信号的峰峰值为（8.228+9.788）mV=18.0mV，从Channel A光标处的读数可知输入信号的峰峰值为2×999.67μV=2.0mV，由此计算出第二级限幅放大电路的放大倍数约为9倍。当输入信号幅度小于1mVpk，频率从10Hz～1000Hz变化时，可以得到基本相同的结果，说明此时二极管D1～D4和稳压管D5均截止，运放处于开环工作状态，其输出与输入之间成反相比例关系。

当输入增加到5mVpk时，则可以观察到输出波形的顶部和底部被削平，桥式限幅电路开始正常工作了；输入信号继续增加到30mVpk以上时，发现限幅电路输出会出现不稳定的情况。可见，限幅放大电路只能接收一定幅度范围内的输入信号，才能获得稳定的限幅输出。

图4 第二级限幅放大电路及其波形测试

■2.4 第三级电平转换电路的仿真测试

电平转换电路是由LM393构成的反相输入型滞回电压比较器。在图1中，给限幅放大器ui输入（10mVpk、100Hz）的正弦信号。用示波器XSC2测试电平转换电路的输入和输出波形：Channel A测试其输入波形uo2；Channel B测试其输出波形uo，仿真结果如图5所示。可以看到，输入信号uo2为限幅波，其幅度被限制在约为±3V范围内；输出信号uo的周期与输入信号一致，且边沿特性良好，其高电平约为5V，低电平约为0.04V。在测试过程中对上拉电阻R9的阻值进行调整，当取值510Ω时可以获得满意的低电平值。

将图5中的波形拉宽10倍来观察，即示波器的时间轴（Time base Scale）设置为1mS/DIV，将T1和T2两个光标分别移到输出uo发生负跃变和正跃变的位置，可以测量电压比较器的两个阈值分别为-1.35V和-1.80V。从uo跃变的边沿还可以看出跃变几乎在瞬间完成。可见给集成电压比较器设置较小的回差，起到了加快转换速度的目的，从而避免寄生电容引起的振荡，获得了边沿很好的TTL电平。

图5 第三级电平转换电路的输入—输出波形

■2.5 整个限幅放大器的综合测试

为了防止电源内阻造成低频或高频自激振荡，可以在±Vcc和地之间分别接入一个较大容量和一个较小容量的滤波电容。本例对仿真波形观察发现，当输入信号频率增大到1kHz左右时，输出的TTL高电平开始出现不稳定现象，所以在电源和地之间接入一个0.1μF的电容以消除高频自激，使输出的高、低电平很平稳。

为了方便观察整个限幅放大器的输入ui(t)和输出uo(t)波形，在图1中添加示波器XSC3，其Channel A观察ui，Channel B观察uo。保持输入信号的幅度10mVpk不变，分别测量频率为10Hz和1kHz两种情况，仿真结果如图6（a）和（b）所示，可以看到输出的TTL波形一致性很好，高电平约为5V，低电平约为0.04V，并且输出信号的周期与输入信号的周期始终一致，而相位固定滞后180º。当给定输入信号30mVpk、1kHz时，可以得到相同的结论。

当输入信号幅度超出（5～30）mVpk时，第二级限幅放大电路工作不稳定，限制了整个限幅放大器输入信号的范围。当输入信号增大到40mVpk时，如果将第一级同相比例改成电压跟随器以降低其放大倍数，则可以获得满意的效果。

图6 整个限幅放大器的输入—输出波形

3 结束语

利用Multisim12对集成运算放大器和集成比较器所构成的限幅放大器的仿真研究表明，该电路在输入正弦信号（5～30）mVpk、（10～1000）Hz范围内，可以输出一致性良好的TTL电平，并且输出信号与输入信号的周期一致、相位固定滞后180º。而当输入信号的幅度和频率超出一定范围时，需要对电路参数进一步调整才能获得满意的效果。

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