电压跟随器.doc

电压跟随器的作用 电压跟随器是用一个三极管构成的共集电路，它的电压增益是一，所以叫做电压跟随器。那么电压跟随有什么作用呢？共集电路是输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。你可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。所以，电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时也称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点，在电路中起阻抗匹配的作用。 举一个应用的例子：电吉他的信号输出属于高阻，接入录音设备或者音箱时，在音色处理电路之前加入这个电压跟随器，会使得阻抗配匹，音色更加完美。很多电吉他效果器的输入部分设计都用到了这个电路。电压跟随器电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI-（高保真），电路中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。在这里，电压跟随器的作用正好达到应用，把电路置于前级和功放之间，可以切断呀扬声器的反电动势对前级的干扰作用，使音质的清晰度得到大幅度提高。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。 一、前言作为一名在读本科生，自己不能奢望从课堂上学到太多实践的知识。但我还是看到身边有很多热衷于电子设计的同学，虽然自己在电子线路设计的学习过程中一路磕磕绊绊，但一直有很多热心的学长老师帮助，在这个过程中自己也总结了一些学习方法，希望能给热爱电子线路设计的同学们一点点启发。二、完成一项电子设计作品07年的暑假，我观看了学长参加全国大学生电子设计竞赛的全过程，当时的A题“音频信号分析”给我留下了很深刻的印象。经过一年的学习自己的知识也差不多可已完成这个任务了，于是开始着手设计和制作。下面将详细介绍自己制作的全过程。2.1 任务分析题目的任务是计、制作一个可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的仪器。模拟部分的要求是：（1）输入阻抗：50 （2）输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV5V；（3）输入信号包含的频率成分范围：200Hz10kHz。数字部分的要求是：（1）20Hz分辨力的频谱分析；（2）信号各分量功率测量；（3）信号失真度测量。经过分析，模拟部分需要制作一个AGC（自动增益控制）放大器电路，而数字部分主要是进行FFT（快速傅里叶变换）算法和功率、失真度算法的实现。对于数字部分，由于作者手上有eZDSP2812的开发板，所以作者决定采用TI公司的DSP TMS320F2812作为整机运算控制核心。对于模拟部分，经过分析他只要由一下几部分构成：点击看原图由于TMS320F2812的片上ADC动态输入范围为03V，而题目要求的输入范围为100mV5V交流信号，因此需要对输入信号峰值进行检测，然后根据结果对判断信号进行放大或衰减，并将信号电平由0V提升到1.5V。为了防止高频信号被采样，在ADC前增加滤波器，考虑到频谱分析的缘故，应采用具有带内最大平坦度的巴特沃思滤波器。经过以上分析，已经可以得到如下放大电路的整体框图。点击看原图细心的朋友可能会问，为什么峰值检测放在程放之后呢，是否可以直接接在信号输入端。这个问题作者在方案确定时经过了一番细致考虑，理论上两种方法都可以，但是要注意到，峰值检测电路对毫伏级的输入信号检测精度很有限，实测误差会大于10%，而经过放大后再进行峰值检测有利于提高峰值检测精度，从而更有效的选择程放的放大倍数。2.2 借助TI网上选型工具确定各部分方案记得TI模拟器械技术部首席科学家TimKalthoff先生在武汉大学的湖北省电赛颁奖典礼上说过：“TI的网站是一所很好的模拟大学。”确实如此，TI的网站有许多帮助设计人员完成选型、方案设计、方案验证的工具和向导，这对于想作者一样的初学者是很有帮助的。2.2.1 程控增益放大器作者决定从程控增益放大器部分开始确定设计方案，对于本部分，和很多人一样，作者一开始想到两种方案：1OPA + 模拟多路复用器；2集成程控增益放大器。怀着这两种方案，作者像往常一样，先登陆TI中国的官方网站/cn/tihome/docs/homepage.tsp，然后下载了应用指南音频指南并仔细阅读，作者最先发现的是一款集成程放PGA2310非常适合我的设计，增益范围+31.5dB to ?95.5dB，供电电压最大为 15V ，输入输出范围接近供电电压。于是我很兴奋地登陆TI中国样片中心的网站开始申请教育样片（TI公司有大学合作计划）。令人感到沮丧的是，样片缺货。于是，作者选择了第一种方案，这种方案的优点是OPA较容易获得，另外作者手上有MAXIM公司的一款性能很不错的多路复用器MAX308。2.2.2 电平提升电路对于这部分，作者也想到了两种方案：1直流电平取自电源电压。这种方法优点是无需增加额外电路，缺点是电源纹波会影响频谱分析的精度。2通过电压基准源+电压加法器。这种方法的优点是噪声纹波小，缺点是需要增加电路复杂度。考虑到采用电阻分压的方法会在信号中引入电源的纹波，影响频谱分析精度，所以作者选择了第二种方案，并决定采用手上的低噪声电压基准源AD780提供3V直流电平，并通过OPA228衰减0.5倍得到1.5V直流电平。2.2.3 峰值检测电路作者记得模电课上老师说过峰值检测电路（PKD）的大致结构，由二极管和低漏电容组成。在实际应用中，PKD输入输出需要加缓冲，作者这部分的设计参考了AD公司OP177和TI公司OPA128的数据手册中提供的电路图：这两种方案本质上是一样的思路，输入为理想二极管接法，输出为电压跟随器，特别的地方是采用场效应管或晶体管代替二极管，这样的好处是方向漏电流小，因为他们的方向漏电流都在pA级别，而二极管方向漏电流是nA级的。另外，电容的选择也尤为重要，低漏电流是首要考虑，作者手上有低漏的CBB电容，故选择CBB作为储存电荷的电容器。输出的运放最好选用偏置电流小的运放，FET输入型的是首选。总体而言，TI的方案是AD方案的改进型，场效应管前的二极管可以进一步防止方向漏电流。由于经验不足，作者当时决定留到仿真时才决定二者中选择哪一种。2.2.4 抗混叠滤波器对于滤波器的设计，作者一直采用查表法设计，这一次决定尝试使用TI网上推荐的FilterPro滤波器设计软件。作者很快从网上获得了免费的设计软件，并在自己的电脑安装了软件。但让我感到很遗憾的是，软件在作者的电脑上运行不一会儿就弹出警告窗口报错，于是作者到TI网上下载了该软件的应用报告FilterProTM MFB及Sallen-Key低通滤波器设计程序，可是按照文章的方法操作还是无法让软件工作。直到现在为止还不知道为什么，可能是因为个人水平问题，希望有用过该软件的朋友交流交流。最后，作者使用常规方法，查表得出了截止频率为17kHz（足够的余量）的四阶巴特沃思低通滤波器的电容电阻参数。三、使用TINA-TI 7.0进行方案验证到此为止，本题的模拟电路部分方案设计已经初步完成了。下面的工作就是仿真验证了。作者采用了TI公司免费提供的仿真软件TINA TI对设计方案进行仿真验证，作者选择TINA的原因是，它比PSPICE更适合初学者，并且TI的官方网站有大量的文档使用该软件进行仿真测试。作者首先对个单元电路进行仿真，通过对峰值检测部分的仿真，作者发现两种方案的精度都足够满足本题要求。于是作者选择了ADI公司的电路图并对其进行了一些修改，作者将晶体管和二极管统一换成二极管1N4148，放大器采用TI公司经典FET输入运放TL082。使用TINA 7.0仿真后发现结果还是很令人满意，经过参数微调后决定了一下电路。接着作者采用相同的方法完成了各部分电路及总体电路的仿真测试，期间发现了一些错误和修改了一些参数，如加法器误采用了同相加法器。最后得到整体电路图和幅频响应特性：四、动手制作电路板考虑到PCB制作周期较长，而学校快放假了，作者决定手工焊接，于是在学校实验室里过了一晚，第二天早上终于全部测试通过。下面是作者手工焊接的电路板：五、测试仪器及测试数据5.1 测试仪器从上至下是：泰克TDS 1002B、新联EE1643C函数信号发生器、FLUKE 五位半台式万用表、 新联EE1461 DDS信号发生器（没有使用）、MATRIX 实验室用直流稳压电源。5.2.1 幅频特性测试 -3dB点，输入信号峰峰值为1V，16.95kHz。从结果看，测试结果和TINA的仿真结果相当接近。5.2.2 峰值检测误差测试峰值检测电路整体误差小于10%，信号幅值在1V以上时有较高的精度。如果将输入信号放大到该区间，则可进一步提高峰值检测精度。输入信号幅值256mV、10.10kHz，峰值检测结果244mV。压跟随器是共集电极电路，信号从基极输入，射极输出，故又称射极输出器。基极电压与集电极电压相位相同，即输入电压与输出电压同相。这一电路的主要特点是：高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1，所以叫做电压跟随器。 那么电压跟随有什么作用呢？概括地讲，电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。 共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。举一个应用的典型例子：电吉他的信号输出属于高阻，接入录音设备或者音箱时，在音色处理电路之前加入这个电压跟随器，会使得阻抗匹配，音色更加完美。很多电吉他效果器的输入部分设计都用到了这个电路。 电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻