类比电路设计(08)各种增幅电路(下)

1、類比電路設計(八) 各種增幅電路（下） 宇量內容標題導覽：定電流電路加減運算電路t型歸返電路可變電阻的使用方法gain與level的調整方法 接著要介紹其它型式增幅電路，具體內容如下所示:電流-電壓轉換電路。加減運算電路。t型歸返電路。以上三種增幅電路主要用途分別是:.由於量測電流時經常會使用電流-電壓轉換電路，因此設計電流-電壓轉換電路時，必需設法避免該電路影響被測電路的特性。.施加或是刪減複數信號時，經常會使用加減運算電路。.欲增加反轉增幅電路的gain的情況，必需使用大阻抗電阻時，若有t型規返電路設計上會很方便。 定電流電路 量測電壓時若未增加圖1(a)量測電路的輸入阻抗(impedan

2、ce)，阻抗電流一旦流入電路就會產生誤差，此外量測電流時則必需防止圖1(b)量測電路的電壓下降，也就是說電流量測的阻抗最好變成0。圖1 輸入阻抗與量測誤差檢測電源線的電流圖2與圖3的電路可以檢測電源線的電流；op增幅器則用njm072b，檢測vcc rail的電流，njm2904可以檢測vee rail的電流。圖2(a)與圖3(a)分別使用前篇介紹的定電流電路。由於電流檢測阻抗rs的電壓下降動作，會與source阻抗r1的電壓下降相同，因此輸出電壓vout可用下式表示:vout=r2/r1xrsxiout-(1)如果擴大檢測gain r2/r1，r2會變大，因此檢測vout的電路阻抗(impe

3、dance)也必需加大。圖2(b)與圖3(b)的電路分別使用前篇介紹的差動增幅電路，圖中的輸出電壓vout可用上式(1) 表示，該電路的缺點如圖中的說明，若使用單側電源時，輸出電壓必需降至0v，此外差動增幅電路的輸入阻抗，會造成誤差電流流動，因此使用這種電路時，必需設法降低電流檢測阻，抗避免影響被測電路。圖2 量測vcc rail電流的電路圖3 量測 vee rail電流的電路電源電流檢測電路的輸出入特性圖4是量測圖2與圖3電路的結果，圖中的直線性看似良好，不過該直線卻與理想線平行移動。造成這種現象主要原因是op增幅器的offset電壓影響所致，因為最大檢測電壓為200mv，定格offset電

4、壓最大只有10mv，因此才會產生以上現象。為抑制偏差可以使用offset可調的op增幅器，或是使用rail to rail op增幅器。圖4 檢測電源電流電路的結果電流電壓轉換電路的動作原理與設計重點若使用圖5(a)所示的反轉增幅電路，輸出電力vout可因輸入電流iin與歸返阻抗r2的關係，利用下式進行電流電壓轉換:vout=-iinxr2-(2)圖5(a)就是充分利用上述特性，構成電流電壓轉換電路，該電路的loop gain極大時，輸入阻抗幾乎是0(virtual short)，成為所謂的理想測試電路。由於可檢測的電流最大值，受限於op增幅器的最大輸出電流，因此若欲檢測更大電流時，必需利用電

5、晶體構成buffer。圖中的cf可以補正輸入端子與ground之間的浮遊容量，換言之若未設置cf，電路會變得非常不穩定，除此之外設計pattern時，必需注意避免外部噪訊直接滲入輸入端子內。由於最小輸入電流受限於op增幅器的的輸入偏壓電流的影響，因此若欲大範圍轉換電流時，必需使用fet輸入精度較高的op增幅器。圖5 電流電壓轉換電路 加減運算電路基本電路接著介紹加算電路與減算電路。圖6的加算電路是由反轉增幅器，與非反轉增幅器追加設置輸入阻抗的方式所構成。基本上加減運算電路屬於差動增幅電路，該電路的反轉輸入與非反轉輸入彼此的gain絕對值完全相同。如圖7(a)所示有複數個差動增幅電路輸入時，輸出

6、電壓vout可用圖中的公式求得。圖6 加算電路實際加減運算電路接著要試算設計加減運算電路時常用的定數，值得一提的是從試算過程中可以發現，許多定數事實上並無法達成。圖7(b)的電路是由兩個op增幅器構成的電路，該電路的輸出電壓vout可用圖中的公式求得。圖7(a)的電路同樣是由op增幅器所構成，唯一差異是noise gain，因此接著要試算圖7(b)的noise gain，與圖7(a)電路的實際差異值。反轉輸入的noise gain gnoise-，與非反轉輸入的noise gain gnoise+分別如下所示: 根據以上兩計算公式可知，noise gain會影響輸出噪訊(noise)與直流of

7、fset，因此noise gain越小越好，一般而言noise gain最大值，以實驗用的op增幅器而言必需低於100倍，高精度op增幅器則需低於100倍。圖7 加減算電路 t型歸返電路t型電路的優點假設圖8(a)反轉增幅電路的輸入阻抗很大的場合，若欲獲得較大的電路gain時，歸返阻抗r2會變得非常大，進而造成無法組裝的窘境，這種情況就需改用圖8(b)的t型歸返電路，此時的gain 可用下式表示:此外通常會假設定數r1=r11，並利用r12與r13決定gain，圖中記載的定數是r1=1m ，gain 100倍時的數據。雖然圖8(b)增加兩個電阻，不過相對於圖8(a)的r2=100m ，圖8(a

8、)的10.2k1m顯然比較容易取得，同時更容易製作該電路。圖8 t型歸返電路噪訊gain會有增加的困擾如圖9(a)所示的t型電路，可利用y（stat digital）轉換成型電路，假設型電路適用於反轉增幅電路的話，圖9(b)的r22=100m。由圖可知該電路等於是將電阻r21與r23連接。此處為說明t型電路的問題點，因此將t型電路轉換成型電路。相較於圖8(a)噪訊gain gnoise(s)，圖8(b)的噪訊gain gnoise(t)可從等價電路圖9(b)求得: 根據以上計算結果可知，t型電路的噪訊gain會增加2倍左右，因此設定定數時必需盡量加大電阻r21。上述t型電路經常被應用於反轉增幅

9、電路，或是圖5(b)的電流電壓轉換電路(反轉增幅電路的變形電路)，不過對可以獨立設定輸入阻抗，與歸返電路阻抗的非反轉增幅電路而言，由於會有噪訊gain增加的問題，所以t型電路並不適合非反轉增幅電路使用。圖9 t型歸返的等價電路 可變電阻的使用方法基本結構特殊設計案例除外，如圖10(a)所示的電路設有三個端子，因此分別作以下定義:號端子稱為s(slider)；順時針方向旋轉時與號端子接觸的端子，稱為號端子cw(clock wise)；逆時針方向旋轉時與號端子接觸的端子，稱為號端子ccw(counter clock wise)。rheostat與potentiometer可變電阻器依照外形結構，可

10、分為付有旋鈕隨時可從面板(panel)調整的volume type，與直接裝設於基板上，使用時才調整的半固定式可變電阻兩種。可變電阻依照使用方法，可分為如圖10(b)所示，利用將施加於的電壓當作分壓取出，亦即所謂的potentiometer(電壓分壓型)，以及如圖10(c)所示，利用之間的阻抗成份分成rheostat，亦即所謂的rheostat(電流控制型)兩種。電壓分壓型的 與 的相對精度若很穩定時，基本上可以忽視絕對精度，相形之下電壓分壓型的 絕對精度，則變成令人困擾的問題。電流控制型通常是被當作short使用，即使之間的slider接觸不良，阻抗亦能控制在最大 的阻抗值範圍內，不至變成o

11、pen狀態。直流電的場合，若將slider與正極連接，一般認為比較不易造成吃電現象。由於之間的阻抗誤差值一般都在20%(m)左右，即使卷線形potentiometer也有3%左右誤差，因此使用potentiometer必需注意可變範圍。圖10 各種可變電阻carbon可變電阻的雖然carbon可變電阻也有高單價多段旋轉式的potentiometer(電壓分壓型)，不過一般大多使用低價的carbon可變電阻。圖11是carbon可變電阻的變化特性，由圖可之相對於旋轉角度，b curve的變化幾乎是直線性，這意味著carbon可變電阻非常適合各種level的調整；相較之下a curve的變化則是呈

12、逆對數(指數)關數性變化，因此比較適合應用於音量調整；c curve的變化呈對數關數性變化，所以可當作音質調整。最近幾年出現的電子volume ic大多使用da converter，造成carbon可變電阻使用量遽減，可供選擇的種類也變得非常少，一般認為未來carbon可變電阻，可能會被使用da converter的電子volume ic取代。圖11 carbon可變電阻的變化特性基本選擇手法基本上選擇可變電阻時，必需依照使用目的作判斷，基於設定精度考量時，可以選擇精密級potentiometer(電壓分壓型)；只是單純的偏差調整時，可以選擇carbon可變電阻；欲獲得中間設定精度時，建議使用

13、繞線式與金屬皮膜式可變電阻。此外carbon可變電阻的阻抗值，會隨著使用時數產生很大的變化，因此不可將carbon可變電阻當作rheostat使用。半固定型電阻建議使用金屬皮膜式，精密調整用途一般是使用一旋轉type。必需注意的是半固定型電阻的旋轉段數很少，經常需作調整的場合，可以改用可變電阻type。 gain與level的調整方法level的調整非反轉增幅器圖12是非反轉增幅電路的level的調整方法，基本上這種調整方法是假設圖中的 是b curve的可變電阻，如此一來輸出電壓 的變化，會因可變電阻的旋轉位置(01) ，呈現如下式所示的直線性變化:反轉增幅器圖13(a)是反轉增幅電路的le

14、vel的調整方法，由於反轉增幅電路的輸入阻抗(impedance)很低，輸出電壓vout的變化，如下式所示呈非直線性變化:圖13(b)是理想狀態(r1-)與r=r1時，可變電阻的旋轉位置與理想狀態產生的誤差，該誤差 可用下式表示:圖13(c)是表示式中的r/r1，從0變成1時的最大誤差，由於設計上必需賦予最大設定誤差，因此可從圖10決定可變電阻的阻抗值r和r1。(a) 反轉增幅電路的level的調整方法圖12 非反轉增幅電路的level的調整方法gain的調整圖14是非反轉增幅電路的gain調整方法。圖14(a)可變電阻的slider內無電流流動，因此不會受到接觸阻抗的影響，不過可變電阻的sl

15、ider與op增幅器的反轉輸入連接，由於可變電阻的物理性大小比固定電阻大，所以實際上可變電阻極易受到外部噪訊的誘導圖14(b)可變電阻的slider與ground連接，雖然受到外部噪訊的影響比較少，不過仍然會受到接觸阻抗的影響。圖14 非反轉增幅電路的gain調整方法圖15是反轉增幅電路的gain調整方法，圖15(a)、圖15(b)的特性與gain調整方法，與上述非反轉增幅電路的gain調整方法完全相同。由於potentiometer type與rheostat type各有優缺點，因此無法概論何者好壞。基於switching power supply已經成為主流，設計model要求高速動作，

16、以及電子產品內部噪訊環境極端惡化等情況時，建議採用圖14(b)、圖15(b)的反轉增幅電路。圖15 反轉增幅電路的gain調整方法gain與level的切換圖16是將可變電阻改成一般電阻與switch，利用switch作gain與level切換，換句話說以往機械開關的切換，已經被半導體類比switch取代，由於無機械接點因此電子式切換具有可靠度非常高，以及可與外部pc連接等優點，反面缺點是switch的接觸阻抗極易造成大on阻抗，off時漏電(leak)電流無法完全阻絕，以及off時仍然會持續施加信號等困擾。如上所述電子式可作高速動作，切換時的過渡期間即使反覆on/off切換，也不會產生cha

17、tter ring現象。表1是cmos 74hc系列半導體類比switch的特性摘要一覽表。圖16利用switch作gain與level切換表1 cmos 74hc系列半導體類比switch的特性摘要利用實驗觀察gain的調整效果首先移動可變電阻的slider，接著利用圖17(a)的電路觀察gain的變化，該電路的gain可以從1倍變化成1倍。若依照圖17(b)所示，將slider朝左側端子方向旋轉時，該的電路會變成反增幅電路；若依照圖17(c)所示，將slider朝中點方向旋轉時，該的電路會變成差動增幅電路；若依照圖17(d)所示，將slider朝右側端子方向旋轉時，該的電路會變成gain 2倍的非反轉增幅電路，與gain 1倍的反轉增幅電