集成運(yùn)放的非線性失真分析及電路應(yīng)用

1、集成運(yùn)放的非線性失真分析及電路應(yīng)用運(yùn)算廣泛應(yīng)用在各種中，不僅可以實(shí)現(xiàn)加法和乘法等線性運(yùn)算電路功能，而且還能構(gòu)成限幅電路和函數(shù)發(fā)生電路等非線性電路，不同的銜接方式就能實(shí)現(xiàn)不同的電路功能。集成運(yùn)放將和一些外圍電路集成在一塊硅片上，組合成了具有特定功能的電路。集成運(yùn)放體積小，用法便利靈便，適合應(yīng)用在移動(dòng)通信和數(shù)碼產(chǎn)品等便攜設(shè)備中。線性特性是考查具有放大功能的集成運(yùn)放和接收前端電路的一個(gè)重要參數(shù)，并且線性范圍對(duì)集成運(yùn)放的銜接方式也有很大影響。集成運(yùn)放的線性范圍太小，就會(huì)造成輸出信號(hào)產(chǎn)生多次諧波和較大的諧波功率，嚴(yán)峻地影響囫圇電路的功能?；诩蛇\(yùn)放的非線性分析，可以發(fā)覺(jué)造成電路非線性失真的緣由，并且在

2、不轉(zhuǎn)變電路設(shè)計(jì)的前提下，通過(guò)轉(zhuǎn)變集成運(yùn)放的銜接方式，達(dá)到實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)放正常工作的目的。本文設(shè)計(jì)優(yōu)化的集成運(yùn)放電路應(yīng)用于定位系統(tǒng)射頻前端電路，完成對(duì)基帶掃頻信號(hào)的放大輸出，能有效抑制了集成運(yùn)放諧波的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)射頻接收前端電路的高增益，提高對(duì)后端電路設(shè)計(jì)部分的驅(qū)動(dòng)能力。1 差分電路的接入辦法和集成運(yùn)放的非線性參數(shù)通用集成運(yùn)放電路由：偏置電路、輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)等組成。其輸入級(jí)部分由差分電路構(gòu)成。差分電路有雙端輸入和單端輸入兩種信號(hào)輸入辦法；偏置電路可以采納單電源和雙電源兩種供電方式。在移動(dòng)通信或便攜設(shè)備中，普通采納單電源供電方式，單電源供電的集成運(yùn)放要求輸入信號(hào)采納單極性形式，即輸入信號(hào)始終是正

3、當(dāng)或是負(fù)值，差分輸入級(jí)可以用來(lái)保證輸入中間級(jí)電路的信號(hào)極性，同時(shí)差分輸入級(jí)放大電路可以有效抑制共模信號(hào)，增加集成運(yùn)放的共模抑制比。但是，當(dāng)共模輸入信號(hào)較大時(shí)，差分對(duì)管就會(huì)進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，放大器將失去共模抑制能力，嚴(yán)峻影響到集成運(yùn)放的共模抑制比。集成運(yùn)放的非線性特性參數(shù)除了最大共模輸入外，輸出電壓、輸出、最大輸出壓擺率和最大輸入壓擺率等也是關(guān)系到其非線性特性的重要指標(biāo)。因?yàn)榧蛇\(yùn)放的輸出級(jí)晶體管存在一定的飽和壓降，其最大輸出電壓都要比電源電壓小12 v，甚至更小。壓擺率就是電壓的轉(zhuǎn)換速率，是集成運(yùn)放在大信號(hào)和高頻信號(hào)工作時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。壓擺率越高，集成運(yùn)放的電壓反應(yīng)速度越快，越能保證運(yùn)放在

4、更高頻率下工作；相反，假如壓擺率太低，運(yùn)放的輸出電壓無(wú)法即時(shí)地尾隨階躍輸入電壓的變幻，輸出信號(hào)就會(huì)浮現(xiàn)失真，表現(xiàn)出集成運(yùn)放的非線性特性。無(wú)論單電源供電，還是正負(fù)電源供電，集成運(yùn)放的最大共模電壓普通比電源正、負(fù)電壓各低2 v左右；對(duì)于33 v單電源供電的集成運(yùn)放，其最大共模輸入電壓范圍十分小，所以集成運(yùn)放在用法低電源供電的狀況下，一定要考慮輸入共模信號(hào)的影響。2 雙端輸入集成運(yùn)放ad8062的電路應(yīng)用在接收機(jī)射頻前端電路中，現(xiàn)代混頻器內(nèi)部集成了運(yùn)算放大器的功能，但是內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器輸出阻抗較高，使得混頻器后端負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，同時(shí)電壓增益也簡(jiǎn)單受到負(fù)載阻抗變幻的影響。為了實(shí)現(xiàn)接收機(jī)能夠接收

5、大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，射頻前端采納了增益控制放大電路；同時(shí)，考慮到接收機(jī)高敏捷度的要求，用法固定增益集成運(yùn)放對(duì)微弱信號(hào)舉行再放大，以保證接收到的信號(hào)達(dá)到a/d采樣的最低門(mén)限。集成運(yùn)放ad8062具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，能夠保證下變頻后信號(hào)的高效傳輸，并且能夠有效提高負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。為了滿足囫圇電路系統(tǒng)的增益設(shè)計(jì)要求，接收前端對(duì)下變頻后的基帶信號(hào)舉行放大便顯得尤為須要。21 ad8062主要性能介紹輸出電壓擺動(dòng)為6 mv；3 db帶寬為500 mhz；電壓擺率為800 vs；差分放大相位誤差為o04°；電源電壓為278 v。ad8062是雙集成運(yùn)算放大器，可以同時(shí)對(duì)兩路信號(hào)舉行

6、放大輸出。共模輸入電壓范圍也較大，能夠在低電源電壓供電電路中用法；輸出端采納軌對(duì)軌(rail to rail)反饋放大器方式，擴(kuò)展了輸出電壓范圍，越發(fā)便利了ad8062的用法。相比于同類型電流反饋放大器，ad8062具有較寬的信號(hào)輸入帶寬和較高的壓擺率特性，適合應(yīng)用在擴(kuò)頻通信電路中。22 ad8062電路實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用在下面的電路設(shè)計(jì)中，ad8062采納單電源33 v供電方式，輸入端用法的是iq兩路正交信號(hào)，用于測(cè)試的輸入信號(hào)是單頻信號(hào)，輸入信號(hào)功率范圍為-28-12 dbm，信道帶寬5 mhz。集成運(yùn)放的電路設(shè)計(jì)應(yīng)用在ism頻段定位系統(tǒng)的接收射頻前端電路，在ad8347對(duì)iq正交射頻信號(hào)下變頻后

7、，對(duì)基帶信號(hào)舉行放大輸出。ad8062差分放大采納的是雙端輸入單端輸出的方式，iq兩路雙極性信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)放合并后傳輸給ad變換器舉行采樣。當(dāng)接收信號(hào)為跳頻信號(hào)時(shí)，ad8062電壓的變幻速率很快，能夠即時(shí)尾隨階躍電壓的變幻。最初的設(shè)計(jì)采納圖1(a)所示的電路銜接方式，其中設(shè)計(jì)的mimo系統(tǒng)接收射頻前端曾有應(yīng)用，在mimo系統(tǒng)中采納的是單電源5 v供電方式，輸入信號(hào)頻率范圍為05 mhz，功率為-12 dbm。上述條件下，放大器的功率增益為11 db，信號(hào)輸出的諧波失真小于-40 dbc，滿足接收機(jī)智敏度和后端ad采樣的要求。然而，ad8062的銜接方式挺直用于33 v單電源，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1

8、mhz時(shí)，電路的輸出特性2和圖3所示。ad8062的差分放大電路銜接方式1，集成運(yùn)放iq兩路雙極性輸入的電壓信號(hào)大小相等，符號(hào)相反，理論上經(jīng)下變頻器輸出的雙極性信號(hào)到ad8062的增益(db)由下式計(jì)算得到：在下變頻器輸出信號(hào)為-28 dbm的狀況下，由圖2可以看出ad8062的增益為11 db左右，信噪比為20 db左右，該增益基本滿足理論計(jì)算值。但是，當(dāng)下變頻器輸出信號(hào)為-12 dbm時(shí)，輸入到ad8062信號(hào)的各次諧波功率均大于-50 dbc。由圖3可發(fā)覺(jué)，在ad8062的大信號(hào)輸入時(shí)ad8062的非線性特性使得輸出信號(hào)嚴(yán)峻失真，5 mhz信號(hào)帶寬內(nèi)二次諧波為-10 dbc，信號(hào)輸出功率

9、不能滿足理論計(jì)算值。ad8062的嚴(yán)峻帶內(nèi)諧波失真，使得后端無(wú)法檢測(cè)到實(shí)用的信號(hào)，造成了這種電路無(wú)法正常用法。23 ad8062的非線性分析和電路優(yōu)化在集成運(yùn)放的非線性參數(shù)中，單頻輸入信號(hào)電壓的變幻速率很低，基本不用考慮ad8062的壓擺率特性是造成諧波失真的緣由。考慮到單電源集成運(yùn)放在電源電壓變小時(shí)，其最大共模輸入電壓范圍也會(huì)變小，電路銜接方式1產(chǎn)生的諧波失真與最大輸入共模電壓有很大的關(guān)系。a-d8062允許輸入信號(hào)的最大共模電壓范圍為(-vso2 v)(+vs18 v)，電源電壓越小，ad8062的最大共模輸入電壓范圍越小，若超出這個(gè)最大范圍，芯片就可能被燒毀。另外，關(guān)系到集成運(yùn)放非線性參

10、數(shù)的共模輸入電壓范圍還要小于上述范圍。在單電源5 v電壓供電的電路中，允許輸入信號(hào)的最大共模電壓范圍為-52+32 v，然而在單電源33 v供電的電路中，該范圍為-35+15 v。電源電壓的削減，使得ad8062的最大輸入共模電壓范圍有所削減，這可能是造成集成運(yùn)放非線性失真的緣由。銜接方式l的信號(hào)輸入端沒(méi)有隔直，必定造成集成運(yùn)放對(duì)直流信號(hào)的放大，這就會(huì)浮現(xiàn)輸出信號(hào)的諧波失真。這是由于當(dāng)直流電壓超出最大輸入共模電壓范圍時(shí)，集成運(yùn)放的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生了較大偏移，差分對(duì)管中的一管輸出電流趨于飽和，另外一管的輸出電流趨于截止，兩管的輸出電流之差不再尾隨輸入信號(hào)發(fā)生變幻，而表現(xiàn)出集成運(yùn)放的限幅電路特性，造

11、成集成運(yùn)放在大信號(hào)輸入時(shí)輸出信號(hào)的非線性失真。由此可以推斷，在大信號(hào)輸入的狀況下，ad-8062的峰值超過(guò)了輸入共模電壓范圍。為了解決共模電壓過(guò)大的問(wèn)題，對(duì)上述電路舉行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即在銜接方式2的集成運(yùn)放的負(fù)項(xiàng)輸入端加入隔直電容，其銜接1(b)所示。ad8062的差分放大電路銜接方式2中，隔直電容可以有效減小輸入到反相端的直流電壓，同時(shí)通過(guò)溝通實(shí)用信號(hào)，這樣就減小了集成運(yùn)放的輸入共模電壓，保持了差分電路在靜態(tài)工作點(diǎn)的較大線性范圍，差分對(duì)管的輸出電流能夠線性尾隨輸入信號(hào)變幻。隔直電容的加入除了對(duì)低頻信號(hào)有些影響外，輸入集成運(yùn)放的差模電壓能夠高效傳輸給ad變換器。在設(shè)計(jì)的ism頻段定位系統(tǒng)時(shí)，用法基

12、帶掃頻信號(hào)最低頻率為100 khz，這樣就能最大程度地降低隔直電容對(duì)低頻信號(hào)的影響。優(yōu)化電路的特性頻譜特性4和圖5所示。銜接方式2與方式1的頻率輸入條件相同，在輸入單頻信號(hào)功率為-28 dbm時(shí)，優(yōu)化電路的集成運(yùn)放增益大于11 db，并且對(duì)帶外噪聲有了更大的抑制作用，信噪比也比銜接方式1提高了1 db。在輸入單頻信號(hào)功率為-12 dbm時(shí)，因?yàn)楣材］斎腚妷旱臏p小，使得ad8062能夠工作在線性范圍，各次諧波功率均小于-45 dbc，輸出信號(hào)功率也有了4 db提高。優(yōu)化電路勝利地完成了在射頻接收前端的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠?yàn)楹蠖穗娐窓z測(cè)信號(hào)提供較大的信號(hào)功率。而滿足ad采樣門(mén)限要求。同時(shí)，在ism頻段定位系統(tǒng)整體測(cè)試中，ad8062的用法能夠使得接收射頻前端達(dá)到接收機(jī)智敏度的要求，信號(hào)處理部分能夠正確捕捉定位數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中發(fā)覺(jué)，雙集成運(yùn)放ad8062的iq兩路輸入信號(hào)功率不能有太大的偏差，否則，電路不能正常工作。在設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)射頻前端電路中，采納正交下變頻器ad8347的iq兩路信號(hào)輸出功率偏差較小，ad8062能夠滿足設(shè)計(jì)要求。3 結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)集成運(yùn)放銜接電路的非線性分析，找到了ad8062產(chǎn)生諧波失真的緣由，并且優(yōu)化設(shè)計(jì)了新的電路銜接方式。這種優(yōu)化電路設(shè)計(jì)在不轉(zhuǎn)變集成運(yùn)放增益的前提