CN105811906A

CN105811906A - 基于电阻开关调制的同相放大电路

Info

Publication number: CN105811906A
Application number: CN201610118865.7A
Authority: CN
Inventors: 田社平; 朱珏颖
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2016-07-27

Abstract

本发明提供了一种基于电阻开关调制的同相放大电路，包括放大控制模块、运放A₂、电阻R₄、电容C₅、电阻R₅、电阻R₆；其中，运放A₂的输出端连接输出信号端；电阻R₆的一端接地，另一端连接运放A₂的同相输入端；电容C₅的一端连接输出信号端，另一端连接运放A₂的反相输入端；电阻R₅的一端连接输出信号端，另一端连接运放A₂的反相输入端；放大控制模块的一端连接电阻R₄的另一端，另一端连接输入信号端；通过控制所述放大控制模块中开关S的通断，改变放大控制模块中电阻的接入或短路。本发明的电路可保证电路的放大倍数连续可控，克服了现有电路的放大倍数断续可控的缺点。

Description

基于电阻开关调制的同相放大电路

技术领域

本发明涉及电子技术，具体地，涉及一种基于电阻开关调制的同相放大电路。

背景技术

在电子电路的设计和应用中，对电信号进行放大或衰减是最常见的处理技术之一，其中对电压信号进行同相放大的典型电路如图1所示。在图1的基础上可构成如图2所示的多级可编程控制的同相放大电路。为方便起见，在图2中仅仅表示了4级放大倍数。通过译码电路可分别控制开关1、2、3或4接通，从而得到4种放大倍数分别为1+R₂₁/R₁、1+R₂₂/R₁、1+R₂₃/R₁、1+R₂₄/R₁。

图2所示电路的设计方案具有如下缺点：(1)该电路包含有译码电路，电路构成较为复杂，增加了电路的生产成本；如果取消译码电路，则控制开关通断的控制信号数要增加，放大倍数的级数与开关控制信号数相同。(2)放大倍数的级数有限，而且随着放大倍数级数的增加，开关数应随之增加，相应的译码电路更加复杂。

图3所示电路是另外一种可编程同相放大器的设计方案，通过在在控制端C输入合适的脉宽调制信号，控制模拟电子开关S的通断，改变输入电阻R₁的等效值，从而改变电路的放大特性。如图3所示，在C端输入周期为T的控制信号，在一个周期中开关闭合的时间为T₀，则在周期T内反馈电阻的等效平均值

R_{1 e q} = \frac{T}{T_{0}} R_{1} - - - (1)

由式(1)可知，R_1eq的变化范围为R₁～∞，该范围很宽，导致同相放大器的倍数控制精度不够高。如果能够使得R_1eq的变化范围变窄，则可提高放大倍数的控制精度。此外，图3中的开关S与电阻R₁串联的支路不能接在反馈支路之上。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于电阻开关调制的同相放大电路。

根据本发明提供的基于电阻开关调制的同相放大电路，包括放大控制模块、运放A₂、电阻R₄、电容C₅、电阻R₅、电阻R₆；

其中，运放A₂的输出端连接输出信号端；电阻R₆的一端接地，另一端连接运放A₂的同相输入端；电容C₅的一端连接输出信号端，另一端连接运放A₂的反相输入端；电阻R₅的一端连接输出信号端，另一端连接运放A₂的反相输入端；

放大控制模块的一端连接电阻R₄的另一端，另一端连接输入信号端；通过控制所述放大控制模块中开关S的通断，改变放大控制模块中电阻的接入或短路。

优选地，所述放大控制模块包括运放A₁、电容C₃、电阻R₃、电阻R₁、电阻R₂以及开关S；

其中，所述运放A₁的输出端连接电阻R₄的另一端；运放A₁的同相输入端连接输入信号端；

电容C₃的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接运放A₁的输出端；电阻R₃的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接运放A₁的输出端；

电阻R₁的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接电阻R₂的一端，电阻R₂的一端连接输入信号端；或，电阻R₂的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接电阻R₁的一端，电阻R₁的一端连接输入信号端；

开关S的开关部的两端连接在电阻R₂的两端。

电容C₃的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接运放A₁的输出端；电阻R₃的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端接地；

电阻R₁的一端连接电阻R₄的另一端，另一端连接电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端连接电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地；或，电阻R₂的一端连接电阻R₄的另一端，另一端连接电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端连接电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地；

开关S的开关部的两端连接在电阻R₂的两端。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的电路可保证电路的放大倍数连续可控，克服了现有电路的放大倍数断续可控的缺点；

2、本发明通过开关调制得到的等效电阻变化范围有限，有利于电路放大倍数的调节；

3、本发明通过开关调制得到的等效电阻可连接在反馈支路，而采用图3方案的接法，其开关调制支路不能接在反馈支路；

4、本发明电路只使用一个模拟开关，简化了倍数控制电路的设计。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中的同相放大电路的结构示意图；

图2为现有技术中的一种可编程同相放大电路的结构示意图；

图3为现有技术中的另一种可编程同相放大电路的结构示意图；

图4为本发明中一种同相放大电路的结构示意图；

图5为图4中示出的同相放大电路的结构变形示意图；

图6为本发明中另一种同相放大电路的结构示意图；

图7为图6中示出的同相放大电路的结构变形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，如图4和图5所示，本发明提供的基于电阻开关调制的同相放大电路，包括放大控制模块、运放A₂、电阻R₄、电容C₅、电阻R₅、电阻R₆；

所述放大控制模块包括运放A₁、电容C₃、电阻R₃、电阻R₁、电阻R₂以及开关S；

其中，所述运放A₁的输出端连接电阻R₄的一端；运放A₁的同相输入端连接输入信号端；

电阻R₁的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端接地；或，电阻R₂的一端连接运放A₁的反相输入端，另一端连接电阻R₁的一端，电阻R₁的一端接地；

开关S的开关部的两端连接在电阻R₂的两端。

如图4所示，本发明在输入端连接了一个模拟电子开关S。开关S可以通过在控制端C加入控制信号来控制其打开或闭合。在本发明中，假定在C端接逻辑高电平，开关S闭合，而在C端接逻辑低电平，开关S断开。

本发明的工作原理为：

通过在在控制端C输入合适的脉宽调制信号，控制模拟电子开关S的通断，改变输入电阻R₁的等效值，从而改变电路的放大特性。如图4所示，在C端输入周期为T的控制信号，在一个周期中开关闭合的时间为T₀，则控制信号的占空比为α＝T₀/T。由R₁、R₂以及开关S构成的支路的等效电阻为

R_{e q} = \frac{R_{1} (R_{1} + R_{2})}{R_{1} + {αR}_{2}} - - - (2)

由于占空比α在0～1之间变化，因此R_eq的变化范围为R₁～R₁+R₂。

为使R_eq尽量恒定，可取开关控制信号的频率为被放大信号频率的n倍，根据试验结果，一般取n>100。例如，要求放大电路的频宽为0～100Hz，则可取开关控制信号的频率大于100×100Hz＝10kHz。

图4中电容C₃和C₅用于平滑信号波形，同时抑制高频干扰。如果要求信号放大的频宽为0～f_H，可取C₃≤1/(2πf_HR₃)，C₅≤1/(2πf_HR₅)。此时电路在频率0～f_H范围内的放大倍数为

A = \frac{u_{o}}{u_{i}} = - (1 + \frac{R_{3}}{R_{e q}}) \times \frac{R_{5}}{R_{4}} = - [1 + \frac{R_{3} (R_{1} + {αR}_{2})}{R_{1} (R_{1} + R_{2})}] \times \frac{R_{5}}{R_{4}} - - - (3)

由上式可知，通过改变占空比α的大小，就可以控制放大倍数A的大小。

由式(3)可知，当α＝1时，电路的放大倍数最大(不计相位)，为

| A | = (1 + \frac{R_{3}}{R_{1}}) \times \frac{R_{5}}{R_{4}} - - - (4)

当α＝0时，电路的放大倍数最小(不计相位)，为

| A | = (1 + \frac{R_{3}}{R_{1} + R_{2}}) \times \frac{R_{5}}{R_{4}} - - - (5)

设计实例：按图4电路设计一放大电路，要求通带频率范围为0～100Hz，放大倍数在2～11连续可控。

设计过程：取R₁＝2kΩ，R₂＝360kΩ，R₃＝39kΩ，R₄＝20kΩ，R₅＝10kΩ，；由于f_H＝100Hz，可取C₃≤1/(2πf_HR₃)＝80nF，这里取C₃＝10nF；同理取C₅＝10nF；开关控制信号的频率取100×100Hz＝10kHz，则T＝0.1ms。电路的放大倍数为

A = \frac{U_{o}}{U_{i}} = [1 + \frac{39 (2 + 360 α)}{2 (2 + 360)}] \times \frac{10}{20} = \frac{401 + 7020 α}{724} - - - (6)

式中U_i、U_o分别为输入、输出信号的幅值。由式(6)可知，当α＝1时，图4中C端始终接逻辑高电平时，电路的放大倍数为10.25；当α＝0时，电路的放大倍数为0.55。

表1给出了上述设计实例在输入信号频率为100Hz，幅值为1V时的实测结果。

表1实测结果[u_i＝0.5sin(200πt)V，开关控制信号的频率取10kHz]

在本发明另一种实施例中，如图6和图7所示，所述放大控制模块包括运放A₁、电容C₃、电阻R₃、电阻R₁、电阻R₂以及开关S；

电阻R₁的一端连接运放A₁的输出端，另一端连接电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端连接电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地；或，电阻R₂的一端连接电阻R₄的另一端，另一端连接电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端连接电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端接地；

开关S的开关部的两端连接在电阻R₂的两端。

如图6所示，运放A1的反馈支路由R₁、R₂以及开关S构成的支路组成。

本发明的的工作原理为：

通过在在控制端C输入合适的脉宽调制信号，控制模拟电子开关S的通断，改变反馈支路电阻的等效值，从而改变电路的放大特性。如图5所示，在C端输入周期为T的控制信号，在一个周期中开关闭合的时间为T₀，则控制信号的占空比为α＝T₀/T。由R₁、R₂以及开关S构成的反馈支路的等效电阻为

R_{e q} = \frac{R_{1} (R_{1} + R_{2})}{R_{1} + {αR}_{2}} - - - (7)

图6中电容C₃和C₅用于平滑信号波形，同时抑制高频干扰。如果要求信号放大的频宽为0～f_H，可取C₅≤1/(2πf_HR₅)。此时电路在频率0～f_H范围内的放大倍数(不计相位)为

A = \frac{U_{o}}{U_{i}} = (1 + \frac{R_{e q}}{R_{3}}) \times \frac{R_{5}}{R_{6}} = \frac{R_{1} (R_{1} + R_{2} + R_{3}) + {αR}_{2} R_{3}}{R_{3} (R_{1} + {αR}_{2})} \times \frac{R_{5}}{R_{6}} - - - (8)

式中U_i、U_o分别为输入信号u_i、输出信号u_o的幅值。由上式可知，通过改变占空比α的大小，就可以控制放大倍数A的大小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种基于电阻开关调制的同相放大电路，其特征在于，包括放大控制模块、运放A₂、电阻R₄、电容C₅、电阻R₅、电阻R₆；

2.根据权利要求1所述的基于电阻开关调制的同相放大电路，其特征在于，所述放大控制模块包括运放A₁、电容C₃、电阻R₃、电阻R₁、电阻R₂以及开关S；

开关S的开关部的两端连接在电阻R₂的两端。

3.根据权利要求1所述的基于电阻开关调制的同相放大电路，其特征在于，所述放大控制模块包括运放A₁、电容C₃、电阻R₃、电阻R₁、电阻R₂以及开关S；

开关S的开关部的两端连接在电阻R₂的两端。