CN109962687A - 自动跨导控制放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动跨导控制放大电路，包括输入端u_in、控制端U_c、输出端i_out、电压控制放大器U₁、运算放大器U₂、运算放大器U₃、电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀和二极管D₁，电压控制放大器U₁的型号为VCA610。该自动跨导控制放大电路具有自动控制跨导值的功能，输入为交流电压信号，输出为交流电流信号，电流信号的峰值受到直流控制电压的控制；当直流控制电压稳定时，输出的电流值稳定，且不随输入交流电压信号幅度的变化而变化，可用于交流恒流源等电路的设计。

Description

自动跨导控制放大电路

技术领域

本发明涉及跨导控制放大电路设计领域，具体涉及一种自动跨导控制放大电路。

背景技术

跨导运算放大器(OTA)是一种电压输入、电流输出的电子放大器，其输出与输入的比值称为跨导值。跨导运算放大器不仅可以在多种线性和非线性模拟电路及系统中进行信号运算和处理，而且可在电压信号变量和电流模式信号处理系统之间作为接口电路，将待处理的电压信号变换为电流信号，再送入电流模式系统进行处理。跨导运算放大器具有电路结构简单、高频特性好和便于集成等优点，已在模拟集成电路领域得到了广泛的应用，成为微电子领域的研究热点之一。理想跨导运算放大器的输入电阻和输出电阻均为无穷大，在市场上已有很多跨导运算放大器芯片。

跨导运算放大器通常会有一个额外的电流输入端，用以控制放大器的跨导。电流输入端的电流值固定时，跨导值固定；跨导运算放大器的输出电流会随着输入电压的变化而变化，无法实现自动控制跨导值的功能，也无法实现输出电流恒定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动跨导控制放大电路，解决现有跨导控制放大电路无法实现自动控制跨导值的功能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自动跨导控制放大电路，包括输入端u_in、控制端U_c、输出端i_out、电压控制放大器U₁、运算放大器U₂、运算放大器U₃、电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀和二极管D₁，所述电压控制放大器U₁的型号VCA610，所述电压控制放大器U₁的第1脚与输入端u_in相连，所述电压控制放大器U₁的第8脚接地，所述电压控制放大器U₁的第2脚接地，所述电压控制放大器U₁的第6脚与电源VSS相连，所述电压控制放大器U₁的第7脚与电源VEE相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₁的一端相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₂的一端相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电容C₁的正极端相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₄的一端相连，所述电阻R₁的另一端与电源VEE相连，所述电阻R₂的另一端接地，所述电容C₁的负极端接地，所述电阻R₄的另一端与二极管D₁的负极相连，所述二极管D₁的正极与运算放大器U₂的第6脚相连，所述运算放大器U₂的第6脚与电容C₂的一端相连，所述电容C₂的另一端与运算放大器U₂的第2脚相连，所述运算放大器U₂的第2脚与电阻R₃的一端相连，所述电阻R₃的另一端与控制端U_c相连，所述运算放大器U₂的第3脚与运算放大器U₃的第6引脚相连，所述运算放大器U₃的第6引脚与电阻R₁₀的一端相连，所述电阻R₁₀的另一端与运算放大器U₃的第2脚相连，所述运算放大器U₃的第7脚与电源VSS相连，所述运算放大器U₃的第4脚与电源VEE相连，所述运算放大器U₃的第3脚与电阻R₉的一端相连，所述电阻R₉的另一端接地，所述运算放大器U₃的第3脚与电阻R₇的一端相连，所述电阻R₇的另一端与电压控制放大器U₁的第5脚相连，所述运算放大器U₃的第2脚与电阻R₈的一端相连，所述电阻R₈的另一端与输出端i_out相连，所述电阻R₅的一端与电压控制放大器U₁的第5脚相连，所述电阻R₅的另一端与输出端i_out相连。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述运算放大器U₂的型号为OPA620，采用本步的有益效果是，OPA620为宽带精密运算放大器，可以使控制环路控制更精准，稳定速度更快。

进一步，所述运算放大器U₃的型号为OP37，采用本步的有益效果是，可使电路的工作带宽较宽。

进一步，所述电源VSS为正负5V双电源的+5V端。

进一步，所述电源VEE为正负5V双电源的-5V端。

进一步，所述输入端u_in输入正弦交流电压信号。

进一步，所述控制端U_c输入直流电压信号。

本发明的有益效果是：在本发明中，该自动跨导控制放大电路具有自动控制跨导值的功能，输入为交流电压信号，输出为交流电流信号，电流信号的峰值受到直流控制电压的控制；当直流控制电压稳定时，输出的电流值稳定，且不随输入交流电压信号的幅度变化而变化，可用于交流恒流源等电路的设计。

附图说明

图1为本发明的原理图

图2为本发明实施例中输入峰值为0.5V的正弦交流电压信号时的输入电压u_in波形和输出电流i_out波形

图3为本发明实施例中输入峰值为1V的正弦交流电压信号时的输入电压u_in波形和输出电流i_out波形

图4为本发明实施例中输入峰值为1.5V的正弦交流电压信号时的输入电压u_in波形和输出电流i_out波形

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种自动跨导控制放大电路，包括输入端u_in、控制端U_c、输出端i_out、电压控制放大器U₁、运算放大器U₂、运算放大器U₃、电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀和二极管D₁，电压控制放大器U₁的型号VCA610，电压控制放大器U₁的第1脚与输入端u_in相连，电压控制放大器U₁的第8脚接地，电压控制放大器U₁的第2脚接地，电压控制放大器U₁的第6脚与电源VSS相连，电压控制放大器U₁的第7脚与电源VEE相连，电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₁的一端相连，电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₂的一端相连，电压控制放大器U₁的第3脚与电容C₁的正极端相连，电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₄的一端相连，电阻R₁的另一端与电源VEE相连，电阻R₂的另一端接地，电容C₁的负极端接地，电阻R₄的另一端与二极管D₁的负极相连，二极管D₁的正极与运算放大器U₂的第6脚相连，运算放大器U₂的第6脚与电容C₂的一端相连，电容C₂的另一端与运算放大器U₂的第2脚相连，运算放大器U₂的第2脚与电阻R₃的一端相连，电阻R₃的另一端与控制端U_c相连，运算放大器U₂的第3脚与运算放大器U₃的第6脚相连，运算放大器U₃的第6脚与电阻R₁₀的一端相连，电阻R₁₀的另一端与运算放大器U₃的第2脚相连，运算放大器U₃的第7脚与电源VSS相连，运算放大器U₃的第4脚与电源VEE相连，运算放大器U₃的第3脚与电阻R₉的一端相连，电阻R₉的另一端接地，运算放大器U₃的第3脚与电阻R₇的一端相连，电阻R₇的另一端与电压控制放大器U₁的第5脚相连，运算放大器U₃的第2脚与电阻R₈的一端相连，电阻R₈的另一端与输出端i_out相连，电阻R₅的一端与电压控制放大器U₁的第5脚相连，电阻R₅的另一端与输出端i_out相连。

在本发明实施例中，运算放大器U₂的型号为OPA620。

在本发明实施例中，运算放大器U₃的型号为OP37。

在本发明实施例中，电源VSS为正负5V双电源的+5V端。

在本发明实施例中，电源VEE为正负5V双电源的-5V端。

在本发明实施例中，输入端u_in输入正弦交流电压信号。

在本发明实施例中，控制端U_c输入直流电压信号。

本发明的工作原理为：

图1所示电路中的电压控制放大器U₁为VCA610，其电压放大倍数受到其第3脚的输入电压值的控制，运算放大器U₂起到电压比较作用。电容C₁为充放电电容，R₄是C₁的充电限流电阻。电阻R₁和R₂不仅为电压控制放大器VCA610的第3脚提供静态工作电压，还是电容C₁的放电电阻。型号为1N3208的二极管D₁实现检波作用。电容C₂补偿环路相位，容量较小。电阻R₅为采样电阻，将输出电流信号i_out线性地转化为电压信号。运算放大器U₃和电阻R₇、R₈、R₉、R₁₀共同构成差分放大电路，且R₇＝R₈，R₉＝R₁₀。

静态工作时，电源VEE的-5V电压通过电阻R₁和R₂给充放电电容C₁提供-2.5V的静态工作电压，使VCA610以最大的放大倍数对输入到u_in的交流电压信号进行放大。

电压控制放大器U₁的输出电流信号i_out经电阻R₅采样得到电压信号，经运算放大器U₃差分放大得到交流电压信号u_f。当u_f的正峰值大于控制端U_c的直流电压值时，运算放大器U₂输出高电平，使二极管D₁导通，运算放大器U₂通过充电限流电阻R₄给电容C₁充电，使C₁电位升高，控制VCA610的放大倍数减小，直至VCA610输出电流信号i_out对应的电压信号u_f的正峰值等于控制端U_c的直流电压值。

令电容C₁容量为100nF的双极性电容，电容C₂容量为50pF的单极性电容，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₉和电阻R₁₀的阻值均为50kΩ，电阻R₃的阻值为100Ω，电阻R₄、电阻R₇和电阻R₈的阻值均为1kΩ，电阻R₅的阻值为1Ω，二极管D₁的型号为1N3208。

当输入信号u_in为正弦交流电压信号时，若输入信号

且a为电压的峰值，ω为信号角频率，为初始相位；则输出电流信号i_out可表示为：

式中，b为电流信号的峰值。输出电流信号i_out经采样和差分放大后，运算放大器U₃的输出电压

自动跨导控制放大电路稳定工作时，运算放大器U₂反向输入端直流电压和同相输入端交流电压峰值相等，即

整理得到：

由此可知，自动跨导控制放大电路输出电流信号i_out的峰值b受到控制端U_c的直流电压值的控制；控制电压U_c固定时，输出电流信号i_out的峰值保持稳定，基本不受输入电压u_in幅度的影响；这是由自动跨导控制放大电路的跨导值

自动变化来实现的。

依据图1在Multisim 13中构建仿真电路，输出端i_out连接50Ω的负载电阻，由式(5)可知，若控制端的直流电压U_c＝0.5V时，工作稳定后，自动跨导控制放大电路输出电流信号i_out的理论峰值应为10mA。图2为输入信号u_in频率为10kHz，峰值为0.5V的正弦交流电压信号时，自动跨导控制放大电路的输入电压u_in(Channel A)与输出电流i_out(Channel B)的波形。图3为改变输入信号峰值为1V时，自动跨导控制放大电路的输入电压u_in与输出电流i_out的波形。图4为改变输入信号峰值为1.5V时，自动跨导控制放大电路的输入电压u_in与输出电流i_out的波形。从图2、图3和图4可知，自动跨导控制放大电路实现了跨导值g_m的自动改变，输入电压幅度变化时，输出电流信号i_out的峰值最终都会稳定为10mA，符合预期目标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动跨导控制放大电路，其特征在于，包括输入端u_in、控制端U_c、输出端i_out、电压控制放大器U₁、运算放大器U₂、运算放大器U₃、电容C₁、电容C₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀和二极管D₁，所述电压控制放大器U₁的型号为VCA610，所述电压控制放大器U₁的第1脚与输入端u_in相连，所述电压控制放大器U₁的第8脚接地，所述电压控制放大器U₁的第2脚接地，所述电压控制放大器U₁的第6脚与电源VSS相连，所述电压控制放大器U₁的第7脚与电源VEE相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₁的一端相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₂的一端相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电容C₁的正极端相连，所述电压控制放大器U₁的第3脚与电阻R₄的一端相连，所述电阻R₁的另一端与电源VEE相连，所述电阻R₂的另一端接地，所述电容C₁的负极端接地，所述电阻R₄的另一端与二极管D₁的负极相连，所述二极管D₁的正极与运算放大器U₂的第6脚相连，所述运算放大器U₂的第6脚与电容C₂的一端相连，所述电容C₂的另一端与运算放大器U₂的第2脚相连，所述运算放大器U₂的第2脚与电阻R₃的一端相连，所述电阻R₃的另一端与控制端U_c相连，所述运算放大器U₂的第3脚与运算放大器U₃的第6脚相连，所述运算放大器U₃的第6脚与电阻R₁₀的一端相连，所述电阻R₁₀的另一端与运算放大器U₃的第2脚相连，所述运算放大器U₃的第7脚与电源VSS相连，所述运算放大器U₃的第4脚与电源VEE相连，所述运算放大器U₃的第3脚与电阻R₉的一端相连，所述电阻R₉的另一端接地，所述运算放大器U₃的第3脚与电阻R₇的一端相连，所述电阻R₇的另一端与电压控制放大器U₁的第5脚相连，所述运算放大器U₃的第2脚与电阻R₈的一端相连，所述电阻R₈的另一端与输出端i_out相连，所述电阻R₅的一端与电压控制放大器U₁的第5脚相连，所述电阻R₅的另一端与输出端i_out相连。

2.根据权利要求1所述的自动跨导控制放大电路，其特征在于，所述运算放大器U₂的型号为OPA620。

3.根据权利要求1所述的自动跨导控制放大电路，其特征在于，所述运算放大器U₃的型号为OP37。

4.根据权利要求1所述的自动跨导控制放大电路，其特征在于，所述电源VSS为正负5V双电源的+5V端。

5.根据权利要求1所述的自动跨导控制放大电路，其特征在于，所述电源VEE为正负5V双电源的-5V端。

6.根据权利要求1所述的自动跨导控制放大电路，其特征在于，所述输入端u_in输入正弦交流电压信号。

7.根据权利要求1所述的自动跨导控制放大电路，其特征在于，所述控制端U_c输入直流电压信号。