專利名稱:均q調諧rc諧振放大器的制作方法
本發(fā)明涉及一種RC諧振放大器，特別是涉及一種均Q調諧RC諧振放大器。
本發(fā)明是作為“鎖相諧振自動捕捉跟蹤濾波技術”和“鑒相調諧參差諧振濾波測量電路”的結構部件而研制的。因其有廣泛用途，而分開申請。這些電路具有象LC諧振放大器一樣的傳輸函數，并可改變其輸入耦合方式而使之兼帶一個積分因子、或兼帶一個微分因子。其特點是在寬頻段連續(xù)調諧時有最佳的Q均勻度。統(tǒng)調兩個RC節(jié)的電阻時Q值恒定不變，統(tǒng)調誤差無影響;單調一節(jié)RC的電阻時波段內Q值均勻，兩端的極限Q差是一個不大的百分數。本發(fā)明稱之為均Q調諧特性。
現有的二階RC有源濾波器統(tǒng)調兩個電阻時Q值對統(tǒng)調誤差敏感，單調一個電阻時Q值隨頻率成比例的變化，不符合寬頻段調諧的實用要求。
本發(fā)明從實用目的出發(fā)，沒受現有電路的結構及“無限增益”等概念和方法的影響，從建立新的二階RC反饋放大器原型電路開始，導出條件、建立結構、最終發(fā)現，現有電路只是均Q調諧電路中幾個變型電路在非調諧運用狀態(tài)下的特例，其結構和設計條件僅適合用為固定頻率上的濾波器。
兩者在用途和性能，結構和設計條件，以及諸關系式等方面都是很不相同的。
以下結合附圖的理論模型對原理做詳細說明。在理論模型中以(-K)標注于基本放大器中，借以標志負反饋型均Q調諧RC諧振放大器的技術特征。放大器的實際結構則在實施中給出。
圖1Q是電阻負反饋原型電路，設取C1＝C1′+C2″，U1′＝U1(C1″)/(C1) ，且認定增益K是按條件確定的某一數值，放大器本身帶有反饋，并非開環(huán)運用，則可寫出U2＝(－k) (U11·jωR1C1+U2)/(jωR1C2+(1+jωR1C1)(1+jωR2C2))整理可得(U2)/(U11) = ((-K)·jωR1C1)/((1+K)-ω2R1C1R2C2+jω(R1C1+R1C2+R2C2))=(-K)1+c2c1+R2C2R1C1+j(ω R2C2-1+Kω R1C1)]]>令k＝U2/U1，則得k=k011+jQ(ωω0-ω0ω)]]>(1)式(1)是標準的諧振放大器特性。其中ωo=1+KR1C1R2C2]]>(2)ko= (-K)/(1+K) · (C1〃)/(C1) Q (R1C1)/(R2C2) (3)Q=1+KR2C2R1C11+C2C1+C2R2C1R1]]>(4)
先看統(tǒng)調特性。設由雙聯電位器統(tǒng)調R2/R1，若能保持比值不變，則Q不變。但總有統(tǒng)調誤差△R/R，因而有Q值變化△Q/Q，代入式(4)，得ΔQQ=(12-11+C2C1+C2R2C1R1C2R2C1R1)ΔRR]]>-［18-(11+C2C1+C2R2C1R1C2R2C1R1)2］(ΔRR)2]]>令一次項為0，略去高階小，則有最佳均Q調諧條件為(C2R2)/(C1R1) =1+ (C2)/(C1) (5)此時Q為極大，即Qo=121+K1+C2C1]]>(6)若取C2＜＜C1，R2＞＞R1，或當增益(-K)由多級構成而用其中一級使兩RC節(jié)相隔離時，兩RC節(jié)間的附加衰減可以略去，則最佳條件和極值Q為C2R2＝C1R1(5′)Qo=12K+1]]>(6')當滿足條件(5)時，(ΔQ)/(Qo) ＝ 1/8 ( (△R)/(R) )2(7)
式(7)是最佳的可能，在實際的統(tǒng)調誤差范圍內Q為一恒定值，不受統(tǒng)調誤差的影響。當單調一個電阻時，可以看作是在中心頻率fc＝fmax·fmin]]>上統(tǒng)調誤差為0，滿足式(5)，則Q值受調諧的影響為最少，并且是對fc對稱的。設在fc有Rc，則在波段兩端有Rmax＝λRc和Rmin＝Rc/λ其中λ＝fmax/fmin。代入式(4)，得Qm=2Q·λ1+λ]]>(8)波段兩端的極限Q差為
若波段中心為fc，則在f上的Q值為
Q(f)曲線如圖8，其均勻度是最佳的可能。
對圖1b，看作R1＝R1′‖R1″，輸入衰減為U1′＝U1，R1/R1′反饋信號衰減為U3′＝U2·R1′/R1″，且令K′＝K (R1)/(R1″) 可得傳輸函數為
Q=1+K′·C2R2C1R11+C2C1+C2R2C1R1(14)]]>若取R1′＞＞R1″，則k′＝K，兩種耦合方式的Q和ω0相同。比較式(14)與式(4)可知其最佳均Q調諧的條件仍為式(5)。
注意到(ω0/jω)乃是一個理想的積分因子，它把信號轉移了90°，使幅值與頻率成反比，完成了沒有誤差的積分。因此，可以把圖1b的電路稱之為積分型的最佳均Q調諧RC諧振放大器，與之對應地可把圖1a稱為標準型的，以指明它的傳輸函數具有典型的諧振放大器特性。
還將導出帶有理想微分因子的傳輸函數，因此必須把它們區(qū)別開來，把這些電路分別叫做積分型的，微分型的和標準型的。
均Q調諧RC諧振放大器與有源RC濾波器都是二階RC反饋放大器，但兩者是根本不同的。不僅用途和性能不同，而且結構、概念、關系式也都不同。在濾波器中主要作為一種固定設施，講求它的幅頻通過特性，稱之為低通、高通和帶通。本發(fā)明不適合使用這些名稱，理由是第一，我們是諧振放大器，是在高Q工作的，沒有低通、高通和帶通的特性，都是選通，正是因為這種原因，雙T負反饋電路才不叫做全通;第二，我們將特別重視這些理想的積分因子、微分因子在電路設計中的運用，這些因子(特別是積分因子)在環(huán)路設計和信號處理中是重要的技術特征。
例如，在振動測量中常使用加速度傳感器，給信號引進了兩個微分因子，必須用兩個積分級來校正。在此情況下使用積分型電路的優(yōu)點就極為突出。在鑒相環(huán)路中用它兼做積分，更非低通。
圖2a、b是圖1a、b的變型。C2接輸出端，使C2的有效值增為其元件值的(K+1)倍。由此代入以上各式即得圖2a、b的各式。
對圖2、a有ωo=1R1C1R2C2]]>(15)ko=-K1+K·C1″C1·QR1C1R2C2]]>(16)最佳條件(C2R2)/(C1R1) = 1/(K+1) + (C2)/(C1) (17)Qo=12·1+K1+C2C1(1+K)]]>(18)在式(15)中ω0與K無關，這是C2接通反饋的優(yōu)點。但要獲得均Q調諧特性就必須使K滿足式(17)，這種接法就失去意義，且可能產生C2過小的實際困難。若能滿足C2＜＜C1/(1+K)，則，R2C2(1+K)＝R1C1(19)Qo=121+K]]>對圖2、b，傳輸函數同(11)式，是積分型的。k
式同(13)式，ω
為
在條件式(17)、Q
式(18)中以K′=K (R1)/(R2″) ，即可用為圖2、b的式。
圖3a是電容負反饋原型電路。設取R＝R1′‖R1″，可寫出(U2)/(U1) =(-K)· (R1)/(R1) · (jωR2C2)/(1-ω2R1C1R2C2(1+K)+jω(R1C1+R1C2+R2C2))整理可得K=Ko11+jQ(ωωo-ωoω)]]>其中
Q=1+K,R1C1R2C21+R1R2+R1C1R2C2]]>(24)最佳均Q調諧條件為(C1R1)/(C2R2) =1+ (R1)/(R2) (25)此時，Qo=12(1+K)/(1+R1R2)]]>(26)
應取C2＜＜C1，R2＞＞R1，則條件為C1R1＝C2R2(27)Qo=12K+1]]>(28)對于圖3，b電路，其傳輸函數帶有微分因子，電路是微分型的
令C1＝C1′+C1″，K′= (C1″)/(C1) K，有ωo=1R1R2C1C2(1+K＇)]]>(30)K0=- (C1′)/(C1) Q (31)取C2＜＜C1，C1＜＜C1，則最佳條件及Q式與(27)、(28)相同。
圖4電路是圖3電路的變形，R2接反饋的結果，使它的等效阻值降為元件值的1/(1+K)，從而使ω0式中消去了K的影響。這當放大器為開環(huán)運用時是必要的，但在我們的電路中K值受Q值和均Q調諧條件的要求而為一確定值，此種接法并非必需，并有不利之處，要使R2滿足最佳均Q調諧條件是有困難的。
由式(25)，令R2→R2/(1+K)，則條件為(C1R1)/(C2R2) = 1/(1+K) - (R1)/(R2) (32)其他各式均可按此代換法得到。
圖5是兩種正反饋電路的原型，分別是積分型和微分型，改變其入端接法，也可以得到標準型。
對圖5a電路，設同相放大器增益為K，可以寫出
其中，ωo=1/R1C1R2C2]]>， (34)Q=R2C2R1C11-K+C2C1+R2C2R1C1]]>(35)最佳均Q調諧條件為(R2C2)/(R1C1) =1-K+ (C2)/(C1) (36)此時Q=12·11-K+C2C1]]>(37)(R2C2)/(R1C1) = 1/(4Q02) (38)K=1+ (C2)/(C1) - 1/(4Q02) (39)現在來進行穩(wěn)定性分析，說明它不宜用為諧振放大器的原因，或應特別注意的問題。
由式(35)，令K→(K+△K)，則Q→(Q+△Q)，化簡可得ΔQQ=［Q(1+C2C1)R1C1R2C2+QR2C2R1C1-1］ΔKK]]>(40)
若按條件式(36)，則有(△Q)/(Qo) =[2(1+ (C2)/(C1) )Q02- 1/2 ] (△K)/(K) (41)由式(35)，使K→K+△Km，則Q→∞，發(fā)生自激，△Km= 1/(2Q02) (42)ΔKmK=12(1+C2C1)Q02-12]]>(43)由式(42)、(43)可知，Q值高時，穩(wěn)定性是必須嚴加注意的問題。
由式(40)可得最佳穩(wěn)定性條件為(R2C2)/(R1C1) =1+ (C2)/(C1) (44)這時(ΔQ)/(Q) =[2Q(1+ (C2)/(C1) )-1] (ΔK)/(K) (45)比較式(44)與式(38)可見，兩種條件是完全不同的。
可以證明，以上分析對于圖5、b及文氏橋電路都適用，即正反饋二階RC電路的最佳均Q調諧條件與自激條件的K值之差，僅為1/2Q2O，當按穩(wěn)定性的要求設計時就遠離了均Q調諧的要求。
圖5b電路的最佳均Q調諧條件為R2C2＝4Q2R1C1(46)觀察圖5a和b，并比較式(46)和(38)，可以看出其共同點是兩移相節(jié)中由電容聯通、電阻旁路的節(jié)之RC值為電阻聯通、電容旁路的節(jié)之RC值的4Q20倍。
圖6是圖1的實施例，圖7是圖3a的實施例。圖中放大器帶有反饋電阻R3、R4和提高輸入阻抗的場效應管G1，G1所需的偏置，在圖6中由R5、R1m分壓提供，在圖7中由R5、R6分壓提供。在“鑒相調諧參差諧振濾波測量電路”和“鎖相諧振自動捕捉跟蹤濾波技術”中使用了這兩種電路，它們是這兩項發(fā)明得以實現的基礎。
歸結地說，本發(fā)明所說的均Q調諧特性就是式(7)、(8)、(9)(10)所表述的特性統(tǒng)調誤差不影響Q值，單調一個RC節(jié)的電阻時Q值有最佳可能的均勻度。電路的結構和設計條件可分為兩類。
負反饋型的電路是由帶有確定其增益的負反饋和高阻抗輸入級組成的反相放大器和含有兩個同向移相RC節(jié)的反饋環(huán)路組成的，當環(huán)路由電阻聯通、電容旁路時諧振頻率為兩節(jié)RC自然頻率之1+K]]>倍，適于用較大的元件參數實現較高的諧振頻率。當環(huán)路由電容聯通、電阻旁路時諧振頻率降低為自然頻率的1/1+K]]>，適于用較小的元件參數實現較低的頻率。前者改變輸入耦合方式，可以得到標準型的和帶積分因子的兩種特性，后者改變輸入接法可以得到標準型的和帶微分因子的兩種特性。兩節(jié)RC值之比取決于最佳均Q調諧條件，在此條件下增益決定于Q值。當R2＞＞R1及當兩節(jié)RC有隔離時，負反饋型電路的均Q調諧條件均可歸結為兩節(jié)RC值相等，及K＝4Q20顯然，在有源RC濾波器中的所謂多路負反饋電路只是我們這些電路中的簡化特例。第二RC節(jié)的旁路元件接通反饋，只是使這元件的等效參數改變了(K+1)倍。
正反饋型的電路也可以導出類似的各種變形接法。它是由同相放大器和含有兩個反向移相RC節(jié)的反饋環(huán)路組成的。均Q調諧條件均可歸結為由電容聯通、電阻旁路的節(jié)之RC值為電阻聯通、電容旁路的節(jié)之RC值的4Q20倍。
以上，從圖1a開始，我們都只按輸入信號以不同方式耦合到第一RC節(jié)而說明其特性的兩種類型。實際上若從第二RC節(jié)輸入，也還有變化。例如，圖1a電路輸入信號經電容耦合到C2二端時是微分型的，圖3a電路輸入信號經電阻耦合到R2上端時是積分型的，等等。它們都會在諧振頻率上產生一個附加相移△φ0，tg△φ0＝ 1/(2Q2) ，在高Q運用下這附加相移很小，可以忽略。因此，在鎖相諧振自動捕捉跟蹤濾波電路的設計中當考慮對信號處理的需要時可以用它。
每一種原型電路，改變其輸入信號的耦合方式和耦合點，均可獲得標準型的、積分型的、和微分型的三種特性。
權利要求
1.均Q調諧負反饋RC諧振放大器電路是由反相放大器和含有兩個同向移相RC節(jié)的反饋環(huán)路組成的，其特征是反相放大器帶有確定其增益的負反饋和高阻抗輸入級，增益是Q所要求的確定值，兩節(jié)RC值之比是最佳均Q調諧條件所要求的確定值，當兩RC節(jié)間有隔離級或當沿反饋環(huán)路自輸出端算起的第二RC的電阻遠大于第一RC節(jié)的電阻時，增益K=4Q2，兩節(jié)RC之值相等。
2.由權利要求
1所述的負反饋諧振放大器電路，沿反饋環(huán)路由電阻聯通、電容旁路，其特征是第二RC節(jié)電容接地，諧振頻率為兩RC節(jié)的自然頻率的K+1]]>倍，當第二RC節(jié)電容接(-K)放大器的輸出端時，諧振頻率和最佳均Q調諧條件均按該電容的等效值即元件值的(K+1)倍計算。
3.由權利要求
1所述的負反饋諧振放大器電路，沿反饋環(huán)路由電容聯通、電阻旁路，其特征是第二RC節(jié)電阻接地，諧振頻率為兩RC節(jié)自然頻率的1/K+1]]>，當第二RC節(jié)的電阻接(-K)放大器輸出端時，諧振頻率和最佳均Q調諧條件均按該電阻的有效值即元件值的1/(K+1)計算。
4.均Q調諧正反饋RC諧振放大器是由同相放大器和含有兩個反向移相RC節(jié)的反饋環(huán)路組成的，其特征是由電容聯通、電阻旁路的節(jié)之RC值為電阻聯通電容旁路的節(jié)之RC值的4Q2倍。
專利摘要
一種均Q調諧RC諧振放大器，它是按特定條件設計的二階RC反饋放大器，具有在寬波段上保持最佳Q均勻度的特性用雙聯電位器可在寬波段上等Q調諧，統(tǒng)調誤差無影響；單調一個阻值時波段內Q值均勻，兩端的極限Q差是一個不大的百分數。電路特性共有三種標準諧振電路型的、兼帶積分因子的和兼帶微分因子的。這給信號處理和環(huán)路設計帶來了方便和利益。
文檔編號H03F1/00GK86101843SQ86101843
公開日1987年2月11日 申請日期1986年3月17日
發(fā)明者王經一 申請人:王經一導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan