基于CFOA的发电机振动系统的非线性畸变

摘要

近年来，出现了许多关于电正弦信号发生器的振荡系统分析的文章，其中的放大器称为cfoa电流反馈运算放大器。一般情况下，对这类系统的分析是采用基于放大器线性模型的数学建模方法进行的，这种方法不允许估计用这些放大器实现的系统与经典系统相比的优缺点。介绍了一种电流反馈运算放大器的非线性模型;“电流镜”的非线性以电流双限幅的形式反映出来。利用该非线性模型对两个已知的振动系统进行了分析。得到了限流电平、输出电压幅值和最大振荡频率之间的关系。与传统振荡系统相比，电容负载电流输出连接下的输出限流大大减小了频率范围和输出电压幅值，增加了谐波畸变。研究发现，新放大器的应用并没有给带CFOA的振荡系统带来相当大的优势。

1.介绍

上世纪末，在电子元器件市场上出现了一种新型的单片运算放大器。与传统运算放大器相比，它的特点是低输入电阻的反相输入，高输出电阻的附加输出，频率范围的扩展，以及非常快的大信号响应。这种放大器被称为电流反馈运算放大器(CFOA)。通常，这些放大器在异质对称p-n-p和n-p-n晶体管上使用互补双极技术。

许多公司已经发展了这种放大器的生产。放大器的例子如下广告844年,OPA622年,和其他人。有关新放大器电路技术的描述载于制造公司的材料内[1，2］．有详细的描述广告844放大器(Rybin [3.])。当然，这种放大器引起了电子设备开发人员的极大兴趣，例如电信号发生器的振荡系统(OSs)。给出了正弦振荡的OS的不同变体(Abuelma ' atti [4，5， Abuelma ' atti和Al-Shahrani [6],苏莱曼[7，8， Martínez等[9]。)在那里，人们可以找到振荡激励条件的分析和建立(Abuelma ' atti [4)，他们的优点和缺点。然而，分析是在CFOA的线性模型的基础上进行的，所以它的用途有限，不允许透露所有的优点和缺点。

考虑到OS是任何电信号发生器的基础，它激发并建立了周期振荡，OS决定了它们的形式和基本参数，笔者尝试基于以两个OS为例的CFOA非线性模型对OS进行分析。

2.电流反馈运算放大器

数字1给出了CFOA放大器的非线性等效电路广告844型。电路由两个电压跟随器组成达1,达2、电流控制的电流供应按“电流镜”(CM)电路做，模仿惯性的rc电路，和双输出限压器。一个放大器输入不逆变，高输入电阻(电位输入);另一个是否具有低输入电阻的电流逆变．为了表示不同的输入电阻，电路中包含电压跟随器达1.众所周知，这种放大器的特殊特性是它的两个输出:“电流”输出和“潜在”输出．通常的潜在输出是在跟随者做的吗达2 .输出经过二极管上的输出限压器VD1,VD2带电压源E1,E2.电流输出输出电阻高Ri。重要的是，电路有CM(电流镜)块显示的电流限制器。输出电流由于在电路中使用了“电流镜”，等于反相输入的输入电流，但它受最大电流的限制= {如果；如果；如果}。这使得该电路不同于其他已知的CFOA模型(托马斯H.李)．

电流和电压的限制使等效电路变成一个带有分段线性元件的非线性电路。同时在放大区形成了线性放大和限制。这允许分析振荡器中振荡的激发条件。当激励过程发生在特征线性区域时，利用约束条件确定最大振幅及其与振荡频率的关系。

数字2给出了具有电位(3)和电流(2)输入和电位(6)和电流(5)输出的放大器的表示。

在构建操作系统时，可以在所有已知的操作系统中使用这种新型放大器来代替VFOA -电压反馈运算放大器CFOA。电路分析可以用已知的方法进行。有趣的是，那些操作系统只能用CFOA实现，而不能用普通放大器重复。

3.基于CFOA的振动系统分析

数字3.演示了带有一个放大器的OS发生器电路的第一个示例。具体来说,图3(一个)显示了一个已知的操作系统电路与Wien-Robinson桥与放大器与电位反馈VFOA；数字3 (b)显示新的操作系统[4，9］．可以看到，新电路使用“电流输出”连接微电路的输出5。还可以观察到，电路中含有不同数量的无源元件。经典电路有6个，而新电路只有4个。当然，两个电阻器的差异并不是至关重要的。重点是不同的。为了改变振荡频率，通常使用两个或甚至四个可调元件(两个电阻和/或两个电容器)，例如，双连续可调电容器或双电位器。一个或两个电容器应与共线隔离。但机械电容可调的连续可调电容器体积大，杂散电容高，对发电条件和振荡频率影响很大，特别是在低电容情况下。这个缺点同样适用于也用于改变频率的机械式电位器。 In the new circuit both capacitors/potentiometers can be connected with each other by one of the outputs with common wire, and that could simplify their manufacture and application considerably.

让我们分析如图所示的操作系统3 (b)估计正弦振荡产生的条件。基于这个目标，我们提出了具有理想CFOA的OS方程集:在哪里．

用电流和从第一个和第二个方程到第四个方程，再看第三个方程，我们得到．代入电路电阻后，建立了OS特性方程

对得到的方程进行分析，得到相位和幅度平衡(巴克豪森准则)实现的条件:

第二个条件，振幅平衡，与[4］．所以它满足于和．我们可以看到，振荡频率和振幅平衡都依赖于相同的元素:，，,．因此，振荡频率和振幅之间是有联系的。在这种情况下，振荡将不是等时的，因为元素参数不稳定将伴随着振荡振幅和频率的同时变化。

在如图所示的增强OS中，可以消除频率对振荡幅值的依赖性，同时采用参数相等的频率驱动元件4．

经过类似图中电路的变换3 (b)得到OS特征方程

从中我们找到了振幅和相位平衡的条件:

该电路满足了电势振荡产生的条件,．那么，振荡频率等于．很明显，那个电路应该是一个放大倍数为2的有源电路放大器。带有这些参数的操作系统如图所示4 (b)．它的优点是由频率驱动元件等参数的元件组成。它的幅值平衡，与相位平衡无关，是由附加电阻的电阻提供的和，两者之间的相关性应满足在静止模式。该电路与图中操作系统电路相比的优点3 (b)事实上，它的振荡是等时的，因为受振荡振幅的控制而不改变它的频率。

有趣的是两个集成商的操作系统，每个都是用CFOA实现的[4］．数字5举例说明了一个具有两个积分器的操作系统:经典电路和新电路。为了正确比较电路，两种电路都是用CFOA实现的．第一个电路的幅相平衡条件是已知的。根据用放大器实现的两个频率相关有源元件的传递函数，第二电路的条件也不难确定达1,达2：

因此，在此电路中有源线性频率相关元件，第一(下))和第二种是集成商。OS特性方程和幅相平衡方程为

系统中的振幅平衡是在电阻相等的情况下实现的和，而相位平衡，因此，频率在这个电路不依赖于电阻．这样就可以在不改变电阻的情况下控制振荡幅度．同时，改变电阻，可以在不改变振幅的情况下控制振荡频率，但在复杂的规律下，频率的改变取决于电阻的电阻。因此，该电路提供了控制振荡激励和频率变化的条件的可能性，借助连接在公共电线的电阻。

让我们比较一下操作系统实现其潜在资源的情况。

本质上，这些方案使用不同类型的反馈。电路如图所示5(一个)在每个放大器的外部电压负反馈应用于输出一个输入，图中5 (b)输入电流反馈．众所周知，输入在CFOA中，放大器与输入晶体管的p-n-p和n-p-n发射器连接在电路内部。在后一种情况下，在连接到发射器的任何电阻上都出现电流反馈。

电路5b具有较少的有源和无源元件。它只需要两个放大器和五个无源元件，但重要的是要考虑到，在今天制造工业发电机时，单片形式的一个放大器和2 - 3个无源元件的区别是不重要的。此外，在电路5a中，附加的放大器使它可以多得到一个输出。

更重要的是对非线性失真程度的操作系统比较。低非线性失真水平近似输出电压为正弦形式。正是输出电压的正弦波形成为制造正弦振荡发生器的目标。在第一个电路中，可以通过以下几个因素来减少非线性失真:(我)从输出引入外部电压反馈输入；(2)无同相失真，因为与新电路相比，放大器的输入信号相当低，而新电路中两个放大器的输入电压都是同模电压等于输出电压，可能会造成失真;CFOA型放大器共模抑制比较低;(3)减少输入和输出电压跟随器畸变的影响，因为它们被局部和共同的负反馈所覆盖。重点在于，在通常的带有电位反馈的放大器结构中，跟随器是输出级，因此在第一经典电路中，外部反馈有效地降低了跟随器的畸变对输出电压畸变的影响;在新电路中，CFOA结构中的电压跟随器处于正反馈电路中，不抑制其畸变。

为了支持这一说法，进行了一项实验，测量了发电机-输出积分器的主块的高谐波率。用于实验放大器广告放大器选用电源电压±10 V的844型，电阻为20 kΩ，电容为32.85 nF。测量频率为200 Hz，输出电压幅值为5 V。实验中使用发生器GS-50 (THD <−120 dB)和抑制频率为200hz的滤波器。实验结果如表所示1．

从Table可以看出1，经典积分器具有明显的谐波率级优势。它的扭曲度是14⋯30 dB更少。

在公司制造商的材料中提到的带有CFOA的操作系统的另一个重要优势是它更好的频率质量。这些放大器，当使用电位输出(图中的输出61)，具有广泛的放大频率范围(可达60 MHz)。让我们看看是否可以利用当前输出实现OS的这一优势。

要应用具有电流输出(输出5)的CFOA，重要的是要知道其输出负载能力。放大器的制造商[1]证明最大输入电流为反相输入不大于5毫安。输出的最大电流也是一样的．实验测量输出的最大输出电流当电流的信号极限出现时，给出以下值:在电源电压±10 V和在±15 V。当连接到外部元素的输出电流时，其中的电流恰好受到这些最大值的限制。在给定频率下，对电流的限制导致对积分器输出电压的电位幅值的限制。让我们计算积分器输出电压幅值与振荡频率的关系。这些值之间的关系与振荡正弦形式的一瞥是由已知的方程．该公式连接了最大电流值、积分器输出电压幅值、频率和电容器的电容。

积分器电容的最小值不能小于输出电容(穿容)，即对于放大器AD844不能小于4.5 pF。这种容量总是存在的，并将决定发电机输出振荡频率的误差。

我们用这个公式来估计在积分器电路中是否可以实现放大器的电位频率特性。根据制造商[1在20 MHz频率下，可以得到20 V的峰值电压。对于正弦波形，此电压对应于双输出电压幅值，即等于10 V。将这些值代入最后一个公式，用公式估计在此频率和电压幅值下积分器电容的电位值．积分器电容的值等于5.6 pF。该值对于频率驱动电容来说太小，可以与电流输出(4.5 pF)的输出杂散电容比较，不能视为积分器电容。

实际电位值的选择应在振荡频率允许误差为1的范围内进行⋯2%，即500pf的极限。当把振荡振幅也降低到5 V的水平时，可以说最大振荡频率只有200 kHz左右。因此，在输出振荡幅值约为5 V时，在输出电流为CFOA的操作系统的限制下，不可能实现放大器的最大频率特性。也许由于这个原因，在1兆赫以上频率的振荡振幅[10，11小于1v p-p。

数字6在图中显示依赖关系。利用这些图和知道积分器电容的值，可以很容易地估计出输出电压幅值的最大值。

因此，两种积分器的OS基本参数比较如表所示2．

CFOA的作者提到的操作系统电路的主要优势3.，4，6]是连接RC的可能性-由普通导线控制频率和振荡幅度的元件。这当然是一个重要的优势，但它不是至关重要的今天，因为笨重的机械双电容器和电位器的频率改变的时代已经过去。现在的频率是通过D/A变换器和电容的电子变换来控制的，这个问题并不那么紧迫。

4.结论

在振荡器系统中使用电流反馈运算放大器而不是电位反馈放大器导致(我)谐波失真的增加，(2)在等振幅下产生的频率范围的减小。

因此，使用CFOA的电信号发生器的振荡系统并没有明显的优势，在谐波水平和频率特性上甚至屈服于已知的传统放大器的振荡系统。

参考文献

1. 模拟设备:60 MHz, 2000 V/μs monolic Op Amp AD844, 2012，http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD844.pdf．
2. Burr-Brown:宽频带运算放大器OPA622, 2012，http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa622.pdf．
3. 余。k . Rybin模拟信号处理用电子装置，施普林格，Dordrecht，荷兰，2011。
4. M. T. Abuelma' atti，“一类基于cfoa的正弦RC振荡器的识别”，模拟集成电路与信号处理，第65卷，第5期3，页419-428,2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. M. T. Abuelma'atti，“新的两个基于cfoa的带缓冲出口的正弦RC振荡器”，模拟集成电路与信号处理第66期3, pp. 475-482, 2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. M. T. Abuelma'atti和S. M. Al-Shahrani，“基于cfoa的新型正弦振荡器”，国际电子学杂志第85卷第1期4、1998年。视图:谷歌学者
7. A. M. Soliman，“电流反馈运算放大器的应用”，模拟集成电路与信号处理，第11卷，第5期。3，页265-302,1996。视图:谷歌学者
8. A. M. Soliman，“基于电流反馈运算放大器的振荡器”，模拟集成电路与信号处理，第23卷，第2期。1，第45-55页，2000。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. P. A. Martínez, S. Celma，和I. Gutiérrez，“使用CCII的wien型振荡器⁺”,模拟集成电路与信号处理，第7卷，第5期2，第139-147页，1995。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. A. M. Soliman，“利用节点导纳矩阵展开生成基于电流输送的振荡器”，模拟集成电路与信号处理，第65卷，第5期1，页43-59,2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. D. K. Srivastava和V. K. Singh，“使用单一CFOA的单电容控制振荡器”，发表于国际电路、系统与仿真会议论文集(IPCSIT’11)， vol. 7, IACSIT出版社，2011。视图:谷歌学者

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