实用电路设计讲座(2)Test Device电路

※限制过大输入信号的电压限制器(Limiter)

(特征：利用泛用OP增幅器制作)

图27是反相式限制器(Limiter)，本限制器会限制过大电压level的信号输出，使电压维持在一定范围内，藉此避免过大输入造成电路饱和，或是recover发生延迟，进而满足设计规格的输入电压。

图中的限制器电压取决于的Zener电压与顺向电压，若使用一般Zener二极管的话，限制器的电压大约是精度并不高；除此之外频率特性则受限于与Zener二极管两者并联容量，因此大约是左右。限制器未动作时会变成反相增幅器，此时gain则与两者的比几乎完全相同业。

图28是利用voltage follower制成的gain 1非反相式限制器，它的电压与频率特性与几乎与图27的电路相同，OP增幅器同样是使用泛用型增幅器。
　

※Through Rate可变的电路

(特征:可以控制电压信号的站立速度)

若以加速极大的信号控制机器人(robot)的马达(motor)时，不但动作不顺畅而且经常因驱动电路过大充电发生故障，甚至造成电池性能大幅降低等后果。图29是可以调整信号站立速度的Through Rate控制器，该控制器的Through Rate是由的顺向电压(约0.6V)，与的两者相乘算值(时定数)决定，的值越大，输出的变化率亦即Through Rate就越小。

虽然输出信号会归返(return)至的非反相输入端，不过它并不是错排(misprint)所造成，而是输出信号会在反相，所以即使非反相输入也会有归返动作。
　

※低频的正极性峰值检波器(Detector)

(特征:可以获得最大的hold特性)

图30是低频信号用峰值检波器(Detector)的电路，该电路可以hold输入信号最大值之后再输出，如果应用在A-D转换器(Converter)时，它可以忽略它的转换timing，同时还可以收集最大信号level的最大值。
虽然本电路的电荷会从泄漏(leak)，造成输出电压逐渐下跌，不过随着定数的设定，最大可以获得的hold特性。实际使用时基于gain 1动作时也不会振荡等要求，因此通常会将大容量hold用电容负载()与连接，除此之外可以改用低漏电的二极管(Diode)；为防止电荷会从泄漏(leak)，所以必需使用低gate漏电流的。
　

※可消除电源线噪讯的50/60Hz Notch Filter

(特征:利用高阻抗电路接收微弱信号)

医学用检体检测器(sensor)的信号源阻抗通常都非常高，利用阻抗电路接收这类微弱信号时，50~60HzAC线噪讯(line noise)极易渗漏至电路，与信号传输线路附近的AC导线，最后造成检测后果出现严重检测误差。

图31是可作点状(spot)去除50~60Hz频率信号的模拟滤波器(analog filter)电路。如果事先在A-D转换器(converter)前方设置可以去除线频率类的比滤波器，就可使微弱信号作相当程度的增幅，同时还可以获得A-D转换。相较之下噪讯很大时，数字滤波器的A-D转换器动态范围(dynamic range)，会转换成noise level，造成信号的数字转换值分解能大幅下降，而模拟滤波器就无这种困扰。
　

※小直流漂移(drift)的三次Butterworth LPF

(特征:可以解决OP增幅器的直流漂移问题)

图32的LPF可应用在检波器后段的平滑电路等领域，它的cut off特性分别是5Hz时为-3dB，50Hz时为-6dB，100Hz时为-78dB。图中的与输出，并未与line内流动的信号直流成份作直流结合，反而是利用截断直流成份，其结果是造成从OP增幅器的输出，无法维持直流漂移。

本电路的频率特性取决于六个组件；与与cut off无关属于固定值。欲变更cut off频率特性成为1kHz时，必需依照下列顺序计算：

①将E6系列的变更成。
②分别乘上23.5与22，获得与的结果。
③从E24系列中挑选误差为1%的电阻加以调配组合，藉此决定定数。

的阻抗值可从E24系列中挑选2个误差为1%的电阻加以组合决定，根据经验显示通常是以与10k两个电阻作串联连接比较适当。此外图中的电容全部都是误差为5%的皮膜电阻(film condenser)。由于OP增幅器的输出端会产生二倍输入交流信号振幅的交流电压，因此交流信号的最大输入电压，必需是OP增幅器IC最大输出电压的1/2。值得一提的是本电路的OP增幅器是使用等化即使是1，也能够稳定增幅的FET输入type增幅器。必需注意的是信号源阻抗(impedance)必需比低，负载必需比的值高。
　

※小直流漂移(drift)的五次Butterworth LPF

(特征:可获得急峻的特性衰减结果)

图32与图31的LPF都不会输出OP增幅器IC常有的直流漂移。虽然理论尚要求输出平坦性的场合，电容的容量误差必需低于1%，不过实际上只要从误差为5%的电容中挑选容量相同的电容，就可以获得相当程度得平坦性。
　

※频率可程序(programmable)的模拟滤波器

(特征:可利用数字数值改变频率)

图34是利数字数值的设定，构成频率可变的二次状态变量型主动滤波器(active filter)，由于它是利用A-D转换器构成数据收集系统，因此可以轻易改变滤波器的特性频率，此外它还可以利用的两频道(channel)12位multiple line D-A转换器与OP增幅器的与，获得类似频率设定电阻的效果。

本电路的频率设定范围为0Hz~12.25kHz，分解能为2.99Hz/1LSB ，最大频率为10kHz ，Q值为0.707，此时，频率设定分辨率，它的计算方式请参考图下方的式(1)与式(2)。

值的设定是以二次滤波器能使Butterworth显示反应为前提，不过利用DAC7800设定的并不会影响Q值，因此本电路的Butterworth的只有-3dB。虽然Low Pass Filter与Notch的穿透频宽Gain为1，不过Band Pass却高达-3dB；欲改变Q值时，可以利用图下方的式(3)计算。

当对象信号的频率很低时，可以降低Low Pass Filter的cut off频率，藉此提高S/N值，此外相较于频率轴上分布的nano band复数信号，本滤波器可以扫引band pass的，所以可以获得极高的S/N值。

由disk lead构成的状态变量型滤波器，它的电路相当复杂因此实际上并不普及，不过却可以从该电路的各增幅器输出节点，获得如图34中的四种滤波器，由此可知相对于CR定数的误差，由disk lead构成的状态变量型滤波器具有低偏离特性，亦即所谓的低组件感度优点。值得一提的是虽然决定频率的内部电容的容量误差低于0.5%，不过实际上DAC7800的分解析能对设定误差却具有支配性的影响。