一种结构新颖的数模结合三相正弦波发生器设计

高增益运算放大器的设计

运放在闭环工作状态，该运放工作时正相端接地，反相端接反馈电阻形成负反馈连接。在理想情况下，认为运放增益Av无穷大，实际工作时还要加以考虑。由于运放正负相端在低频输入条件下的阻抗非常大，可以当作输入端虚断，可知i-≈i+=0。工作时电流I通过反馈电阻，由于负反馈机制，负向输入端被嵌位至零电平，输出为输出电压Vout=IRf，这样就实现了电流到电压的转换，即I-V转换。

对运放实际增益加以考虑，则有：



若要Vout≡IRf，则要求Av无穷大。可根据实际精度要求，在1KHz以下，要求绝对误
差：



令|IRf |=5V，解得Av≥9999。即201ogAv≥201og9999=80dB。

所以，要满足输出误差小于0.5mV的精度要求，就必须对运放Av，有最低增益要求。本设计要求运放在输出正弦波1KHz内的低频段内，要保证直流开环增益Av≥80dB，另外，还要保证运放在闭环工作的稳定性。这里使用输入级为N沟道输入折叠式共源共栅的两级CMOS运算放大器。该电路输入级采用N沟道差分输入的折叠式输入级，输出采用电流源负载的共源放大级。

使用Pspice仿真软件对运放进行交流信号AC扫描，仿真结果显示该运放的单位增益带宽为21.4MHz，对应相位裕度为91°。在1KHz处的增益为87.3dB，2.3KHz处的增益为80dB。显然，该电路满足在1KHz以下对放大器的增益和工作稳定性的设计要求。此外，每相运放反馈电阻要满足Raf=Rbf=Rcf，阻值范围根据实际工作而定。

三相30阶梯正弦波低通滤波前后输出波形仿真结果

在使用正负电源的情况下，利用灌电流和拉电流的镜像电流源序列实现直流电平为零的正弦波。经过I-V转换，就可以使该正弦波的直流电平为零，无需对正弦输出进行电平位移，具有很好的对称性。如图3所示，该波形是输入时钟频率为6KHz、输出为200Hz三相正弦阶梯波及低通滤波后的输出波形：上栏中为三相30阶梯正弦波OutA、OutB、OutC，其中，Sine为正弦参考波形，下栏为30阶梯波低通滤波后的三相正弦波SinA、SinB、SinC。



对比可以看出，30阶梯正弦波信号在开关切换瞬间有直流尖峰脉冲，即高频毛刺，因为开关导通和关断不是理想的开关状态，即开关导通和关断时刻，导通内阻发生变化。因为该脉冲信号很窄，频率高，所以也可以通过低通滤波器对波形的高频信号加以滤除。图3下栏即为该信号通过低通滤波后的正弦波。由于低通滤波器的存在，虽然高频信号被滤除，但是幅值和频率都会平移，所以，在获得高质量的三相正弦波时需要注意。

结语

本文提出了数模结合的低失真三相30阶梯正弦波发生器电路。该电路结构新颖，适合单片集成。该设计使用Spice仿真软件，采用骊山微电子公司的3μm模型参数对电路进行模拟仿真，设计出1KHz以下低频范围内零电平、高精度、低失真的三相阶梯波正弦波发生器，仿真结果显示达到了预期的设计要求。