相敏检波器

模块三传感器原理及检测实训相敏检波器浙江经济职业技术学院徐文3.7.1相敏检波器概述3.7.2预备知识一——运算放大器的应用：零电压比较器3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关3.7.4相敏检波器实验电路分析返回首页3.7相敏检波器返回首页3.7.1相敏检波器概述在化学、物理、生物、医学、天文、通信及电子技术等领域中都涉及到对微弱信号的检测。为了提高测量准确度,就得设法抑制噪声,对被噪声覆盖的弱信息进行提取、测量。对于微弱的频域信号,较为理想的检测方法就是相关检测。相关检测系统原理框图如下图所示。返回首页3.7.1相敏检波器概述信号通道把输入的被测信号选频放大(初步滤除噪声)后,输给相敏检波器的一端;参考通道在参考信号的触发下,输出相位可调的、与输入信号同频的占空比1∶1的方波;相敏检波器比较两路信号后输出直流信号;直流放大器经低通滤波和进一步放大后输出直流信号,其幅度与两路输入信号幅度和它们的相位差成比例。相敏检波器是相关检测的核心部件,它决定了测试系统的准确度以及弱信号检测水平。1、系统工作原理返回首页3.7.1相敏检波器概述抑制噪声;实现对正弦信号或调幅信号进行幅值和相位的检测。2、系统的作用返回首页3.7.1相敏检波器概述移相器、相敏检波器电路模块的面板布局如图所示：3、实验系统的构成返回首页3.7.1相敏检波器概述一移相器改变输入信号的相位并输出。一个输入端口一个输出端口一个相位差调节旋钮返回首页3.7.1相敏检波器概述二低通滤波器通过低频信号，抑制高频信号一个输入端口一个输出端口返回首页3.7.1相敏检波器概述三相敏检波检波VI：信号输入端；AC：交流参考信号输入端；DC：直流参考信号输入端；VO：信号输出端D两侧的两个端子用来观察参考信号在电路内部被转换成矩形波的情况。返回首页3.7.1相敏检波器概述三相敏检波输出效果当参考电压为正时，相敏检波器的输入与输出信号同相；当参考电压为负时，相敏检波器输入与输出信号反相。1.以直流电压为参考信号接DC返回首页3.7.1相敏检波器概述三相敏检波（1）条件相敏检波输入Vi为交流信号；AC参考信号VAC为Vi或与之有相位差的交流信号（2）输出效果若Vi和VAC同相，则相敏检波模块输出为正极性的整流信号；经低通滤波器接直流电压表可以指示正极性的最大值。反之则输出负极性的整流波形，经低通滤波器接直流电压表可以指示负极性的最大值。该模块的旋钮可以使整流效果在半波和全波整流之间转变，即输出直流电压可以逐步从半波整流值增大到全波整流值。2.以交流信号为参考信号接AC返回首页3.7.1相敏检波器概述三相敏检波（3）用途将交流信号转换成直流用直流电压表获取其量值信息。适用于传感器测量系统中没有设置交流测量功能模块的情况。直流电压表的正负可以反映输入电压和参考电压的相位关系。适用于传感器测量中其可动部分从中间点向两侧移动不同方向对应反相相位信号的情况。返回首页3.7.1相敏检波器概述三相敏检波以交流信号为参考信号的特殊情况；条件相敏检波模块的输入为调幅波；参考信号为调幅波的载波；在调制信号的正半周，调幅波与载波同相；在负半周，调幅波与载波反相。输出效果在调制信号的正半周，输出正极性的半波~全波整流信号。在调制信号的负半周，输出负极性的半波~全波整流信号。3.以调幅波的载波为交流参考信号返回首页3.7.1相敏检波器概述三相敏检波3.以调幅波的载波为交流参考信号（1）载波（2）调制信号（3）调幅波（4）相敏检波输出（5）低通滤波器输出返回首页3.7.2预备知识一——运算放大器的应用：零电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。运放工作在开环状态或引入正反馈。返回首页3.7.2预备知识一——运算放大器的应用：零电压比较器理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Uo(sat)或–Uo(sat)当u+u－时，uo=+Uo(sat)u+u－时，uo=–Uo(sat)不存在“虚短”现象2.i+=i－0仍存在“虚断”现象电压传输特性uou+–u––Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区返回首页3.7.2预备知识一——运算放大器的应用：零电压比较器过零电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)O返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号#符号中的箭头方向表示什么？返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关(b)DSGP型沟道NNDGS(a)DSGN型沟道PPDGS图3.7.1结型场效应管的结构示意图及其表示符号(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET一、结型场效应管的结构及工作原理返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P++型区，形成两个PN结，将两个P++区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG≈0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的UGS下，ID变小；反之，|UGS|变小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0NDGS(a)PPUDSID＝IDSS(最大)图3.7.2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关DS(b)PPUDSID减小UGS(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0图3.7.2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关DS(c)PPUDSUGSID＝0(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0图3.7.2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断UGS（off）返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关二、结型场效应管的特性曲线1、转移特性曲线转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即CuGSDDSufi)((1)理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即2)1(GSoffGSDSSDUuIi(2)返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。转移特性曲线如后图3.7.3(a)所示。为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关图3.7.3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区－2V－1.5V－1VUDS＝UGS－UGSoff515流区击穿区UGS＝0V(b)UGSoff－0.5V图3.7.3JFET的转移特性曲线和(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关2、输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图3.7.3(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关(2)UGS固定，uDS增大，iD增大极小。说明在恒流区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当|uDS-uGS||UGSoff|(3)时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图3.7.4(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关2.可变电阻区当uDS很小，|uDS-uGS||UGSoff|时，即预夹断前(如图3.7.4(a)所示)，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大，iD增大很快。与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻变大。如图3.7.3(b)所示。返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关DGS(a)UDSID＞0UGSDGS(b)UDSUGS沟道局部夹断ID＝IDSSPPPP图3.7.4uDS返回首页3.7.3预备知识二——结型场效应管的应用：电子开关3.截止区当|UGS||UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关断开。4.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。3.7.4相敏检波器实验电路分析一、电路结构相敏检波器电路如图3.7.5所示。其中:A1为零电压比较器;D为检波二极管;3DJ7J为场效应管电子开关;A2为差动放大器,对信号进行放大与合成。A1、A2均采