关于移相电路

关于移相电路沈小丰在今年全国TI杯电赛和珞珈学院的电子设计竞赛中，移相电路是一个设计要点，题目要求采用模拟电路移相的方法。最简单的模拟电路移相是RC移相和LC移相，我们一般采用RC移相。如图1所示，我们可以用相量图来表示简单电路中输出电压和输入电压的相位关系，但值得注意的是：用相量图表示电路的相位时，我们已经假定了输入的是简单的正弦信号，而对于不同频率的正弦信号，相量图的表示并不相同，因此，同样的移相电路，对不同频率信号的移相作用是不同的，设计中一定要针对特定的频率进行设计。我们一般将RC与运放联系起来组成有源的移相电路，图2是个典型的可调移相电路，它实际上就是图1中两个移相电路的选择叠加：在图1两个移相电路之后各自增加了一个跟随器，然后用一个电位器和一个加法器进行选择相加。在XC=R，即对于周期为2πRC的信号来说，图2电路的移相角度在±45°之间，当图2电路的电位器调到尽头都达不到规定的移相角度时，可考虑改变电路参数或者改变电路。一个很笨的方法可以这样来做：如果图2中RW在向下调节的过程中移相角度逐渐在接近要求，但即使将RW的滑动臂调到最下方却仍然达不到要求时，我们就可以去掉IC1和IC3,再在IC2后面加一个同样的IC2电路，只不过这时可以把电阻R换成可调电阻以改变移相的角度。有人常把图2中IC1电路和IC2电路说成是低通电路和高通电路，因为在有源滤波器中，这两个电路确实是起到了低通和高通的作用。但正如我们这里只称图1中间的电路是基本的RC移相电路，而不说它是微分电路、耦合电路、复位电路和高通电路一样，我们这里主要CCuiuoRRuiuoφURUCUI图1简单的RC移相图2典型的有源RC移相电路uiRwR3FR31uoIC3CRIC1CRIC2u1u2u3利用了图2电路的移相作用，因此我们这里只说它是移相电路。实际上，很多有源滤波器都有移相作用，而有源滤波器的推导方法正可以作为移相电路的推导方法：首先推导出电路的传输函数，这里的传输函数可以直用jω代替原传递函数中的s，然后有理化分母，则其移相角就是φ=tg-1[(传递函数虚部)/(传递函数实部)]利用这种方法，我们可以得到一些移相角度更广泛的电路。图3和图4还可看成是基本的RC移相，实际上就是图2中的IC2和IC1电路，图3的推导是：RCtgCRkRCjCRuuuukuuuRCjRCjuiooi111222222由同样的方法推出图4电路的移相角度是arctg（ωRC）。推导出图5电路的移相角度是arctg[-1/(ωRC)]，图6电路的移相角度是arctg[1/(ωRC)]。以上移相电路包括了整个360°的移相范围，在应用以上电路时要注意其应用的频率。以上每个电路调节的范围都局限在90°以内，要使其调节的范围增大，可以采用图7和图8电路。uiuoR1CRR2uiuoR1CRR2图30~90°移相图4270°~360°移相uiuoR1CRR2uiuoR1CRR2图590°~180°移相图6180°~270°移相这两个电路传递函数的推导都很麻烦，推导出的图7的移相角度是arctg[(ωRC)/(k+ω2R2C2(1+k2))]，这里k=R1/(R1+R2)。一般取R1=R2，这样在角频率为1/(RC)时，图7和图8电路分别为+90°移相和-90°移相。uiuoR1CRR2uiuoR1R2CR图70~180°超前移相图60~180°滞后移相