开关增益运算放大器作为检相器或混频器

一些运算放大器，比如AnalogDevices公司的AD8041和Intersil公司的EL5100，提供禁用引脚，它使人们能把数个运算放大器的输出并联用于视频多路传输。除了这种多路传输以外，人们还能用这种禁用功能把运算放大器配置作为检相器或混频器。图1描绘了禁用功能如何实现低频检相器。人们可以按相位参考信号的速率来开关该电路的放大器的增益。这么做会在运算放大器的输出端产生DC分量。该分量与输入信号的相位与参考信号的相位之间的相位差成正比。

在该电路中，运算放大器的输出为：VOUT(t)=VIN(t)×G(t)，其中VIN(t)=A cos(wREFt+q)，G(t)为运算放大器的时变增益。G(t)是50%占空比的方波，它以相位参考信号的频率从0切换至G0。G0是运算放大器被启用时的增益。由于G(t)是时变周期函数，因此把它扩展成傅里叶级数：G(t)=G0[1/2+2/p{cos(wREFt)-1 /3cos(3wREFt)+1/5cos(5wREFt)+…}]。把VIN(t)乘以G(t)，并只保留DC项，则输出的DC分量为 VOUT(dc)=(AG0/p)cos(q)。图1中的EL5100运算放大器具有200MHz单位增益带宽，并且如果把至少为0V~4V的方波施加到输出禁用端子（引脚8），就能通/断该放大器的输出。利用所示的反馈电阻，并且G0=3，检相器的峰值输出电压约等于输入信号的峰值。EL5100的禁用时间为180ns，启用时间为650ns，这使人们能按大约250kHz频率开关该器件的增益。在更高频率时，检相器的增益下降，这是因为增益开关不再具有50%占空比。

运算放大器之后的低通滤波器提取VOUT(t)的DC分量，并在800Hz有一个3dB点。当检相器位于PLL（锁相环）内部时，与0.1mF分流电容串联的100Ω电阻会限制滤波器的相位滞后。图1中的各值提供了大约65°的最大相位滞后。用5V和-5V电源使检相器的输出摆幅在大约0V位置对称。如果设计方案无需对称，人们就可使用单一5V电源，并且运算放大器的正偏移偏压为2.5V。在这种情况下，输出摆幅关于 2.5V对称。正如所有宽带宽运算放大器电路那样，人们应该小心地用短连接把电源旁路电容器连至地，并尽可能靠近运算放大器的电源引脚，以避免不稳定性。

这个增益开关方案还可作为混频器。如果输入信号位于频率wS，参考方波输入位于频率wlo，则中频输出信号为(wlo-wS)或(wlo+wS)。如需获得期望的中频信号，可把图1中的输出低通滤波器替换成一个调谐至中频频率期望值(wlo±wS)的带通滤波器。如果参考信号的开关速率高于禁用功能所能提供的频率，则可利用谐波混频，使用参考信号的奇次谐波。该方法使混频器的增益降至原来的1/N，其中N是所用N次谐波的数量。