1、模块三模块三 传感器原理及检测实训传感器原理及检测实训相敏检波器相敏检波器浙江经济职业技术学院浙江经济职业技术学院徐文徐文w 3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述w 3.7.2 预备知识一预备知识一运算放大器的应用：零电运算放大器的应用：零电压比较器压比较器w 3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：电结型场效应管的应用：电子开关子开关w 3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7相敏检波器相敏检波器返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述 在化学、物理、生物、医学、天文、通信及电子技术等在化学、物理、生物、医学、天文、通信及电子技术等领域中
2、都涉及到对微弱信号的检测。为了提高测量准确度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。对被噪声覆盖的弱信息进行提取、测量。对于微弱的频域信号对于微弱的频域信号,较为理想的检测方法就是相关检测。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。相关检测系统原理框图如下图所示。返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述 信号通道把输入的被测信号选频放大信号通道把输入的被测信号选频放大(初步滤除噪声初步滤除噪声)后后,输给相敏检波器的一端输给相敏检波器的一端;参考通道在参考信号的触发下参考通道在参考信
3、号的触发下,输出相位可调的、与输输出相位可调的、与输入信号同频的占空比入信号同频的占空比1111的方波的方波;相敏检波器比较两路信号后输出直流信号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。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相敏检波器是相关检测的核心部件,它决定了测试系统它决定了测试系统的准确度以及弱信号检测水平。的准确度以及弱信号检测水平。返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述 抑制噪声抑制噪声;实现对正弦信
4、号或调幅信号进行幅值和相位的检测实现对正弦信号或调幅信号进行幅值和相位的检测。返回首页3.7.1 相敏检波器概述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：移相器、相敏检波器电路模块的面板布局如图所示：返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述一一 移相器移相器w 改变输入信号的相位并输出。改变输入信号的相位并输出。n一个输入端口一个输入端口n一个输出端口一个输出端口n一个相位差调节旋钮一个相位差调节旋钮返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述二二 低通滤波器低通滤波器w 通过低频信号，抑制高频信号通过低频信号，抑制高频信号n一个输入端口一个输入端口n一个输出端口
5、一个输出端口返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述三三 相敏检波相敏检波w 检波检波nVI：信号输入端；：信号输入端；nAC：交流参考信号输入端；：交流参考信号输入端；nDC ：直流参考信号输入端；直流参考信号输入端；nVO：信号输出端：信号输出端nD两侧的两个端子用来观察参考信号在电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。路内部被转换成矩形波的情况。返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述三三 相敏检波相敏检波w 输出效果输出效果n当参考电压为正时，相敏检波器的输入与输出当参考电压为正时，相敏检波器的输入与输出信号同相；信号同相；n当参考电压为负时，相
6、敏检波器输入与输出信当参考电压为负时，相敏检波器输入与输出信号反相。号反相。1.1.以直流电压为参考信号接以直流电压为参考信号接DCDC返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述三三 相敏检波相敏检波w（1）条件）条件n相敏检波输入相敏检波输入Vi为交流信号；为交流信号；nAC参考信号参考信号VAC为为Vi或与之有相位差的交流信号或与之有相位差的交流信号w（2）输出效果）输出效果n若若Vi 和和VAC同相，则相敏检波模块输出为正极性的整流同相，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。最大值。n反之
7、则输出负极性的整流波形，经低通滤波器接直流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。电压表可以指示负极性的最大值。n该模块的旋钮可以使整流效果在半波和全波整流之间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。全波整流值。2.2.以交流信号为参考信号接以交流信号为参考信号接ACAC返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述三三 相敏检波相敏检波w（3）用途）用途n将交流信号转换成直流用直流电压表获取其量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
8、于传感器测量系统中没有设置交值信息。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。流测量功能模块的情况。n直流电压表的正负可以反映输入电压和参考电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。信号的情况。返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述三三 相敏检波相敏检波n以交流信号为参考信号的特殊情况；以交流信号为参考信号的特殊情况；n条件条件l相敏检波模块的输入为调幅波；相敏检波模块的输入为调幅波；l参考信号为调幅波
9、的载波；参考信号为调幅波的载波；w在调制信号的正半周，调幅波与载波同相；在负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。半周，调幅波与载波反相。n输出效果输出效果l在调制信号的正半周，输出正极性的半波在调制信号的正半周，输出正极性的半波全波整流全波整流信号。信号。l在调制信号的负半周，输出负极性的半波在调制信号的负半周，输出负极性的半波全波整流全波整流信号。信号。3.3.以调幅波的载波为交流参考信号以调幅波的载波为交流参考信号返回首页3.7.1 相敏检波器概述相敏检波器概述三三 相敏检波相敏检波3.3.以调幅波的载波为交流参考信号以调幅波的载波为交流参考信号w（1）载波）
10、载波w（2）调制信号）调制信号w（3）调幅波）调幅波w（4）相敏检波输出）相敏检波输出w（5）低通滤波器输出）低通滤波器输出返回首页3.7.2 预备知识一预备知识一运算放大器的应用：运算放大器的应用：零电压比较器零电压比较器 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大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判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动
11、控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合。返回首页3.7.2 预备知识一预备知识一运算放大器的应用：运算放大器的应用：零电压比较器零电压比较器1.输出只有两种可能输出只有两种可能+Uo(sat)或或Uo(sat)当当 u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+u 时，时，uo=Uo(sat)不存在不存在“虚短虚短”现象现象 2.i+=i 0 仍存在仍存在“虚断虚断”现象现象uo u+u Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区饱和区返回首页3.7.2 预备知识一预备知识一运算放大器的应用：运算放大器的应用：零电压比较器零电压比较器URuouiR2+R1
12、+tuituo+Uo(sat)Uo(sat)返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关w 结型场效应管结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简简称称JFET，有，有N沟道沟道JFET和和P沟道沟道JFET之分。之分。返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号返回首页3.7.
13、3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关(b)DSGP型沟道NNDGS(a)DSGN型沟道PPDGS图图3.7.13.7.1结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号(a)N(a)N沟道沟道JFETJFET；(b)P(b)P沟道沟道JFET JFET 一、结型场效应管的结构及工作原理一、结型场效应管的结构及工作原理返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关 N沟道沟道JFET，是在一根，是在一根N型半导体棒两侧型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂通过高浓度扩散制造两
14、个重掺杂P+型区，形型区，形成两个成两个PN结，将两个结，将两个P+区接在一起引出一个区接在一起引出一个电极，称为栅极电极，称为栅极(Gate)，在两个，在两个PN结之间的结之间的N型半导体构成导电沟道。在型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端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，形成由多数载流子用下，形成由多数载流子自由电子产生的漂自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极接收端称
15、为漏极(Drain)。在。在JFET中，源极和中，源极和漏极是可以互换的。漏极是可以互换的。返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关 如果在栅极和源极之间加上负的电压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而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，那么，在在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压。因为栅源电压UGS为负，为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅
16、极电流流，所以栅极电流IG0，源极电流，源极电流IS=ID。这就。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。是结型场效应管输入阻抗很大的原因。返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关 当栅源负压当栅源负压UGS加大时，加大时，PN结变厚，并向结变厚，并向N区区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的变大，在同样的UGS下，下，ID变小；反之，变小；反之，|UGS|变变小，沟道变宽，沟道电阻变小，小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧加大到某一
17、负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部结扩张使沟道全部消失，此时，消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电将变为零。我们称此时的栅源电压压UGS为为“夹断电压夹断电压”，记为，记为UGSoff。可见，栅源。可见，栅源电压电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是这就是JFET最重要的工作原理。最重要的工作原理。返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关(a)(a)U UGSGS=0=0，沟道最宽，沟道最宽，I ID D最最大；大；(b)(b)U UGSGS负压增大，沟道变窄，负压增大，沟道变窄，
18、I ID D减小；减小；(c)(c)U UGSGS负压进一步增大，沟负压进一步增大，沟道夹断，道夹断，I ID D=0=0NDGS(a)PPUDSIDIDSS(最大)图图3.7.23.7.2栅源电压栅源电压U UGSGS对沟道及对沟道及I ID D的控制作用示意图的控制作用示意图返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关DS(b)PPUDSID减小UGS(a)(a)U UGSGS=0=0，沟道最宽，沟道最宽，I ID D最最大；大；(b)(b)U UGSGS负压增大，沟道变窄，负压增大，沟道变窄，I ID D减小；减小；(c)(c)U UG
19、SGS负压进一步增大，沟负压进一步增大，沟道夹断，道夹断，I ID D=0=0图图3.7.23.7.2栅源电压栅源电压U UGSGS对沟道及对沟道及I ID D的控制作用示意图的控制作用示意图返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关DS(c)PPUDSUGSID0(a)(a)U UGSGS=0=0，沟道最宽，沟道最宽，I ID D最最大；大；(b)(b)U UGSGS负压增大，沟道变窄，负压增大，沟道变窄，I ID D减小；减小；(c)(c)U UGSGS负压进一步增大，沟负压进一步增大，沟道夹断，道夹断，I ID D=0=0图图3.7.
20、23.7.2栅源电压栅源电压U UGSGS对沟道及对沟道及I ID D的控制作用示意图的控制作用示意图返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关栅栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断UGS（off）返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关 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转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压一定时，栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用
21、，即的控制作用，即CuGSDDSufi)(1)理论分析和实测结果表明，理论分析和实测结果表明，iD与与uGS符合平方符合平方律关系，即律关系，即2)1(GSoffGSDSSDUuIi(2)返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关式中：式中：IDSS饱和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的iD值；值；UGSoff夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGSoff时时iD为零。为零。转移特性曲线如后图转移特性曲线如后图3.7.3(a)所示。所示。为了使输入阻抗大为了使输入阻抗大(不允许出现栅流不允许出现栅流iG)，也为，也为了使栅源电压对
22、沟道宽度及漏极电流有效地进行了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，控制，PN结一定要反偏，所以在结一定要反偏，所以在N沟道沟道JFET中，中，uGS必须为负值。必须为负值。返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关图图3.7.3 3.7.3 JFETJFET的转移特的转移特性曲线和输出特性曲线性曲线和输出特性曲线 (a)(a)转移特性曲线；转移特性曲线；(b)(b)输出特性曲线输出特性曲线 uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用
23、：电子开关电子开关1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VUDSUGSUGSoff515流区击穿区UGS0V(b)UGSoff0.5V图图3.7.3 3.7.3 JFETJFET的的转移特性曲线和转移特性曲线和输出特性曲线输出特性曲线 (a)(a)转移特性曲线；转移特性曲线；(b)(b)输出特性曲线输出特性曲线 返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关2、输出特性曲线 输出特性曲线表达以输出特性曲线表达以UGS为参变量时为参变量时iD与与uDS的关系。如图的关系。如图3.7.3(b)所示，根据特性曲线的各所
24、示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：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。其主恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：要特征为：(1)当当UGSoffUGS|UGSoff|(3)时，沟道在漏极附近被局部夹断时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹称为预夹断断)，如图，如图3.7.4(b)所示。此后，所示。此后，uDS再增大，电再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导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。所以能力影响不大。所以uDS的的变化对变化对iD影响很小。影响很小。返回首页3.7.3 预备知识二预备知识二
25、结型场效应管的应用：结型场效应管的应用：电子开关电子开关 2.可变电阻区 当当uDS很小，很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区故此区为截止区。若利用为截止区。若利用JFET作为开关作为开关，则工作在截止区，即相当于开关断开。，则工作在截止区，即相当于开关断开。4.击穿区 随着随着uDS增大，靠近漏区的增大，靠近漏区的PN结反偏电压结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。也随之增大。3.7.4 相敏检波器实验电路分析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相敏检波器电路如图3.7.53.7.5所示。其中所示。其中:A
26、 A1 1为零为零电压比较器电压比较器;D D为检波二极管为检波二极管;3;3DJ7JDJ7J为场效应管电为场效应管电子开关子开关;A A2 2为差动放大器为差动放大器,对信号进行放大与合成。对信号进行放大与合成。A A1 1、A A2 2 均采用具有双运放的集成芯片均采用具有双运放的集成芯片LF353NLF353N。返回首页返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析图图3.7.53.7.5 相敏检波器电路相敏检波器电路返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析二、工作原理 参考信号ur(t)经A1和D组成的整形电路后的输出u1(t)是与被测信号us
27、(t)同频、同相,占空比11 的方波。此方波信号是控制电路电流流通的开关,为场效应管3DJ7J提供栅源偏置电压,控制电子开关的动作,决定场效应管漏极信号u3(t)由场效应管工作原理知:返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析返回首页3.7.4 相敏检波器实验电路分析相敏检波器实验电路分析
