Mn_ch6非線性處理器

1、(6-1)電子技術電子技術第六章第六章 非線性處理器非線性處理器 模擬電路部分模擬電路部分(6-2) 第六章第六章 非線性處理器非線性處理器6.1 限幅器限幅器6.2 電壓比較器電壓比較器6.3 遲滯比較器遲滯比較器6.4 精密整流電路精密整流電路6.5 采樣保持電路采樣保持電路*(6-3)非線性應用：非線性應用：是指由運放組成的電路處于非線性狀是指由運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關系態(tài)，輸出與輸入的關系 uo=f( ui ) 是非線性函數。是非線性函數。由運放組成的非線性電路有以下三種情況：由運放組成的非線性電路有以下三種情況：1. 電路中的運放處于非線性狀態(tài)。電路中的運放處于非

2、線性狀態(tài)。+Auo比如：運放開環(huán)應用比如：運放開環(huán)應用uo運放電路中有正反饋，運放處于非線性狀態(tài)。運放電路中有正反饋，運放處于非線性狀態(tài)。(6-4)2. 電路中的運放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非電路中的運放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。ui0時時：iFouRRu11ui UR時時 , uo = +Uom當當ui UR時時 , uo = -Uom 一、若一、若ui從同相端輸入從同相端輸入(6-10)+uouiURuoui0+Uom-UomUR當當ui UR時時 , uo = -Uom 二、二、 若若ui從反相端輸入從反相端

3、輸入(6-11)uoui0+UOM-UOM+uoui三、過零比較器三、過零比較器: (UR =0時時)+uouiuoui0+UOM-UOM(6-12)+uouitui例：例：利用電壓比較器將正利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom(6-13)+uiuoui0+UZ-UZ電路改進：電路改進：用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。+uiuo UZRR uo UZ電壓比較器的另一種形式電壓比較器的另一種形式 將雙向穩(wěn)壓管接在將雙向穩(wěn)壓管接在負反饋回路上負反饋回路上(6-14)比較器的特點比較器的特點1. 電路簡單。電路簡單。2. 當當Ao不夠大時，不夠大時， 輸出

4、邊沿不陡。輸出邊沿不陡。3. 容易引入干擾。容易引入干擾。tuiuot過零附近仍過零附近仍處于放大區(qū)處于放大區(qū)(6-15)一、下行遲滯比較器一、下行遲滯比較器分析分析1. 因為有正反饋，所以因為有正反饋，所以輸出飽和。輸出飽和。2. 當當uo正飽和時正飽和時(uo =+UOM) ：U+HomUURRRU2113. 當當uo負飽和時負飽和時(uo =UOM) ：LomUURRRU211+uoRR2R1ui參考電壓由參考電壓由輸出電壓決定輸出電壓決定6.3 遲滯比較器遲滯比較器特點：特點：電路中使用正反饋，電路中使用正反饋， 運放處于非線性狀態(tài)。運放處于非線性狀態(tài)。1. 沒加參考電壓的下沒加參考電

5、壓的下行遲滯比較器行遲滯比較器(6-16)omHURRRU211omLURRRU211分別稱分別稱UH和和UL上下門限電壓上下門限電壓。稱。稱(UH - UL)為為回差回差。當當ui 增加到增加到UH時，輸出時，輸出由由Uom跳變到跳變到-Uom；+uoRR2R1ui當當ui 減小到減小到UL時，輸出時，輸出由由-Uom跳變到跳變到Uom 。傳輸特性：傳輸特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干擾不會引起小于回差的干擾不會引起跳轉。跳轉。跳轉時，正反饋加跳轉時，正反饋加速跳轉。速跳轉。(6-17)tuiUom-UomtuiUHUL例：例：下行遲滯比較器的下行遲滯比較器的輸入為正弦波時

6、，輸入為正弦波時，畫出輸出的波形。畫出輸出的波形。+uoRR2R1ui(6-18)RomHURRRURRRU212211RomLURRRURRRU2122112. 加上參考電壓后的下行遲滯比較器加上參考電壓后的下行遲滯比較器加上參考電壓后的上下限：加上參考電壓后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL(6-19)下行遲滯比較器兩種電路下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性傳輸特性的比較的比較:+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL(6-20)例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9

7、V當輸入當輸入 ui 為如圖所示的波形時，畫出輸出為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit0(6-21)首先計算上下門限電壓：首先計算上下門限電壓：+uoRR2R1uiURV10212211RomHURRRURRRUV2212211RomLURRRURRRU(6-22)+UOM-UOM根據傳輸特性畫輸出波形圖。根據傳輸特性畫輸出波形圖。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V(6-23)0211212omiURRRuRRRu+=0 時翻轉，可以求出上下門限電壓。時翻轉，

8、可以求出上下門限電壓。0211212omiURRRuRRR二、上行遲滯比較器二、上行遲滯比較器+uoRR2R1uiHomiUURRu21LomiUURRu21當當u+ u- =0 時時, uo= +UOM當當u+0 時，時，uo10 , D2導通，導通，D1 截止，運放工作在深度負截止，運放工作在深度負反饋狀態(tài)。反饋狀態(tài)。當當ui 0 , D2截止，截止，D1導通，導通，構成反相比例放大器。構成反相比例放大器。iFoURRu1+uiuoR1RFR2D1D2u= u+=0V ，uo1 -0.7V uo=0 ;(6-30)1. 運放的輸出電壓大于二運放的輸出電壓大于二極管的正向電壓。極管的正向電壓

9、。 即即D1 和和 D2 總是一個導通，總是一個導通，另一個截止，這樣電路另一個截止，這樣電路就能正常檢波。就能正常檢波。思考題：思考題：如何獲得正半波極性的輸入信號？如何獲得正半波極性的輸入信號？精密半波整流電路正常工作的條件：精密半波整流電路正常工作的條件：2.電路所要求的最小輸入電壓峰值為電路所要求的最小輸入電壓峰值為uDAU其中，其中， UD 為二極管的正向電壓，為二極管的正向電壓，1RRAFu答：二極管反向！答：二極管反向！+uiuoR1RFR2D1D2(6-31)tui0tuo0當當ui 0 , D2導通，導通，D1 截止，運放工作在深度負截止，運放工作在深度負反饋狀態(tài)。反饋狀態(tài)。

10、當當ui 0 時，時，uo1 0 , D2截止，截止，D1導通，導通，構成反相比例放大器。構成反相比例放大器。iFoURRu1u= u+=0V ，uo1 0.7V uo=0 ;RF1uiR1R21D1D2uo+A1uo1(6-32)二、絕對值二、絕對值 ( 全波整流全波整流 ) 電路電路在精密半波整流電路的基礎上，加一級加法運算放大器，在精密半波整流電路的基礎上，加一級加法運算放大器，就組成了精密全波整流電路。就組成了精密全波整流電路。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2電路結構：電路結構：(6-33)左圖中左圖中A1 構成半波整流電構成半波整流電路，在路，在

11、 R1RF1 的條件下，的條件下，有：有：0( (當當 ui 0 ) )- uiu1=+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A2工作原理：工作原理：tui0tu10(6-34)tui0tu10tuo0若滿足一定的條件，若滿足一定的條件，就可以有：就可以有：+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A2iFFouRRuRRu1221112(6-35)已知在已知在 R1RF1 的條件下，有：的條件下，有：0 0( (當當 ui 0 ) )- uiu1= =若若R12 RF2 且且 R11 = 0.5 RF2 當當ui 0 時，時，+uiR1R

12、F1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A2iFFouRRuRRu1221112iouu (6-36)三、平均值電路三、平均值電路作用：作用：交流直流變換器。交流直流變換器。半波整流的平均值電路半波整流的平均值電路種類：種類：有兩種平均值電路。有兩種平均值電路。全波整流的平均值電路全波整流的平均值電路方法：方法：只要在整流電路后面連接低通濾波器，就只要在整流電路后面連接低通濾波器，就能夠組成最簡單的平均值電路。能夠組成最簡單的平均值電路。原理：原理：把交流信號整流后把交流信號整流后 ，再經濾波器，再經濾波器 ，就，就把交流電壓按比例地變成了直流電壓，把交流電壓按比例地變成了直流

13、電壓，且一般是平均值電壓。且一般是平均值電壓。(6-37)1. 半波整流的平均值電路半波整流的平均值電路這時可以認為全部紋波電壓都被這時可以認為全部紋波電壓都被 A2 所抑制所抑制 ，起作用的僅是起作用的僅是 u1 的直流分量，即平均值電壓。的直流分量，即平均值電壓。討論討論FFCR12的情況。的情況。uiuoR11RF1R21D1D2R12RF2R22u1+A1A2CF(6-38)設設tUuiisin2可得可得1122URRUFo)(2111120122tduRRRRiFF將將 代入，得：代入，得： tUuiisin2iFFoURRRRU1211212當當 時時 ，1121121RRRRFF

14、ioUU2+uiR1RF1R21D1D2A1u1+uoRF2R22R12A2CF可見，輸出是輸入的半波整流平均值?？梢?，輸出是輸入的半波整流平均值。(6-39)2. 全波整流的平均值電路全波整流的平均值電路在絕對值電路的基礎上，加入一級低通濾波器，在絕對值電路的基礎上，加入一級低通濾波器，就組成了全波整流的平均值電路。實際上，在絕對就組成了全波整流的平均值電路。實際上，在絕對值電路中，有時只增加一個電容，就能達到目的。值電路中，有時只增加一個電容，就能達到目的。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2C(6-40)全波整流的平均值電路全波整流的平均值電路ioUU2

15、2uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2C(6-41)一、一、“采樣保持采樣保持”的含義的含義圖圖(a)為采樣保持電路的輸入為采樣保持電路的輸入 信號信號 u ( t )；圖；圖( b )為一組離散的單位沖為一組離散的單位沖擊函數擊函數 f (t ), 用于對輸入信號用于對輸入信號 u ( t ) 進行采樣，圖中的進行采樣，圖中的 T 稱為采樣周期；稱為采樣周期； 若將若將u (t )乘以乘以f (t )，即可得，即可得“采樣采樣”后的信號后的信號g(t )，如圖，如圖(c )所示。所示。 從圖從圖(c)可以看見某個時刻的采樣可以看見某個時刻的采樣值是轉瞬即逝的

16、。如果我們設法使值是轉瞬即逝的。如果我們設法使這個數值延長至下個采樣信號來到這個數值延長至下個采樣信號來到時再作改變，如圖時再作改變，如圖(d)所示，這就是所示，這就是“保持保持”電路的功能。電路的功能。 6.5 采樣保持電路采樣保持電路(6-42)二、采樣保持電路的組成二、采樣保持電路的組成 采樣保持電路由模擬開關采樣保持電路由模擬開關K 和模擬信號存和模擬信號存儲電容儲電容 C 以及緩沖放大器等三部分組成。以及緩沖放大器等三部分組成。+RCKucuoui模擬開關模擬開關K一般由結型場效應管或一般由結型場效應管或MOS場場效應管組成，緩沖放大器則采用集成運算效應管組成，緩沖放大器則采用集成運

17、算放大器。放大器。(6-43)當數字指令為當數字指令為“1”時，模擬開關時，模擬開關K 接通，存儲電容接通，存儲電容C上上的信號的信號 uC 跟蹤輸入信跟蹤輸入信號，經緩沖放大器送號，經緩沖放大器送出，所以輸出信號也出，所以輸出信號也跟蹤輸入信號，這就跟蹤輸入信號，這就是采樣過程；是采樣過程；當數字指令為當數字指令為“0”時，模擬開關時，模擬開關K 斷開，存斷開，存儲電容將斷開瞬間儲電容將斷開瞬間 t0 的輸入信號保持下來并通過的輸入信號保持下來并通過放大器送出，所以輸出信號保持為放大器送出，所以輸出信號保持為 t0 時刻的輸入時刻的輸入信號，這就是保持過程。信號，這就是保持過程。三、采樣保持

18、電路的工作原理三、采樣保持電路的工作原理+RCKucuoui(6-44)對采樣保持電路的主要要求是它的對采樣保持電路的主要要求是它的精度和速精度和速度度 。為了提高實際電路的精度和速度，可以從元件。為了提高實際電路的精度和速度，可以從元件和電路結構兩和電路結構兩 個方面著手解決。從元件方面：個方面著手解決。從元件方面： (a) 模擬開關模擬開關采樣保持電路所使用的模擬開關主要是場效采樣保持電路所使用的模擬開關主要是場效應管。為了得到高質量的采樣保持電路，場效應應管。為了得到高質量的采樣保持電路，場效應管的開關速度要快，極間電容要小，夾斷電壓或開管的開關速度要快，極間電容要小，夾斷電壓或開啟電壓

19、也要小，導通電阻和反向漏電流等都應該盡啟電壓也要小，導通電阻和反向漏電流等都應該盡量小。上述要求可能互相矛盾，使用中應根據實際量小。上述要求可能互相矛盾，使用中應根據實際電路的具體要求，重點保證其中的某些電路的具體要求，重點保證其中的某些 參數指標。參數指標。四、采樣保持電路的性能要求四、采樣保持電路的性能要求(6-45) (b) 存儲電容存儲電容 實際電容器具有介質吸附效應和泄漏電阻。實際電容器具有介質吸附效應和泄漏電阻。介質吸附效介質吸附效 應會使放電后的電容電壓產生不應會使放電后的電容電壓產生不應有的回升，而泄漏電阻應有的回升，而泄漏電阻 則引起電容上的保則引起電容上的保持電壓隨時間逐漸

20、減小，降低保持精度。持電壓隨時間逐漸減小，降低保持精度。應該選用介質吸附效應小同時泄漏電應該選用介質吸附效應小同時泄漏電阻大的電容器，如聚苯乙烯或聚碳酸阻大的電容器，如聚苯乙烯或聚碳酸脂電容器等。脂電容器等。(6-46)( c ) 運算放大器運算放大器運算放大器在采樣保持電路中起輸出緩沖運算放大器在采樣保持電路中起輸出緩沖和輸入隔離的作用，因此要特別重視它的輸入偏和輸入隔離的作用，因此要特別重視它的輸入偏置電流以及帶寬和上升速率，還有它的在最大輸置電流以及帶寬和上升速率，還有它的在最大輸出電流等性能參數。出電流等性能參數。在采樣保持電路中，幾乎毫無例外的都采在采樣保持電路中，幾乎毫無例外的都采用具有場效應管輸入級的運算放大器，或者具有用具有場效應管輸入級的運算放大器，或者具有低輸入偏置電流的運算放大器；同時運算放大器低輸入偏置電流的運算放大