第六講-非線性放大電路

第六講-非線性放大電路第一頁，共81頁。電壓比較器及應(yīng)用峰值檢測器集成函數(shù)發(fā)生器電壓—頻率轉(zhuǎn)換電路鎖相環(huán)及應(yīng)用內(nèi)容提要第二頁，共81頁。運(yùn)算放大器電路工作在線性區(qū)的條件采用負(fù)反饋,使運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)用線性元件實現(xiàn)反饋網(wǎng)絡(luò)第三頁，共81頁。使用高增益放大器時，采用正反饋，或者沒有任何反饋。電路的雙穩(wěn)態(tài)特性具有高度非線性，是比較器和施密特觸發(fā)器電路的基礎(chǔ)。采用非線性元件（如二極管、模擬開關(guān)）實現(xiàn)反饋網(wǎng)絡(luò)，如精密整流器、峰值檢測器和采樣保持電路。利用BJT器件可預(yù)測的指數(shù)特性，實現(xiàn)各種非線性傳遞函數(shù)，如對數(shù)放大器和模擬乘法器。運(yùn)算放大器電路工作在非線性區(qū)第四頁，共81頁。理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)特性理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時的電壓傳輸特性第五頁，共81頁。理想運(yùn)放工作在非線性工作區(qū)的兩個特點：1.輸出電壓UO只可能為：＋UOM－UOM2.第六頁，共81頁。

實際的集成運(yùn)放技術(shù)指標(biāo)均為有限值，理想化必然帶來分析誤差，

在一般的工程計算中，這些誤差是允許的而且，隨著新型運(yùn)放的不斷出現(xiàn)，性能越來越接近理理想，誤差也就越來越小。第七頁，共81頁。6.1電壓比較器及應(yīng)用電壓比較器，是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，

電壓比較器可將模擬信號轉(zhuǎn)換為二值信號，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號。因此，可用電壓比較器作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。第八頁，共81頁。處于開環(huán)狀態(tài)引入正反饋電壓比較器電路中的集成運(yùn)放集成運(yùn)放的開環(huán)狀態(tài)集成運(yùn)放引入正反饋第九頁，共81頁。運(yùn)放的非線性工作區(qū)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時的電壓傳輸特性第十頁，共81頁。電壓比較器的電壓傳輸特性1.輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值UOH和

UOL

2.閾值電壓的數(shù)值UT3.當(dāng)ui變化且經(jīng)過UT時uo的躍變方向從UOH到

UOL從UOL到UOH第十一頁，共81頁。電壓比較器的種類1.單限比較器

2.滯回比較器

3.窗口比較器

只有一個閾值電壓

輸入電壓由小變大過程中使輸出電壓

躍變的閾值電壓與輸入電壓由大變小過程的閾值電壓不同電路有兩個閾值電壓第十二頁，共81頁。電壓比較器工作原理一.單限比較器

1.過零比較器

UT＝0VUi<0VUo=UOMUi>0VUo=-UOM過零電壓比較器及其電壓傳輸特性第十三頁，共81頁。2.實際的過零比較器

輸入級保護(hù)

二極管限幅電路限制集成運(yùn)放的差模輸入電壓電壓比較器輸入級的保護(hù)電路限流電阻

第十四頁，共81頁。電壓比較器輸出限幅電路輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路，獲得合適的UOL和UOH限流電阻

第十五頁，共81頁。3.一般單限比較器

一般單限比較器電路一般單限比較器電壓傳輸特性第十六頁，共81頁。1.改變參考電壓的大小和極性，以及電阻的阻值，可以改變閾值電壓的大小和極性。2.要改變輸入電壓經(jīng)過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向，將集成運(yùn)放的同相和反相輸入端外接電路互換。第十七頁，共81頁。分析電壓比較器傳輸特性的方法：

1.確定電壓比較器輸出值UOH和

UOL。

2.根據(jù)電路寫出同相端電壓uP和反相端電壓uN表達(dá)式，令uP=uN,確定閾值電壓UT。3.Ui作用于集成運(yùn)放的端口決定輸出電壓的躍變方向。第十八頁，共81頁。二、滯回比較器輸入電壓由小變大過程中使輸出電壓

躍變的閾值電壓與輸入電壓由大變小過程使輸出電壓

躍變的的閾值電壓不同。第十九頁，共81頁。令解得的ui就是閾值電壓滯回比較器電路第二十頁，共81頁。滯回比較器電壓傳輸特性輸入電壓由小變大：

Ui接反相端當(dāng)輸入電壓增大到＋UT，輸出電壓由

＋UZ躍變?yōu)?UZ。起初第二十一頁，共81頁。滯回比較器電壓傳輸特性輸入電壓由大變?。?/p>

Ui接反相端當(dāng)輸入電壓減小到-UT，輸出電壓由

-UZ躍變?yōu)椋玌Z。起初第二十二頁，共81頁。有參考電壓的滯回比較器及其電壓傳輸特性第二十三頁，共81頁。1.滯回比較器中引入正反饋，加快了輸出電壓的變換速度，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。

2.改變參考電壓的大小和極性，滯回比較器電壓傳輸特將產(chǎn)生水平方向移動。3.改變穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓，滯回比較器電壓傳輸特將產(chǎn)生垂直方向移動。第二十四頁，共81頁。實例分析一.過零比較器

過零電壓比較器仿真分析第二十五頁，共81頁。PWL電源參數(shù)設(shè)置輸入輸出曲線第二十六頁，共81頁。正弦信號輸入的仿真分析輸入輸出結(jié)果第二十七頁，共81頁。二.一般單限比較器

一般單限比較器仿真電路信號源參數(shù)設(shè)置第二十八頁，共81頁。輸入輸出曲線第二十九頁，共81頁。滯回比較器仿真電路

PWL電源參數(shù)設(shè)置三.滯回比較器

第三十頁，共81頁。輸入輸出結(jié)果第三十一頁，共81頁。輸入電壓(紅)由大變?。?/p>

當(dāng)輸入電壓減小到-UT起初（3.1v）輸出電壓由-UZ躍變?yōu)椋玌Z。（-6.2v）（-3.1v）滯回比較器結(jié)果分析第三十二頁，共81頁。輸入電壓(紅)由小變大：

當(dāng)輸入電壓增大到＋UT起初（-3.1v）輸出電壓由＋UZ躍變?yōu)?UZ。（＋6.2v）（3.1v）滯回比較器結(jié)果分析第三十三頁，共81頁。集成電壓比較器CJ0710電路原理圖UOH：3.3v

UOL:-0.4v

工作狀態(tài)：電路按電壓傳輸特性工作禁止?fàn)顟B(tài)：輸出端相當(dāng)于開路，處于高阻狀態(tài)第三十四頁，共81頁。一.主要參數(shù)

靈敏度：體現(xiàn)比較器對輸入信號差別的分辨能力上升時間：體現(xiàn)比較器進(jìn)行邏輯判斷的速度輸出：高低電平UOH和UOL第三十五頁，共81頁。二.分類

通用型高速型低功耗型低電壓型高精度型第三十六頁，共81頁。比較器的應(yīng)用電平檢測器通斷控制電平檢測器也稱為閾值檢測器，它用以監(jiān)測以電壓形式表示的物理變量和當(dāng)這個變量上升到大于（或降至）某個規(guī)定值時發(fā)出信號。檢測器的輸出根據(jù)應(yīng)用的要求可用來發(fā)出某一特定的動作。如激活報警器（發(fā)光二極管或蜂鳴器）、接通電機(jī)或加熱器、或向微處理器發(fā)送一個中斷信號等。設(shè)定值有源基準(zhǔn)二極管高功率晶體管電橋第三十七頁，共81頁。窗口探測器脈寬調(diào)制也稱為窗口比較器，它用以指示何時給定電壓落在特定的范圍，即窗口中。在生產(chǎn)線的測試過程中，可以用窗口比較器來篩選出那些不能滿足給定容限的電路。如果用電壓比較器對一個緩慢變化的信號和一個高頻三角波和鋸齒波進(jìn)行比較，輸出就是一個與三角波或鋸齒波具有相同頻率的方波第三十八頁，共81頁。消除比較器抖動當(dāng)處理緩慢變化的信號時，比較器可能會在輸入穿越閾值區(qū)時，產(chǎn)生多個輸出變化，稱為比較器抖動。第三十九頁，共81頁。利用磁滯現(xiàn)象可以消除比較器抖動。當(dāng)輸入信號穿越當(dāng)前的閾值時，電路發(fā)生躍變并激活另一個閾值。因此，輸入信號必須擺回到新的閾值才能使輸出再一次躍變。使磁滯寬度大于噪聲的最大峰峰值，可以防止假的輸出躍變。第四十頁，共81頁。6.2峰值檢測器峰值檢測的作用是提取輸入信號的峰值，并產(chǎn)生輸出。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，讓跟蹤直至輸入達(dá)到峰值，這個值會一直被保持，直至出現(xiàn)一個新的更大的峰值，此時電路會用新的峰值更新。第四十一頁，共81頁。組成部分（1）用來保持最近峰值的存儲器，即電容器CH（2）當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，用來進(jìn)一步對電容充電的單向電流開關(guān)，即二極管D2（3）當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，使電容電壓能夠跟蹤輸入電壓的器件，即電壓跟隨器OA1第四十二頁，共81頁。（4）能周期地將重新置0的開關(guān)，這是用FET放電開關(guān)和電容并聯(lián)實現(xiàn)的，即SW（5）OA2的作用是對電容電壓進(jìn)行緩沖，以防止通過R和任何外部負(fù)載所引起的放電。第四十三頁，共81頁。工作原理跟蹤模式一個新峰值到來時，OA1輸出為正，D1截至，D2導(dǎo)通

OA1利用反饋通路，使跟蹤在此期間，OA1流出的電流經(jīng)過D2對CH充電

第四十四頁，共81頁。保持模式

OA1提供了另一條反饋通路，R的作用是給D1提供一個電流通路在此期間，電容電壓保持恒定

經(jīng)歷峰值后，開始下降，OA1輸出下降，D2截至，D1導(dǎo)通第四十五頁，共81頁。對OA1的要求：具有足夠低的直流輸入誤差和足夠高的電流輸出能力，以便在短暫的峰值期對CH充電。對OA2的要求：輸入偏置電流足夠低，才能使峰值間的電容放電最小。而D2和OA2置于OA1反饋回路中，可以消除由D2壓降和OA2輸入失調(diào)電壓引起的誤差。由和CH以O(shè)A2引起反饋環(huán)路極點，需要穩(wěn)定OA2?？梢杂眠m當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容分別與D1和R并聯(lián)實現(xiàn)。反轉(zhuǎn)二極管的方向，可以使電路檢測到的負(fù)峰值。第四十六頁，共81頁。6.3

集成函數(shù)發(fā)生器三角波正弦波方波集成函數(shù)發(fā)生器8038電路原理圖第四十七頁，共81頁。ICL8038原理框圖第四十八頁，共81頁。ICL8038引腳圖第四十九頁，共81頁。ICL8038兩種基本接法第五十頁，共81頁。ICL8038輸出波形第五十一頁，共81頁。主要參數(shù)

頻率范圍：0.001Hz～300kHz電源：單電源10～30v,雙電源±5～±15v方波：幅值接近電源電壓，上升時間180ns，下降時間40ns。第五十二頁，共81頁。三角波：輸出幅度6.6v，非線性線性度小于0.05％正弦波：輸出峰值4.4v，失真度小于1％矩形波：占空比可調(diào)范圍2％～98％第五十三頁，共81頁。6.4

電壓－頻率轉(zhuǎn)換電路電荷平衡式電壓－頻率轉(zhuǎn)換電路的原理框圖及波形分析由積分器和滯回比較器組成，S為電子開關(guān)，受電壓UO控制將為輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率與其值成正比的輸出電壓。也稱為電壓控制振蕩器（VCO）。第五十四頁，共81頁。工作原理S閉合S斷開uI數(shù)值越大,T1越小,振蕩頻率f越高,實現(xiàn)了電壓-頻率轉(zhuǎn)換。電流源I對電容C在很短時間內(nèi)放電（或稱反向充電）的電荷量等于iI在較長時間充電的電荷量，這類電路稱為電荷平衡式電路。第五十五頁，共81頁。電荷平衡式電壓－頻率轉(zhuǎn)換電路①②第五十六頁，共81頁。6.5

鎖相環(huán)（PLL－PhaseLockedLoops）

鎖相環(huán)是一種反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)。其輸出信號的頻率跟蹤輸入信號的頻率。當(dāng)輸出信號頻率與輸入信號頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值。第五十七頁，共81頁。鎖相環(huán)的原理框圖PD(PhaseDetector)：LP(LoopsFilter)：VCO(VoltageControlledOscillator)：第五十八頁，共81頁。一、鑒相器（相位比較器）：將輸入信號與輸出信號（反饋信號）的相位差檢測出來，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號UD（t），成為誤差電壓。其實質(zhì)是相位差－－電壓轉(zhuǎn)化電路二、環(huán)路濾波器：一般為低通濾波器。慮除鑒相器輸出電壓UD（t）中的高頻分量和干擾信號，獲得壓控振蕩器的輸入電壓UC（t）。三、壓控振蕩器：其實質(zhì)是電壓－－頻率轉(zhuǎn)化電路。其振蕩頻率決定于UC（t），也就是決定于UD（t）。第五十九頁，共81頁。一、鎖相環(huán)的原理設(shè)振蕩頻率為，瞬時相位為第六十頁，共81頁。設(shè)輸出信號的角頻率為，輸入信號的角頻率為其瞬時相位為輸出信號和輸入信號頻率相等時，它們的瞬時相位相差為一常量。若鎖相環(huán)能在一定范圍，使輸入和輸出頻率保持固定的相位差，實現(xiàn)輸出信號頻率跟蹤輸入信號頻率。第六十一頁，共81頁。鑒相器輸入信號輸出信號

為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或直流電壓時的振蕩角頻率，稱為固有振蕩角頻率。模擬乘法器實現(xiàn)鑒相器第六十二頁，共81頁。模擬乘法器的輸出第六十三頁，共81頁。整理可得經(jīng)低通濾波器慮去高頻，得到差頻項，即壓控振蕩器的輸入信號UC（t）。其中

為環(huán)路瞬時相位差。UD(t)具有正弦特性。第六十四頁，共81頁。壓控振蕩器的壓控特性Ko為壓控增益，或稱壓控靈敏度當(dāng)UC（t）不為純直流量時，

UC（t）起調(diào)頻作用。壓控振蕩器的振蕩頻率以為中心頻率而產(chǎn)生變化。ωu(t)與uC(t)的關(guān)系曲線第六十五頁，共81頁。兩邊微分當(dāng)電壓輸入為確定頻率，可得固有頻差瞬時頻差控制頻差第六十六頁，共81頁。當(dāng)控制頻差等于固有頻差時，瞬時頻差為零，鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)。鎖相環(huán)的鎖定條件是此時不再隨時間變化，而成為常量，因此環(huán)路濾波器輸出為直流電壓。第六十七頁，共81頁。鑒相器輸出的有效誤差電壓

大于低通濾波器的上限頻率，電路處于失鎖狀態(tài)。正弦差拍信號因被濾除而不能產(chǎn)生壓控信號，使得壓控振蕩器維持原振蕩頻率。第六十八頁，共81頁。鑒相器進(jìn)入鎖定狀態(tài)前

uC(t)、uO(t)和uD

(t)的波形

小于低通濾波器的上限頻率正弦差拍信號處于通帶內(nèi)，成為壓控振蕩器的輸入控制信號。壓控振蕩器的輸出以為中心頻率的調(diào)頻波。壓控振蕩器的頻率朝著參考輸入信號的頻率靠攏，環(huán)路鎖定。第六十九頁，共81頁。失鎖狀態(tài)：壓控振蕩器維持原振蕩頻率。跟蹤狀態(tài)：環(huán)路輸入的是頻率和相位不斷變化的信號，而且環(huán)路能使壓控振蕩器的頻率和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率和相位變化，則這時環(huán)路所處的狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài)。

鎖定狀態(tài)：輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴(yán)格同步，還具有頻率跟蹤特性。第七十頁，共81頁。鎖相環(huán)的基本特殊功能鎖定特性：在一定頻率范圍內(nèi)，鎖相環(huán)可以通過“頻率牽引”捕捉輸入信號頻率，實現(xiàn)對輸入的固定信號的頻率鎖定，壓控振蕩器的輸入信號與輸入信號僅存在相位差，不存在頻率差。跟蹤特性：鎖相環(huán)一旦進(jìn)入鎖定狀態(tài)，就能對輸入信號一定范圍頻率的變化具有良好的跟蹤特性。廣泛用于自動頻率控制、頻率合成等。廣泛用于信號的跟蹤、提取、調(diào)制和解調(diào)等。第七十一頁，共81頁。二、鎖相環(huán)的應(yīng)用鎖相環(huán)用于調(diào)頻電路調(diào)頻的示意圖調(diào)制信號對載波進(jìn)行調(diào)頻隨調(diào)制信號線性變化載波瞬時頻率是未調(diào)制時