模電6 非線性處理器

電子技術(shù)第六章非線性處理器

模擬電路部分1模電6

第六章非線性處理器§6.1限幅器§6.2電壓比較器§6.3遲滯比較器§6.4精密整流電路§6.5采樣－保持電路**2模電6非線性應(yīng)用：是指由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。由運(yùn)放組成的非線性電路有以下三種情況：1.電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。++Auo比如：運(yùn)放開環(huán)應(yīng)用uo運(yùn)放電路中有正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。3模電62.電路中的運(yùn)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）。ui>0時(shí)：ui<0時(shí)：++AuoR1RF1RF2Duiuoui0傳輸特性4模電63.另一種情況，電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）。由于處于線性與非線性狀態(tài)的運(yùn)放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運(yùn)放是否工作在線性區(qū)。確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負(fù)反饋。若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)；若無負(fù)反饋，或有正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)。處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)：1.虛短路不成立。2.輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。3.輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。5模電6tuiuotUZ-UZ§6.1限幅器–+AuoR1RFuiDZR+運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件——穩(wěn)壓二極管。R：限流電阻。一般取100。DZ雙向穩(wěn)壓管6模電6另一種形式的限幅器：雙向穩(wěn)壓管接于負(fù)反饋回路上。–+AuoR1RFuiDZ+當(dāng)時(shí)，在雙向穩(wěn)壓管的作用下，當(dāng)時(shí)，雙向穩(wěn)壓管不通，運(yùn)放工作在線性狀態(tài)。7模電6–+AuoR1RFuiUZ+uoui0+UZ+UZ傳輸特性8模電6uoui0+Uom-UomUR傳輸特性§6.2電壓比較器UR：參考電壓ui：被比較信號(hào)

++uouiUR–特點(diǎn)：運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)ui>UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UR時(shí),uo=-Uom

一、若ui從同相端輸入9模電6++uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)ui<UR時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui>UR時(shí),uo=-Uom

二、若ui從反相端輸入10模電6uoui0+UOM-UOM++uoui三、過零比較器:(UR=0時(shí))++uouiuoui0+UOM-UOM11模電6++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom12模電6++uiuoui0+UZ-UZ電路改進(jìn)：用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。++uiuoUZRR′uoUZ電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上13模電6比較器的特點(diǎn)1.電路簡單。2.當(dāng)Ao不夠大時(shí)，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。tuiuot過零附近仍處于放大區(qū)14模電6一、下行遲滯比較器分析1.因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?.當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM)：U+3.當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=–UOM)：－++uoRR2R1ui參考電壓由輸出電壓決定§6.3遲滯比較器特點(diǎn)：電路中使用正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。1.沒加參考電壓的下行遲滯比較器15模電6分別稱UH和UL上下門限電壓。稱(UH-UL)為回差。當(dāng)ui增加到UH時(shí)，輸出由Uom跳變到-Uom；－++uoRR2R1ui當(dāng)ui

減小到UL時(shí)，輸出由-Uom跳變到Uom

。傳輸特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時(shí)，正反饋加速跳轉(zhuǎn)。16模電6tuiUom-UomtuiUHUL例：下行遲滯比較器的輸入為正弦波時(shí)，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1ui17模電62.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：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL18模電6下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL19模電6例：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit020模電6首先計(jì)算上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR21模電6+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V22模電6u+=0

時(shí)翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門限電壓。二、上行遲滯比較器－++uoRR2R1ui當(dāng)u+>u-=0

時(shí),uo=+UOM當(dāng)u+<u-=0時(shí),uo=-UOM1.沒加參考電壓的上行遲滯比較器23模電6uoui0Uom-Uom傳輸特性曲線UHUL－++uoRR2R1ui上下門限電壓：24模電6－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓：當(dāng)uo=+UOM時(shí)：當(dāng)uo=-UOM時(shí)：2.加上參考電壓后的上行遲滯比較器25模電6傳輸特性：UHULuoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL對(duì)照26模電6遲滯比較器電路改進(jìn)：為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管。思考題：如何計(jì)算上下限？UZ－++uoRR2R1uiuoUZ－++RR2R1ui27模電6一、線性檢波(半波整流)電路1.由于硅二極管的正向?qū)妷翰恍∮?.5V，當(dāng)Ui小于1V時(shí)，UO誤差很大。2.二極管作為一個(gè)半導(dǎo)體元件，它很容易受到溫度的影響，它還具有非線性特性。解決方法：若把普通二極管置于運(yùn)算放大器的反饋回路中，就能大大削弱這些影響，提高電路的精度。uo~+-uiDRL+-普通半波整流電路的缺陷：§6.4精密整流電路28模電6uo1tui0tuo0精密半波整流電路：精密半波整流電路的工作原理：當(dāng)ui

>0

時(shí)，uo1<0,D2導(dǎo)通，D1

截止，運(yùn)放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)。當(dāng)ui

<0

時(shí)，uo1>0,D2截止，D1導(dǎo)通，構(gòu)成反相比例放大器。–++uiuoR1RFR2D1D2u–=u+=0V，uo1-0.7V

uo=0;29模電61.運(yùn)放的輸出電壓大于二極管的正向電壓。

即D1

和D2

總是一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止，這樣電路就能正常檢波。思考題：如何獲得正半波極性的輸入信號(hào)？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其中，UD

為二極管的正向電壓，答：二極管反向！–++uiuoR1RFR2D1D230模電6tui0tuo0當(dāng)ui

<0

時(shí)，uo1>0,D2導(dǎo)通，D1

截止，運(yùn)放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)。當(dāng)ui

>0

時(shí)，uo1<0,D2截止，D1導(dǎo)通，構(gòu)成反相比例放大器。u–=u+=0V，uo10.7V

uo=0;RF1uiR1R21D1D2uo－++A1uo131模電6二、絕對(duì)值(全波整流)電路在精密半波整流電路的基礎(chǔ)上，加一級(jí)加法運(yùn)算放大器，就組成了精密全波整流電路。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1－++－++A1A2電路結(jié)構(gòu)：32模電6左圖中A1

構(gòu)成半波整流電路，在R1＝RF1

的條件下，有：0(當(dāng)ui

<0)(當(dāng)ui

>0)-uiu1=－－++uiR1RF1R21D1D2R11A1u1++uoRF2R22R12A2工作原理：tui0tu1033模電6tui0tu10tuo0若滿足一定的條件，就可以有：－－++uiR1RF1R21D1D2R11A1u1++uoRF2R22R12A234模電6已知在R1＝RF1

的條件下，有：0(當(dāng)ui

<0)(當(dāng)ui

>0)-uiu1=若R12

＝RF2

且R11

=

0.5RF2

當(dāng)ui

<0

時(shí)，u1=0，于是

uo

=-ui

；uo=-2u1

-ui=2ui

-ui=ui當(dāng)ui

>0

時(shí)，－－++uiR1RF1R21D1D2R11A1u1++uoRF2R22R12A235模電6三、平均值電路作用：交流－直流變換器。半波整流的平均值電路種類：有兩種平均值電路。全波整流的平均值電路方法：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。原理：把交流信號(hào)整流后，再經(jīng)濾波器，就把交流電壓按比例地變成了直流電壓，且一般是平均值電壓。36模電61.半波整流的平均值電路這時(shí)可以認(rèn)為全部紋波電壓都被A2

所抑制，起作用的僅是u1

的直流分量，即平均值電壓。討論的情況。uiuoR11RF1R21D1D2R12RF2R22u1－++－++A1A2CF37模電6設(shè)可得將代入，得：當(dāng)時(shí)，－－++uiR1RF1R21D1D2A1u1++uoRF2R22R12A2CF可見，輸出是輸入的半波整流平均值。38模電62.全波整流的平均值電路在絕對(duì)值電路的基礎(chǔ)上，加入一級(jí)低通濾波器，就組成了全波整流的平均值電路。實(shí)際上，在絕對(duì)值電路中，有時(shí)只增加一個(gè)電容，就能達(dá)到目的。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1－++－++A1A2C39模電6全波整流的平均值電路uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1－++－++A1A2C40模電6一、“采樣－保持”的含義圖(a)為采樣－保持電路的輸入信號(hào)u(t)；圖(b)為一組離散的單位沖擊函數(shù)f(t),用于對(duì)輸入信號(hào)u(t)進(jìn)行采樣，圖中的T

稱為采樣周期；若將u(t)乘以f(t)，即可得“采樣”后的信號(hào)g(t)，如圖(c)所示。

從圖(c)可以看見某個(gè)時(shí)刻的采樣值是轉(zhuǎn)瞬即逝的。如果我們?cè)O(shè)法使這個(gè)數(shù)值延長至下個(gè)采樣信號(hào)來到時(shí)再作改變，如圖(d)所示，這就是“保持”電路的功能。

§6.5采樣－保持電路41模電6二、采樣－保持電路的組成

采樣－保持電路由模擬開關(guān)K和模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容C

以及緩沖放大器等三部分組成。－+++–RCKucuoui模擬開關(guān)K一般由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成，緩沖放大器則采用集成運(yùn)算放大器。42模電6當(dāng)數(shù)字指令為“1”時(shí)，模擬開關(guān)K

接通，存儲(chǔ)電容C上的信號(hào)uC

跟蹤輸入信號(hào)，經(jīng)緩沖放大器送出，所以輸出信號(hào)也跟蹤輸入信號(hào)，這就是采樣過程；當(dāng)數(shù)字指令為“0”時(shí)，模擬開關(guān)K

斷開，存儲(chǔ)電容將斷開瞬間t0

的輸入信號(hào)保持下來并通過放大器送出，所以輸出信號(hào)保持為t0時(shí)刻的輸入信號(hào)，這就是保持過程。三、采樣－保持電路的工作原理－+++–RCKucuoui43模電6對(duì)采樣－保持電路的主要要求是它的精度和速度。為了提高實(shí)際電路的精度和速度，可以從元件和電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面著手解決。從元件方面：(a)模擬開關(guān)采樣－保持電路所使用的模擬開關(guān)主要是場(chǎng)效應(yīng)管。為了得到高質(zhì)量的采樣－保持電路，場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度要快，極間電容要小，夾斷電壓或開啟電壓也要小，導(dǎo)通電阻和反向漏電流等都應(yīng)該盡量小。上述要求可能互相矛盾，使用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際電路的具體要求，重點(diǎn)保證其中的某些參數(shù)指標(biāo)。四、采樣－保持電路的性能要求44模電6(b)存儲(chǔ)電容

實(shí)際電容器具有介質(zhì)吸附效應(yīng)和泄漏電阻。介質(zhì)吸附效