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1、第六章 非线性处理器1第1页，共50页，编辑于2022年，星期三 第六章第六章 非线性处理器非线性处理器6.1 限幅器限幅器6.2 电压比较器电压比较器6.3 迟滞比较器迟滞比较器6.4 精密整流电路精密整流电路6.5 采样保持电路采样保持电路*2第2页，共50页，编辑于2022年，星期三非线性应用：非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状态，是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系输出与输入的关系 uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况：由运放组成的非线性电路有以下三种情况：1.电路中的运放处于非线性状态。电路中的运放处于非线性状态。
2、+Auo比如：运放开环应用比如：运放开环应用uo运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。3第3页，共50页，编辑于2022年，星期三2.电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。性元件（二极管、三极管、稳压管等）。ui0时时：ui UR时时,uo=+Uom当当ui UR时时,uo=-Uom 一、若一、若ui从同相端输入从同相端输入9第9页，共50页，编辑于2022年，星期三+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时,uo=-Uom 二、二、若若ui从反相端输
3、入从反相端输入10第10页，共50页，编辑于2022年，星期三uoui0+UOM-UOM+uoui三、过零比较器三、过零比较器:(UR=0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM11第11页，共50页，编辑于2022年，星期三+uouitui例：例：利用电压比较器将正弦利用电压比较器将正弦波变为方波。波变为方波。uot+Uom-Uom12第12页，共50页，编辑于2022年，星期三+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：电路改进：用稳压管稳定输出电压。用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRRuo UZ电压比较器的另一种形式电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在将双向稳压管接在负反馈回路上负
4、反馈回路上13第13页，共50页，编辑于2022年，星期三比较器的特点比较器的特点1.电路简单。电路简单。2.当当Ao不够大时，不够大时，输出输出边沿不陡。边沿不陡。3.容易引入干扰。容易引入干扰。tuiuot过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区14第14页，共50页，编辑于2022年，星期三一、下行迟滞比较器一、下行迟滞比较器分析分析1.因为有正反馈，所以输因为有正反馈，所以输出饱和。出饱和。2.当当uo正饱和时正饱和时(uo=+UOM)：U+3.当当uo负饱和时负饱和时(uo=UOM)：+uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定6.3 迟滞比较器迟滞比较器特点：特点：电路中使用正反馈，
5、电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。1.没加参考电压的下行没加参考电压的下行迟滞比较器迟滞比较器15第15页，共50页，编辑于2022年，星期三分别称分别称UH和和UL上下门限电压上下门限电压。称。称(UH-UL)为为回差回差。当当ui 增加到增加到UH时，输出由时，输出由Uom跳变到跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当当ui 减小到减小到UL时，输出由时，输出由-Uom跳变到跳变到Uom。传输特性：传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳小于回差的干扰不会引起跳转。转。跳转时，正反馈加速跳转时，正反馈加速跳转。跳转。16第16页，共50页，编
6、辑于2022年，星期三tuiUom-UomtuiUHUL例：例：下行迟滞比较器的输下行迟滞比较器的输入为正弦波时，画出入为正弦波时，画出输出的波形。输出的波形。+uoRR2R1ui17第17页，共50页，编辑于2022年，星期三2.加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的下行迟滞比较器加上参考电压后的上下限：加上参考电压后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL18第18页，共50页，编辑于2022年，星期三下行迟滞比较器两种电路下行迟滞比较器两种电路传输特性传输特性的比较的比较:+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL+uoRR2R1uiURuou
7、i0Uom-UomUHUL19第19页，共50页，编辑于2022年，星期三例：例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V，UR=9V当输当输入入 ui 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit020第20页，共50页，编辑于2022年，星期三首先计算上下门限电压：首先计算上下门限电压：+uoRR2R1uiUR21第21页，共50页，编辑于2022年，星期三+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。根据传输特性画输出波形图。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULui
8、uott10V5V002V22第22页，共50页，编辑于2022年，星期三u+=0 时翻转，可以求出上下门限电压。时翻转，可以求出上下门限电压。二、上行迟滞比较器二、上行迟滞比较器+uoRR2R1ui当当u+u-=0 时时,uo=+UOM当当u+0 时，时，uo10,D2导通，导通，D1 截止，运放工作在深度负反馈状态。截止，运放工作在深度负反馈状态。当当ui 0,D2截止，截止，D1导通，构导通，构成反相比例放大器。成反相比例放大器。+uiuoR1RFR2D1D2u=u+=0V，uo1-0.7V uo=0;29第29页，共50页，编辑于2022年，星期三1.运放的输出电压大于二极管运放的输出
9、电压大于二极管的正向电压。的正向电压。即即D1 和和 D2 总是一个导通，总是一个导通，另一个截止，这样电路就另一个截止，这样电路就能正常检波。能正常检波。思考题：思考题：如何获得正半波极性的输入信号？如何获得正半波极性的输入信号？精密半波整流电路正常工作的条件：精密半波整流电路正常工作的条件：2.电路所要求的最小输入电压峰值为电路所要求的最小输入电压峰值为其中，其中，UD 为二极管的正向电压，为二极管的正向电压，答：二极管反向！+uiuoR1RFR2D1D230第30页，共50页，编辑于2022年，星期三tui0tuo0当当ui 0,D2导通，导通，D1 截止，运放工作在深度负反馈状截止，运
10、放工作在深度负反馈状态。态。当当ui 0 时，时，uo1 0,D2截止，截止，D1导通，构导通，构成反相比例放大器。成反相比例放大器。u=u+=0V，uo1 0.7V uo=0;RF1uiR1R21D1D2uo+A1uo131第31页，共50页，编辑于2022年，星期三二、绝对值二、绝对值(全波整流全波整流)电路电路在精密半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大器，在精密半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大器，就组成了精密全波整流电路。就组成了精密全波整流电路。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2电路结构：电路结构：32第32页，共50页，编辑于2022年
11、，星期三左图中左图中A1 构成半波整流电构成半波整流电路，在路，在 R1RF1 的条件下，的条件下，有：有：0(当当 ui 0)-uiu1=+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A2工作原理：工作原理：tui0tu1033第33页，共50页，编辑于2022年，星期三tui0tu10tuo0若满足一定的条件，若满足一定的条件，就可以有：就可以有：+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A234第34页，共50页，编辑于2022年，星期三已知在已知在 R1RF1 的条件下，有：的条件下，有：0 0(当当 ui 0)-uiu1=若若R12 R
12、F2 且且 R11=0.5 RF2 当当ui 0 时，时，+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A235第35页，共50页，编辑于2022年，星期三三、平均值电路三、平均值电路作用：作用：交流直流变换器。交流直流变换器。半波整流的平均值电路半波整流的平均值电路种类：种类：有两种平均值电路。有两种平均值电路。全波整流的平均值电路全波整流的平均值电路方法：方法：只要在整流电路后面连接低通滤波器，就能够组只要在整流电路后面连接低通滤波器，就能够组成最简单的平均值电路。成最简单的平均值电路。原理：原理：把交流信号整流后把交流信号整流后，再经滤波器，再经滤波器，就把交流，就
13、把交流电压按比例地变成了直流电压，且一般是平电压按比例地变成了直流电压，且一般是平均值电压。均值电压。36第36页，共50页，编辑于2022年，星期三1.半波整流的平均值电路半波整流的平均值电路这时可以认为全部纹波电压都被这时可以认为全部纹波电压都被 A2 所抑制所抑制，起作用，起作用的仅是的仅是 u1 的直流分量，即平均值电压。的直流分量，即平均值电压。讨论讨论的情况。的情况。uiuoR11RF1R21D1D2R12RF2R22u1+A1A2CF37第37页，共50页，编辑于2022年，星期三设设可得可得将将 代入，得：代入，得：当当 时时，+uiR1RF1R21D1D2A1u1+uoRF2
14、R22R12A2CF可见，输出是输入的半波整流平均值。可见，输出是输入的半波整流平均值。38第38页，共50页，编辑于2022年，星期三2.全波整流的平均值电路全波整流的平均值电路在绝对值电路的基础上，加入一级低通滤波器，就组在绝对值电路的基础上，加入一级低通滤波器，就组成了全波整流的平均值电路。实际上，在绝对值电路中，成了全波整流的平均值电路。实际上，在绝对值电路中，有时只增加一个电容，就能达到目的。有时只增加一个电容，就能达到目的。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2C39第39页，共50页，编辑于2022年，星期三全波整流的平均值电路全波整流的平均值电路
15、uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2C40第40页，共50页，编辑于2022年，星期三一、一、“采样保持采样保持”的含义的含义图图(a)为采样保持电路的输入为采样保持电路的输入 信号信号 u(t)；图；图(b)为一组离散的单位冲击为一组离散的单位冲击函数函数 f(t),用于对输入信号用于对输入信号 u(t)进进行采样，图中的行采样，图中的 T 称为采样周期；称为采样周期；若若将将u(t)乘以乘以f(t)，即可得，即可得“采样采样”后的后的信号信号g(t)，如图，如图(c)所示。所示。从图从图(c)可以看见某个时刻的采样可以看见某个时刻的采样值是转瞬即逝的。如果
16、我们设法使这值是转瞬即逝的。如果我们设法使这个数值延长至下个采样信号来到时再个数值延长至下个采样信号来到时再作改变，如图作改变，如图(d)所示，这就是所示，这就是“保持保持”电路的功能。电路的功能。6.5 采样保持电路采样保持电路41第41页，共50页，编辑于2022年，星期三二、采样保持电路的组成二、采样保持电路的组成 采样保持电路由模拟开关采样保持电路由模拟开关K 和模拟信号存储电容和模拟信号存储电容 C 以及缓冲放大器等三部分组成。以及缓冲放大器等三部分组成。+RCKucuoui模拟开关模拟开关K一般由结型场效应管或一般由结型场效应管或MOS场效应场效应管组成，缓冲放大器则采用集成运算放
17、大器。管组成，缓冲放大器则采用集成运算放大器。42第42页，共50页，编辑于2022年，星期三当数字指令为当数字指令为“1”时，模拟开关时，模拟开关K 接通，接通，存储电容存储电容C上的信号上的信号 uC 跟踪输入信号，经缓冲放跟踪输入信号，经缓冲放大器送出，所以输出信号大器送出，所以输出信号也跟踪输入信号，这就是也跟踪输入信号，这就是采样过程；采样过程；当数字指令为当数字指令为“0”时，模拟开关时，模拟开关K 断开，存储电断开，存储电容将断开瞬间容将断开瞬间 t0 的输入信号保持下来并通过放大器送的输入信号保持下来并通过放大器送出，所以输出信号保持为出，所以输出信号保持为 t0 时刻的输入信
18、号，这就是时刻的输入信号，这就是保持过程。保持过程。三、采样保持电路的工作原理三、采样保持电路的工作原理+RCKucuoui43第43页，共50页，编辑于2022年，星期三对采样保持电路的主要要求是它的对采样保持电路的主要要求是它的精度和速度精度和速度。为了提高实际电路的精度和速度，可以从元件和电。为了提高实际电路的精度和速度，可以从元件和电路结构两路结构两 个方面着手解决。从元件方面：个方面着手解决。从元件方面：(a)模拟开关模拟开关采样保持电路所使用的模拟开关主要是场效应管。采样保持电路所使用的模拟开关主要是场效应管。为了得到高质量的采样保持电路，场效应管的开关速为了得到高质量的采样保持电
19、路，场效应管的开关速度要快，极间电容要小，夹断电压或开启电压也要小，度要快，极间电容要小，夹断电压或开启电压也要小，导通电阻和反向漏电流等都应该尽量小。上述要求可能导通电阻和反向漏电流等都应该尽量小。上述要求可能互相矛盾，使用中应根据实际电路的具体要求，重点保互相矛盾，使用中应根据实际电路的具体要求，重点保证其中的某些证其中的某些 参数指标。参数指标。四、采样保持电路的性能要求四、采样保持电路的性能要求44第44页，共50页，编辑于2022年，星期三(b)存储电容存储电容 实际电容器具有介质吸附效应和泄漏电阻。介实际电容器具有介质吸附效应和泄漏电阻。介质吸附效质吸附效 应会使放电后的电容电压产
20、生不应有的应会使放电后的电容电压产生不应有的回升，而泄漏电阻回升，而泄漏电阻 则引起电容上的保持电压随时则引起电容上的保持电压随时间逐渐减小，降低保持精度。间逐渐减小，降低保持精度。应该选用介质吸附效应小同时泄漏电阻大应该选用介质吸附效应小同时泄漏电阻大的电容器，如聚苯乙烯或聚碳酸脂电容器的电容器，如聚苯乙烯或聚碳酸脂电容器等。等。45第45页，共50页，编辑于2022年，星期三(c)运算放大器运算放大器运算放大器在采样保持电路中起输出缓冲和运算放大器在采样保持电路中起输出缓冲和输入隔离的作用，因此要特别重视它的输入偏置电流输入隔离的作用，因此要特别重视它的输入偏置电流以及带宽和上升速率，还有
21、它的在最大输出电流等性以及带宽和上升速率，还有它的在最大输出电流等性能参数。能参数。在采样保持电路中，几乎毫无例外的都采用具在采样保持电路中，几乎毫无例外的都采用具有场效应管输入级的运算放大器，或者具有低输入偏有场效应管输入级的运算放大器，或者具有低输入偏置电流的运算放大器；同时运算放大器的上升速率要置电流的运算放大器；同时运算放大器的上升速率要大于输入信号的变化率，它的带宽和输出电流都要大大于输入信号的变化率，它的带宽和输出电流都要大一些为好。一些为好。46第46页，共50页，编辑于2022年，星期三主要组成部分：主要组成部分：结型场效应管模拟开关结型场效应管模拟开关T；存储电容；存储电容C
22、F；反相工作的运算放大器。反相工作的运算放大器。1.反相型采样保持电路反相型采样保持电路五、采样保持电路的两种形式五、采样保持电路的两种形式uiuoRFR2+ACFDRCUT47第47页，共50页，编辑于2022年，星期三反相型采样保持电路常常具有原理性误差，它只限反相型采样保持电路常常具有原理性误差，它只限于低速应用，不如同相型电路用得广泛，故而在此只于低速应用，不如同相型电路用得广泛，故而在此只作简单介绍。作简单介绍。反相工作反相工作的放大器使其反相端为的放大器使其反相端为虚地，因此，当控制电虚地，因此，当控制电压压U为正时，二极管为正时，二极管D截截止，止，T接通，电路处于采接通，电路处
23、于采样状态；当样状态；当U为负时，为负时，D导通，导通，T关断，电路处于关断，电路处于保持状态。保持状态。工作原理：工作原理：uiuoRFR2+ACFDRCUT48第48页，共50页，编辑于2022年，星期三2.同相型采样保持电路同相型采样保持电路工作原理：工作原理：与反相型的相同。即与反相型的相同。即U为正时采样，为正时采样，U为负时保持；为负时保持；只是运算放大器工作在只是运算放大器工作在跟随状态，起缓冲级的作用。跟随状态，起缓冲级的作用。uiT+RCuoR1DC1U49第49页，共50页，编辑于2022年，星期三电子技术电子技术第六章第六章 结束结束模拟电路部分模拟电路部分50第50页，共50页，编辑于2022年，星期三