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1、 6 1 电子技术 第六章非线性处理器 模拟电路部分 6 2 第六章非线性处理器 6 1限幅器 6 2电压比较器 6 3迟滞比较器 6 4精密整流电路 6 5采样 保持电路 6 3 非线性应用 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uo f ui 是非线性函数 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 比如 运放开环应用 运放电路中有正反馈 运放处于非线性状态 6 4 2 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 ui 0时 ui 0时 6 5 3 另一种情况 电路中的运放处于非线性状态 外围电路也有非线性元件 二极管
2、 三极管 由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同 所以分析电路前 首先确定运放是否工作在线性区 确定运放工作区的方法 判断电路中有无负反馈 若有负反馈 则运放工作在线性区 若无负反馈 或有正反馈 则运放工作在非线性区 处于非线性状态运放的特点 1 虚短路不成立 2 输入电阻仍可以认为很大 3 输出电阻仍可以认为是0 6 6 6 1限幅器 运放处于线性状态 但外围电路有非线性元件 稳压二极管 R 限流电阻 一般取100 DZ双向稳压管 6 7 另一种形式的限幅器 双向稳压管接于负反馈回路上 当时 在双向稳压管的作用下 当时 双向稳压管不通 运放工作在线性状态 6 8 传输特性 6 9 6
3、2电压比较器 特点 运放处于开环状态 当ui UR时 uo Uom当ui UR时 uo Uom 一 若ui从同相端输入 6 10 UR 当uiUR时 uo Uom 二 若ui从反相端输入 6 11 三 过零比较器 UR 0时 6 12 例 利用电压比较器将正弦波变为方波 6 13 电路改进 用稳压管稳定输出电压 6 14 比较器的特点 1 电路简单 2 当Ao不够大时 输出边沿不陡 3 容易引入干扰 6 15 一 下行迟滞比较器 分析 1 因为有正反馈 所以输出饱和 2 当uo正饱和时 uo UOM U 3 当uo负饱和时 uo UOM 6 3迟滞比较器 特点 电路中使用正反馈 运放处于非线性
4、状态 1 没加参考电压的下行迟滞比较器 6 16 分别称UH和UL上下门限电压 称 UH UL 为回差 当ui增加到UH时 输出由Uom跳变到 Uom 当ui减小到UL时 输出由 Uom跳变到Uom 传输特性 小于回差的干扰不会引起跳转 跳转时 正反馈加速跳转 6 17 例 下行迟滞比较器的输入为正弦波时 画出输出的波形 6 18 2 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 6 19 下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较 6 20 例 R1 10k R2 20k UOM 12V UR 9V当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 6 21 首先计算上下门限电压 6 22
5、 根据传输特性画输出波形图 6 23 u 0时翻转 可以求出上下门限电压 二 上行迟滞比较器 当u u 0时 uo UOM当u u 0时 uo UOM 1 没加参考电压的上行迟滞比较器 6 24 上下门限电压 6 25 上下门限电压 当uo UOM时 当uo UOM时 2 加上参考电压后的上行迟滞比较器 6 26 传输特性 6 27 迟滞比较器电路改进 为了稳定输出电压 可以在输出端加上双向稳压管 思考题 如何计算上下限 6 28 一 线性检波 半波整流 电路 1 由于硅二极管的正向导通电压不小于0 5V 当Ui小于1V时 UO误差很大 2 二极管作为一个半导体元件 它很容易受到温度的影响 它
6、还具有非线性特性 解决方法 若把普通二极管置于运算放大器的反馈回路中 就能大大削弱这些影响 提高电路的精度 普通半波整流电路的缺陷 6 4精密整流电路 6 29 uo1 精密半波整流电路 精密半波整流电路的工作原理 当ui 0时 uo1 0 D2导通 D1截止 运放工作在深度负反馈状态 当ui0 D2截止 D1导通 构成反相比例放大器 u u 0V uo1 0 7V uo 0 6 30 1 运放的输出电压大于二极管的正向电压 即D1和D2总是一个导通 另一个截止 这样电路就能正常检波 思考题 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 2 电路所要求的最小输入电压峰值为 其中
7、 UD为二极管的正向电压 答 二极管反向 6 31 当ui0 D2导通 D1截止 运放工作在深度负反馈状态 当ui 0时 uo1 0 D2截止 D1导通 构成反相比例放大器 u u 0V uo1 0 7V uo 0 6 32 二 绝对值 全波整流 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 就组成了精密全波整流电路 电路结构 6 33 左图中A1构成半波整流电路 在R1 RF1的条件下 有 0 当ui 0 当ui 0 ui 工作原理 6 34 若满足一定的条件 就可以有 6 35 若R12 RF2且R11 0 5RF2 当ui 0时 u1 0 于是uo ui uo 2u1 ui 2
8、ui ui ui 当ui 0时 6 36 三 平均值电路 作用 交流 直流变换器 半波整流的平均值电路 种类 有两种平均值电路 全波整流的平均值电路 方法 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 原理 把交流信号整流后 再经滤波器 就把交流电压按比例地变成了直流电压 且一般是平均值电压 6 37 1 半波整流的平均值电路 这时可以认为全部纹波电压都被A2所抑制 起作用的仅是u1的直流分量 即平均值电压 6 38 设 可得 将代入 得 当时 可见 输出是输入的半波整流平均值 6 39 2 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 就组成了全波整流的平
9、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 6 40 全波整流的平均值电路 6 41 一 采样 保持 的含义 图 a 为采样 保持电路的输入信号u t 图 b 为一组离散的单位冲击函数f t 用于对输入信号u t 进行采样 图中的T称为采样周期 若将u t 乘以f t 即可得 采样 后的信号g t 如图 c 所示 从图 c 可以看见某个时刻的采样值是转瞬即逝的 如果我们设法使这个数值延长至下个采样信号来到时再作改变 如图 d 所示 这就是 保持 电路的功能 6 5采样 保持电路 6 42 二 采样 保持电路的组成 采样 保持电路由模拟开关K和模拟信号存储电容C以及缓冲放
10、大器等三部分组成 模拟开关K一般由结型场效应管或MOS场效应管组成 缓冲放大器则采用集成运算放大器 6 43 当数字指令为 1 时 模拟开关K接通 存储电容C上的信号uC跟踪输入信号 经缓冲放大器送出 所以输出信号也跟踪输入信号 这就是采样过程 当数字指令为 0 时 模拟开关K断开 存储电容将断开瞬间t0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t0时刻的输入信号 这就是保持过程 三 采样 保持电路的工作原理 6 44 对采样 保持电路的主要要求是它的精度和速度 为了提高实际电路的精度和速度 可以从元件和电路结构两个方面着手解决 从元件方面 a 模拟开关 采样 保持电路所使用的模拟
11、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参数指标 四 采样 保持电路的性能要求 6 45 b 存储电容 实际电容器具有介质吸附效应和泄漏电阻 介质吸附效应会使放电后的电容电压产生不应有的回升 而泄漏电阻则引起电容上的保持电压随时间逐渐减小 降低保持精度 应该选用介质吸附效应小同时泄漏电阻大的电容器 如聚苯乙烯或聚碳酸脂电容器等 6 46 c 运算放大器 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
12、要特别重视它的输入偏置电流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 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一些为好 6 47 主要组成部分 结型场效应管模拟开关T 存储电容CF 反相工作的运算放大器 1 反相型采样 保持电路 五 采样 保持电路的两种形式 6 48 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 故而在此只作简单介绍 反相工作的放大器使其反相端为虚地 因此 当控制电压U为正时 二极管D截止 T接通 电路处于采样状态 当U为负时 D导通 T关断 电路处于保持状态 工作原理 6 49 2 同相型采样 保持电路 工作原理 与反相型的相同 即U为正时采样 U为负时保持 只是运算放大器工作在跟随状态 起缓冲级的作用 6 50 电子技术 第六章结束 模拟电路部分
