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1、電子技術(shù)第六章 非線性處理器 模擬電路部分2021/9/121 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*2021/9/122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)。2021/9/1232. 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)。ui0時(shí):ui UR時(shí) , uo = +Uom當(dāng)ui U
2、R時(shí) , uo = -Uom 一、若ui從同相端輸入2021/9/129+uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)ui UR時(shí) , uo = -Uom 二、 若ui從反相端輸入2021/9/1210uoui0+UOM-UOM+uoui三、過零比較器: (UR =0時(shí))+uouiuoui0+UOM-UOM2021/9/1211+uouitui例:利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom2021/9/1212+uiuoui0+UZ-UZ電路改進(jìn):用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。+uiuoUZRRuoUZ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2021/9/1213比較器的特點(diǎn)1
3、. 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)2021/9/1214一、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2021/9/1215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
4、變到Uom 。傳輸特性:uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干擾不會引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時(shí),正反饋加速跳轉(zhuǎn)。2021/9/1216tuiUom-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。+uoRR2R1ui2021/9/12172. 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-UomUHUL2021/9/1218下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL2021/9/1219例:R1=10k,R2=20k ,U
5、OM=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-UomUHUL5V10Vuit02021/9/1220首先計(jì)算上下門限電壓:+uoRR2R1uiUR2021/9/1221+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V2021/9/1222u+=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+0 時(shí),uo10 , 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
6、 , 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 ;2021/9/12291. 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?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!+uiuoR1RFR2D1D22021/9/1230tui0tuo0當(dāng)ui 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
7、反相比例放大器。u= u+=0V ,uo10.7V uo=0 ;RF1uiR1R21D1D2uo+A1uo12021/9/1231二、絕對值 ( 全波整流 ) 電路在精密半波整流電路的基礎(chǔ)上,加一級加法運(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):2021/9/1232左圖中A1 構(gòu)成半波整流電路,在 R1RF1 的條件下,有:0(當(dāng) ui 0 )- uiu1=+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A2工作原理:tui0tu102021/9/1233tui0tu10tuo0若滿足一定的條件,就
8、可以有:+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A22021/9/1234已知在 R1RF1 的條件下,有:0(當(dāng) ui 0 )- uiu1=若R12 RF2 且 R11 = 0.5 RF2 當(dāng)ui 0 時(shí),+uiR1RF1R21D1D2R11A1u1+uoRF2R22R12A22021/9/1235三、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。20
9、21/9/12361. 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+A1A2CF2021/9/1237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。2021/9/12382. 全波整流的平均值電路在絕對值電路的基礎(chǔ)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(shí)際上,在絕對值電路中,有時(shí)只增加一個(gè)電容,就能達(dá)到目的。uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R
10、22R12u1+A1A2C2021/9/1239全波整流的平均值電路uiuoR1RF1R21D1D2R11RF2R22R12u1+A1A2C2021/9/1240一、“采樣保持”的含義圖(a)為采樣保持電路的輸入 信號 u ( t );圖( b )為一組離散的單位沖擊函數(shù) f (t ), 用于對輸入信號 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。如果我們設(shè)法使這個(gè)數(shù)值延長至下個(gè)采樣信號來到時(shí)再作改變,如圖(d)所示,這就是“保持”電路的功能。 6.
11、5 采樣保持電路2021/9/1241二、采樣保持電路的組成 采樣保持電路由模擬開關(guān)K 和模擬信號存儲電容 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)型場效應(yīng)管或MOS場效應(yīng)管組成,緩沖放大器則采用集成運(yùn)算放大器。2021/9/1242當(dāng)數(shù)字指令為“1”時(shí),模擬開關(guān)K 接通,存儲電容C上的信號 uC 跟蹤輸入信號,經(jīng)緩沖放大器送出,所以輸出信號也跟蹤輸入信號,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,存儲電容將斷開瞬間 t0 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 t0 時(shí)刻的輸入信號,這就是保持過程。三、采樣保持電路的工作原理+RCK
12、ucuoui2021/9/1243對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)主要是場效應(yīng)管。為了得到高質(zhì)量的采樣保持電路,場效應(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2021/9/1244 (b) 存儲電容 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 應(yīng)會使放電后的電容電壓產(chǎn)生不應(yīng)有的回升,而泄漏
13、電阻 則引起電容上的保持電壓隨時(shí)間逐漸減小,降低保持精度。應(yīng)該選用介質(zhì)吸附效應(yīng)小同時(shí)泄漏電阻大的電容器,如聚苯乙烯或聚碳酸脂電容器等。2021/9/1245( c ) 運(yùn)算放大器運(yùn)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(shù)。在采樣保持電路中,幾乎毫無例外的都采用具有場效應(yīng)管輸入級的運(yùn)算放大器,或者具有低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器;同時(shí)運(yùn)算放大器的上升速率要大于輸入信號的變化率,它的帶寬和輸出電流都要大一些為好。2021/9/1246主要組成部分:結(jié)型場效應(yīng)管模擬開關(guān)T;存儲電容CF ;反相工作的運(yùn)算放大器。 1. 反相型采樣保持電路五、采樣保持電路的兩種形式uiuoRFR2+ACFDRCUT2021/9/1247反相型采樣保持電路常常具有原理性誤差,它只限于低速應(yīng)用,不如同相型電路用得廣泛,故而在此只作簡單介紹。 反相工作的放大器使其反
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