非線性運(yùn)算電路

非線性運(yùn)算電路第一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五學(xué)習(xí)本章后，讀者將了解：跨導(dǎo)模擬乘法器的原理，四象限變跨導(dǎo)集成乘法器對(duì)數(shù)電路、指數(shù)電路和對(duì)數(shù)式乘除法電路；絕對(duì)值運(yùn)算電路和最大值運(yùn)算電路；單限電壓比較器、遲滯比較器和窗口比較器的電路和傳輸特性，比較器的分析方法；集成電壓比較器。第二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五其中K為稱為相乘增益，具有V-1的量綱。電路符號(hào)如圖10.1.1所示，圖（a）同相乘法器，圖（b）反相乘法器。

當(dāng)1個(gè)輸入信號(hào)是單極性，而另一個(gè)信號(hào)是雙極性時(shí)，則稱為兩象限乘法器；當(dāng)2個(gè)輸入信號(hào)均是雙極性時(shí)，則稱為四象限乘法器。10.1變跨導(dǎo)模擬乘法器乘法器是一種廣泛使用的模擬集成電路，它可以實(shí)現(xiàn)乘、除、開(kāi)方、乘方、調(diào)幅等功能，廣泛應(yīng)用于模擬運(yùn)算、通信、測(cè)控系統(tǒng)、電氣測(cè)量和醫(yī)療儀器等許多領(lǐng)域。乘法器：輸出信號(hào)(vo)與2個(gè)輸入信號(hào)(vx和vy)之積成正比的電路。圖10.1.1模擬乘法器電路符號(hào)（a）同相乘法器KKvXvYvO（b）反相乘法器-KvXvYvO當(dāng)輸入信號(hào)均是單極性時(shí)，如vX>0,vY>0，則稱單象限乘法器；第三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.2兩象限變跨導(dǎo)乘法器IC3β，rbe當(dāng)vY>>VBE3>0時(shí)，差分對(duì)管的跨導(dǎo)為差分對(duì)管的跨導(dǎo)近似與輸入信號(hào)成正比。代入上式得通過(guò)改變差分對(duì)管的跨導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了兩象限反相乘法器（vY>0，單極性；vX可正可負(fù)，雙極性）。10.1.1變跨導(dǎo)模擬乘法器原理β和rbe分別是差分對(duì)管的電流放大系數(shù)和輸入電阻。利用恒流源差分放大電路可實(shí)現(xiàn)變跨導(dǎo)乘法運(yùn)算，如圖10.1.2所示。輸出電壓為第四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.3 四象限變跨導(dǎo)乘法電路為了允許vY為雙極性，采用雙差分放大電路組成四象限變跨導(dǎo)乘法器，如圖10.1.3所示。由電路，得 晶體管的電流方程為考慮到T1和T2特性一致，得代入，得

10.1.2四象限變跨導(dǎo)乘法器th(x)是非線性的雙曲正切函數(shù)。第五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五再由電路并考慮到RY遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T5和T6的發(fā)射極電阻，得將（10.1.6）和（10.1.7）代入（10.1.9），得將（10.1.8）代入上式，得10.1.8）輸出電壓為10.1.9）當(dāng)同理可得（10.1.7）第六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五vX和vY都是雙極性信號(hào)，即電路實(shí)現(xiàn)了四象限同相乘法器。但電路溫度變化的影響，且vX的線性范圍很小。單片集成乘法器MC1496等是按圖10.1.3原理制造的，電路原理和管腳如圖10.1.4所示。vXvYvORYIOY偏置T1D1T2T3T4T5T6T7T8圖10.1.4單片集成模擬乘法器MC1496電路原理圖和管腳圖第七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zA為了擴(kuò)展輸入信號(hào)vX的線性范圍和減少外圍電路元件，在四象限變跨導(dǎo)乘法器的基礎(chǔ)上增設(shè)了反雙曲正切運(yùn)算電路和求和電路，如圖10.1.5所示。單片集成乘法器AD534和AD734等是按圖10.1.5原理制造的。 （10.1.12） （10.1.13）10.1.3變跨導(dǎo)模擬乘/除法器由電路可得（10.1.12）第八頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zA是運(yùn)放的凈輸入電壓。注意到v1是四象限乘法電路的輸入，將（10.1.6）和（10.1.7）代入（10.1.13），得

（10.1.13）第九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五將（10.1.8）和（10.1.12）代入上式，得

（10.1.14）圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zA再由電路得第十頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zA由BJT發(fā)射結(jié)的電壓方程（9.2.3b），并考慮到T9和T10特性一致，得

（10.1.15）第十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zAarcth(x)是非線性的反雙曲正切函數(shù)。代入（10.1.14），得

（10.1.16）第十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五1．乘法電路令vo=vZ，如圖10.1.5中的點(diǎn)化線所示，則運(yùn)放A引入負(fù)反饋，輸入虛短和虛斷成立，即v’o=0。代入（10.16），得圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zA（10.1.17）（10.1.18）第十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.1.5 變跨導(dǎo)乘/除法器電路原理圖+反雙曲正切運(yùn)算電路四象限變跨導(dǎo)乘法電路求和電路zA構(gòu)成乘法電路，K是乘法增益，通常設(shè)計(jì)為K=0.1V-1。電路具有以下特點(diǎn)：①輸出電壓vo與輸入電壓vX、vY之積成比例，vX和vY可正可負(fù)，是四象限乘法電路；②輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)，溫度穩(wěn)定性好；③根據(jù)反雙曲正切函數(shù)的性質(zhì)可知，要求vX/IOXRX＜1。最大輸入電壓vXmax＜IOXRX；④由電路可知，|iY|<IOY,|iZ|<IOZ,即|vY|<RYIOY,|vZ|<RZIOZ。第十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五2．壓控增益放大器令vo=vZ，vY=VY（常數(shù)電壓），則

電壓增益Av與電壓VY成正比，構(gòu)成壓控增益放大器，輸入端vY作為增益控制端對(duì)。（10.1.19）（10.1.20）第十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五3．乘方電路令vo=vZ，vY=vX，則構(gòu)成平方電路。即 4．除法電路令vo=vY，則運(yùn)放A同樣引入負(fù)反饋，v’o=0。代入（10.16），得 5．平方根電路令vo=vY=vX，在vZ>0的條件下，則運(yùn)放A同樣引入負(fù)反饋，v’o=0。代入（10.16），得（10.1.21）（10.1.22）（10.1.23）第十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五利用對(duì)數(shù)運(yùn)算電路則可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的非線性壓縮，電路簡(jiǎn)單。如果需要恢復(fù)對(duì)數(shù)壓縮，則可采用指數(shù)運(yùn)算電路實(shí)施。10.2對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的對(duì)數(shù)成比例的電路稱為對(duì)數(shù)電路。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的指數(shù)成比例的電路稱為指數(shù)電路。在現(xiàn)實(shí)世界中，一些信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍（最大信號(hào)幅度與最小信號(hào)幅度之比）。比如雷達(dá)、聲納等無(wú)線電系統(tǒng)中，接收機(jī)前端信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB以上；光纖接收器前端的電流也可從“pA”級(jí)到“mA”級(jí)。在工程應(yīng)用中，處理寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)時(shí)，常常將其動(dòng)態(tài)范圍壓縮到一個(gè)可以處理的程度。動(dòng)態(tài)范圍的壓縮分為“線性壓縮”和“非線性壓縮”。利用壓控增益放大器可以實(shí)現(xiàn)線性壓縮，但必須根據(jù)輸入信號(hào)的電平來(lái)控制增益。第十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五在一定條件下，PN結(jié)的電壓是其電流的對(duì)數(shù)函數(shù)。所以，在反相比例運(yùn)算電路中，用晶體管的發(fā)射結(jié)代替反饋電阻Rf，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算，電路如圖10.2.1所示。 10.2.1對(duì)數(shù)運(yùn)算電路1．基本對(duì)數(shù)電路晶體管的電流和電壓方程分別為圖10.2.1基本對(duì)數(shù)電路RRiicvivo

當(dāng)輸入信號(hào)vi＞0時(shí)，vo＜0，晶體管導(dǎo)通，引入負(fù)反饋。所以當(dāng)溫度一定時(shí)，溫度當(dāng)量電壓VT和反向飽和IS都是常數(shù)，則輸出電壓是輸入電壓的對(duì)數(shù)函數(shù)。但是，輸出電壓幅值小于0.7V，輸入電壓必須大于0。但是，輸出電壓幅值小于0.7V，輸入電壓必須大于0。第十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.2.1基本對(duì)數(shù)電路圖10.2.2具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)電路A1A2vp2vn21當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，VT和IS都變化，故輸出電壓隨溫度變化。具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)電路如圖10.2.2所示。 運(yùn)放A2的同相端和反相端電位是

2．具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)電路圖中T1和T2特性一致，運(yùn)放A1和T1等組成基本對(duì)數(shù)電路，運(yùn)放A2、T2和熱敏電阻Rt等組成溫度補(bǔ)償及同相放大電路。由電路得式中去掉了反向飽和電流IS的影響。如果電阻R2、R3和Rt選擇適當(dāng)，可在工作溫度范圍內(nèi)抵消VT隨溫度的變化。故此電路不僅與溫度無(wú)關(guān)，還擴(kuò)大了輸出信號(hào)幅度。 單片集成對(duì)數(shù)放大器MAX4206和MAX4207既是按圖10.2.2原理制造。第十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.2.3基本指數(shù)電路10.2.2指數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)的逆運(yùn)算就是指數(shù)運(yùn)算，或稱為反對(duì)數(shù)運(yùn)算。在基本對(duì)數(shù)電路中，將電阻R與晶體管對(duì)換，新的電路既是指數(shù)電路，如圖10.2.3所示。具有溫度補(bǔ)償?shù)闹笖?shù)電路示于圖10.2.4。圖中T1和T2特性一致，運(yùn)放A1、T1和熱敏電阻Rt等組成溫度補(bǔ)償及同相放大電路，A2和T2等組成基本反對(duì)數(shù)電路。當(dāng)vi＞0時(shí)，三極管導(dǎo)通，所以（10.2.5）即輸出電壓是輸入電壓的指數(shù)函數(shù)，要求0.7V>vi>VT。為了克服溫度變化的影響，同樣需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。第二十頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五具有溫度補(bǔ)償?shù)闹笖?shù)電路示于圖10.2.4。圖中T1和T2特性一致，運(yùn)放A1、T1和熱敏電阻Rt等組成溫度補(bǔ)償及同相放大電路，A2和T2等組成基本反對(duì)數(shù)電路。運(yùn)放A1的同相端和反相端電位是所以由電路得 （10.2.6）圖10.2.4具有溫度補(bǔ)償?shù)闹笖?shù)電路如果電阻R2、R3和Rt選擇適當(dāng)，可在工作溫度范圍內(nèi)抵消VT隨溫度的變化。故此電路不僅與溫度無(wú)關(guān)，還擴(kuò)大了輸入信號(hào)幅度。

第二十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.2.5對(duì)數(shù)式乘/除法電路如果根據(jù)對(duì)數(shù)運(yùn)算的性質(zhì)，得圖中T1和A1、T2和A2、T3和A3組成3個(gè)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路；T4和A4組成反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路；T1、T2、T3和T4的發(fā)射結(jié)回路實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算。10.2.3對(duì)數(shù)式乘/除法電路因此，乘除運(yùn)算可轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)、加減和反對(duì)數(shù)運(yùn)算。典型電路如圖5.4.1所示。第二十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五由電路，得T1、T2、T3和T4的發(fā)射結(jié)回路的電壓方程為 當(dāng)全部輸入電壓大于0時(shí)，全部二極管截止，則當(dāng)時(shí)，晶體管的電壓方程是圖10.2.5對(duì)數(shù)式乘/除法電路即第二十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五所以圖10.2.5對(duì)數(shù)式乘/除法電路輸出電壓vo與輸入電壓vx、vy之積成正比，與輸入電壓vz成反比。并且vo與IS和VT無(wú)關(guān)，即克服了溫度變化的影響。注意，該電路要求全部輸入電壓大于零才能正常工作，因而是一象限乘除運(yùn)算電路。當(dāng)輸入誤接，即輸入小于零時(shí)，二極管導(dǎo)通，限制運(yùn)放的輸出電壓，以避免反向擊穿三極管的發(fā)射結(jié)。電容作相位補(bǔ)償，以消除自激振蕩。第二十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五將雙極性輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性輸出信號(hào)的電路稱為整流電路。例如，輸入輸出關(guān)系是的電路稱為半波整流電路；輸入輸出關(guān)系是的電路稱為全波整流電路，亦稱為絕對(duì)值電路。10.3精密整流電路整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)。對(duì)于小信號(hào)，如幅值小于1V，二極管的導(dǎo)通壓降（硅管約為0.7V）將產(chǎn)生不能容忍的誤差。而將二極管接入運(yùn)放的反饋通路構(gòu)成精密整流則可克服這個(gè)缺點(diǎn)。第二十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.3.1精密半波整流電路D1D2R2R1AvIvOvO1(a)電路vOvIo(b)傳輸特性當(dāng)vI<0時(shí)，運(yùn)放輸出vO1>0，二極管D1截止、D2導(dǎo)通。D2和R2對(duì)運(yùn)放引入負(fù)反饋，反向輸入端是虛地，故vO=-(R2/R1)vI。電路的傳輸特性如圖10.3.1（b）所示。10.3.1精密半波整流電路電路如圖10.3.1(a)所示。輸入信號(hào)通過(guò)電阻接入運(yùn)放的反相端，2個(gè)二極管接入運(yùn)放的反饋通路。當(dāng)vI>0時(shí)，運(yùn)放輸出vO1<0，二極管D1導(dǎo)通、D2截止。D1對(duì)運(yùn)放引入負(fù)反饋，反向輸入端是虛地，故vO=0。因此，電路將雙極性輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性輸出信號(hào)，即第二十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.3.2精密半波整流電路D1D2R2R1A1vIvOvO1(a)電路RP2R3R4R5A2圖10.3.2中，運(yùn)放A1、D1、D2、R1和R2組成精密半波整流電路，運(yùn)放A2及其外圍元件組成反相加法器。反相加法器輸出為vO1是精密半波整流電路的輸出。所以

選擇R4=R3/2，R1=R2，則代入（10.3.2）式，

10.3.2精密全波整流電路（10.3.2）第二十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五vOvIo(b)傳輸特性輸出電壓與輸入電壓的絕對(duì)值成正比，將雙極性輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性輸出信號(hào)。圖10.3.2精密半波整流電路D1D2R2R1A1vIvOvO1(a)電路RP2R3R4R5A2電路的傳輸特性如圖10.3.2(b)所示。第二十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五(b)輸入輸出波形[vO(0)=0]vOvIotv圖10.4.1基本峰值檢測(cè)電路DAvIvO(a)電路CvO1獲取輸入信號(hào)最大值的電路既是峰值檢測(cè)電路或最大值電路。上式中，vO1是運(yùn)放輸出電壓，Avd是運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益，Von是二極管的導(dǎo)通壓降。所以 當(dāng)vI<vO時(shí)，vO1為負(fù)，D截止，運(yùn)放因開(kāi)環(huán)而負(fù)飽和（vO1近似等于負(fù)電源電壓，即vO1≈-VEE）。10.4峰值檢測(cè)電路當(dāng)vI>vO時(shí)，vO1為正，D導(dǎo)通，電容充電。輸出電壓為電容存儲(chǔ)檢測(cè)到的輸入電壓最大值，作為電路的輸出。設(shè)電容電壓初始值為0，輸入輸出波形如圖10.4.1（b）。同時(shí)，運(yùn)放輸入電阻很大，電容電壓保持不變。第二十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.4.2實(shí)用峰值檢測(cè)電路D1A1vIvOCvCA2D2R基本峰值檢測(cè)電路的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢。因?yàn)樵诙O管截止期間，運(yùn)放負(fù)飽和。當(dāng)vI>vO時(shí)，運(yùn)放必須先退出負(fù)飽和，然后，運(yùn)放的輸出電壓由負(fù)電源電壓（vO1≈-VEE）上升至使二極管導(dǎo)通（vO1=Von+vI）。

當(dāng)vI>vO時(shí)，A1的輸出電壓使D1截止、D2導(dǎo)通，電容充電。等效電路如圖10.4.3(a)所示。電阻R使運(yùn)放A1為負(fù)反饋，輸出電壓為

解決辦法是，限制運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)和選擇輸出電壓轉(zhuǎn)換速率大的運(yùn)放。如圖10.4.2所示。運(yùn)放A2連接成電壓跟隨器，即vO=vC。D1A1vIvOCvCA2D2RVon（a）vI>vO時(shí)的等效電路第三十頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)vI<vO時(shí)，A1的輸出電壓使D1導(dǎo)通、D2截止，等效電路如圖10.4.3(b)所示。電阻R和二極管D1使運(yùn)放A1為負(fù)反饋，電容放電的等效電阻很大，電容電壓保持不變。除了響應(yīng)速度快以外，圖10.4.2電路還實(shí)現(xiàn)了負(fù)載隔離。在電容電壓初始值為0時(shí)，輸入輸出波形與圖10.4.1（b）相同。D1A1vIvOCvCA2D2Von（b）vI<vO時(shí)的等效電路R

圖10.4.3圖10.4.2的等效電路vOvIotv圖10.4.1基本峰值檢測(cè)電路DAvIvO(a)電路CvO1第三十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五10.5電壓比較器常用于測(cè)量、自動(dòng)控制和波形發(fā)生等電路中。電壓比較器的功能是比較兩個(gè)輸入電壓值的大小，比較結(jié)果以輸出兩個(gè)不同數(shù)值的恒定電壓表示。用集成運(yùn)放構(gòu)成比較器時(shí)，運(yùn)放通常是開(kāi)環(huán)或正反饋連接方式，工作在飽和區(qū)，虛斷成立，但虛短不成立。10.5.1單限比較器單限電壓比較器如圖10.5.1(a)所示。圖中vI從反相端輸入，稱為反相單限電壓比較器，簡(jiǎn)稱為反相比較器。VR是參考電壓，輸出電壓vO表示vI與VR的比較結(jié)果。vIvOVRA(a)電路vpvnvIvOVRvpvnSA(b)等效電路|VOsat-|VOsat+運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，等效電路如圖10.5.1(b)所示。第三十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五vIvOVRA(a)電路vpvnvIvOVRvpvnSA(b)等效電路|VOsat-|VOsat+注意運(yùn)放輸入端開(kāi)路，同相端電位vp與反相端電位vn具有較大差值。如果vp>vn，開(kāi)關(guān)S與正飽和輸出電壓VOsat+相連；如果vp<vn，開(kāi)關(guān)S與負(fù)飽和輸出電壓VOsat-相連。當(dāng)vI>VR時(shí)，運(yùn)放輸出高電平VOH；當(dāng)vI<VR時(shí)，運(yùn)放輸出低電平VOL。即vOvI(c)同相傳輸特性VOHVOLoVT=VR輸入電壓下降越過(guò)閾值電壓VT時(shí)，輸出電壓由VOH負(fù)跳變到VOL。傳輸特性如圖10.5.1(c)所示。閾值電壓或門(mén)限電壓VT。在圖（a）中，VT=VR。閾值電壓或門(mén)限電壓VT：輸入電壓上升越過(guò)閾值電壓VT時(shí)，輸出電壓由VOL正跳變到VOH；第三十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)VR=0時(shí)，VT=0，輸出電壓在輸入電壓過(guò)零時(shí)跳變，所以稱為過(guò)零比較器。傳輸特性反映了電路的功能。傳輸特性具有3個(gè)要素：1.輸出高電平VOH和輸出低電平VOL：圖10.5.1電路的高低電平與運(yùn)放的飽和電壓有關(guān)；2.輸入閾值電壓VT：使運(yùn)放同相端電位vp和反相端電位vn相等的輸入電壓既是閾值電壓；3.輸出電壓跳變方向：判斷輸入電壓上升越過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓的跳變方向，即可確定傳輸特性。輸入電壓接入運(yùn)放的同相端，則輸入電壓上升越過(guò)閾值電壓VT時(shí)，輸出電壓產(chǎn)生正跳變（同相比較器）。輸入電壓接入運(yùn)放的反相端，則輸入電壓上升越過(guò)閾值電壓VT時(shí)，輸出電壓產(chǎn)生負(fù)跳變（反相比較器）。第三十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五集成：圖10.5.3反相過(guò)零比較器vIvOARD1D2當(dāng)vI<0時(shí)，運(yùn)放輸出電壓上升至Von+VZ1時(shí)，D2正向?qū)?、D1擊穿穩(wěn)壓，引入負(fù)反饋，輸出電壓為Von+VZ1，運(yùn)放不能進(jìn)入正飽和；反相過(guò)零比較器如圖10.5.3所示，圖中增加了穩(wěn)壓二極管D1和D2組成的限幅電路。在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓滿足Von+VZ1<VOsat+和Von+VZ2<|VOsat-|的情況下，運(yùn)放不能進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)vI>0時(shí)，運(yùn)放輸出電壓下降至-(Von+VZ2)時(shí)，D1正向?qū)?、D2擊穿穩(wěn)壓，引入負(fù)反饋，輸出電壓為-(Von+VZ2)，運(yùn)放不能進(jìn)入負(fù)飽和。即因?yàn)檫\(yùn)放退出飽和狀態(tài)需要較長(zhǎng)時(shí)間，所以限制運(yùn)放進(jìn)入飽和狀態(tài)可以提高電路的響應(yīng)速度。第三十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.5.4反相過(guò)零比較器的輸入輸出波形vIVOHovOωtVOLoωt例如，當(dāng)輸入為正弦波時(shí)，同相過(guò)零比較器輸出電壓為方波，如圖10.5.4所示。如果運(yùn)放飽和，則需增加運(yùn)放退出飽和的時(shí)間。例如圖10.5.3的運(yùn)放是LM741，其SR=0.5V/μS；對(duì)頂穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為±10V，則因此，通用運(yùn)放組成的比較器響應(yīng)速度很慢。波形變換在過(guò)零附近，輸出電壓上升或下降的時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)近似為運(yùn)放輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率第三十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五10.5.2集成電壓比較器 T1、T2、T3和T4組成復(fù)合共射極差分放大電路，T5和T6是有源負(fù)載，I1是差放的電流源；由于T1和T4的靜態(tài)電流僅為10μA，它們的輸入電阻rbe可達(dá)100kΩ以上，使整個(gè)電路的輸入電阻很大，輸入電流近似為零（虛斷）。T3和電流源I2是共射極放大電路。T8和外接上拉電阻R組成反相器，T8工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即飽和導(dǎo)通或者截止。 LM193/293/393的電源電壓范圍寬，（VCC-VSS）在2~36V之間。電源電壓不影響2個(gè)電流源的電流大小，工作穩(wěn)定。VSS通常接地，也可以接負(fù)電源。LM193/293/393的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.3μS。為了提高比較器的響應(yīng)速度，可采用專用的集成電壓比較器。圖10.5.5是集成電壓比較器LM193/293/393的電路原理圖、管腳圖和連接成反相電壓比較器。圖10.5.5集成電壓比較器LM193/293/393電路原理圖、管腳圖和反相電壓比較器VSSvIvOVRIN+IN-VSSVCCLM393R10kΩVSST2T1T5T3T6T4T7T8D3D1D4D2I1I2T1、T2、T3和T4組成復(fù)合共射極差分放大電路，T5和T6是有源負(fù)載，I1是差放的電流源；第三十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖10.5.5集成電壓比較器LM193/293/393電路原理圖、管腳圖和反相電壓比較器VSSvIvOVRIN+IN-VSSVCCLM393R10kΩVSST2T1T5T3T6T4T7T8