第10章非線性運(yùn)算電路

第10章非線性運(yùn)算電路*10.1

變跨導(dǎo)模擬乘法器10.2

對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路10.3精密整流電路10.4

峰值檢測電路10.5

電壓比較器略兩象限乘法器；當(dāng)2個輸入信號均是雙極性時(shí)，則稱為四象限乘法器。*10.1變跨導(dǎo)模擬乘法器圖10.1.1模擬乘法器電路符號（a）同相乘法器KKvXvYvO（b）反相乘法器-KvXvYvO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、開方、乘方、調(diào)幅等功能，廣泛應(yīng)用于模擬運(yùn)算、通信、測控系統(tǒng)、電氣測量和醫(yī)療儀器等許多領(lǐng)域。乘法器：輸出信號(vo)與2個輸入信號(vx和vy)之積成正比的電路。vo

=

KvX

vY

or

vo

=

-KvX

vY其中K為稱為相乘增益，具有V-1的量綱。電路符號如圖10.1.1所示，圖（a）同相乘法器，圖（b）反相乘法器。當(dāng)輸入信號均是單極性時(shí)，如vX>0,vY>0，則稱單象限乘法器；當(dāng)1個輸入信號是單極性，而另一個信號是雙極性時(shí)，則稱為圖10.1.2兩象限變跨導(dǎo)乘法器β，rbeIC3Xbeovrv=

-

b

R

cYT

eTEbemIrg12V

2V

R)

VT?

v(1

+

b=

b

=

b

?

IC

3T

eoRcvY

vX

=

-KvX

vYv

=

-2V

R差分對管的跨導(dǎo)近似與輸入信號成正比。代入上式得通過改變差分對管的跨導(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分別是差分對管的電流放大系數(shù)和輸入電阻。當(dāng)vY>>VBE3>0時(shí)，差分對管的跨導(dǎo)為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XVTi

i I

ei

iv

/(vv

/

VC

2

E

2

SBE

2

TI

evBE1

/

VT=

e=

S

=

e

C1

?

E1BE1-vBE

2

)

/

VT1C

5C1C

5ii1

+

ev

X

/

VTi

=1

+

ev

X

/

VTev

X

/

VTiC

2

=TXv2VevX

/VTevX

/VTiC5

=

iC5

=iC5th+1-1(iC1

-iC2)

=evX

/(2VT

)

+e-vX

/(2VT

)evX

/(2VT

)

-e-vX

/(2VT

)圖10.1.3四象限變跨導(dǎo)乘法電路考慮到T1和T2特性一致，得代入iC1

+iC

2

?iE1

+iE

2

=iC

5

，得10.1.2四象限變跨導(dǎo)乘法器為了允許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iC1

+

iC

2

?

iE1

+

iE

2

=

iC

5晶體管的電流方程為th(x)是非線性的雙曲正切函數(shù)。v

/VSv

/VvBE

/

VT

>>

1iC

?

iE

=

IS

(e

-1)?

I

eBE

TBE

TT2Vo

c

C

5

C

6v

=

R

(i

-

i

)th

vXTYYcov th

vXR2V2Rv

=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iC

5

=

IOY

+

iYiC

6

=

IOY

-

iY將（10.1.8）代入上式，得YRC

5

C

6

Yi

-

i

=

2i

=

2

vY10.1.8）輸出電壓為vo

=

[VCC

-

Rc

(iC

2

+

iC

4

)]

-[VCC

-

Rc

(iC1

+

iC

3

)]=

Rc

[(iC1

-

iC

2

)

-

(iC

4

-

iC

3

)]將（10.1.6）和（10.1.7）代入（10.1.9），得10.1.9）T2VC

6)

=

i

th

vX(iC

4

-

iC

3同理可得（10.1.7）<<1時(shí)，2VTv當(dāng)

XX

YYYY

T

Y

T

Y

TcovX

Rcv th

vXR=

v

vv

==

2Rc

v2V

R

2V R

V2RvX和vY都是雙極性信號，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D1T1

T2T3T4T5T6T7T8圖10.1.4單片集成模擬乘法器MC1496電路原理圖和管腳圖圖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z+A為了擴(kuò)展輸入信號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。10.1.3變跨導(dǎo)模擬乘/除法器ZRC12

C11

Zi

-

i

=

2i

=

2

vZ由電路可得（10.1.12）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z+Av,oC11c

C12Tc C

5

C

6o2Vv,-

i

)=

R

[(i

-

i

)th

v1

]

-

R

(i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ov,=

[VCC

-

Rc

(iC

2

+

iC

4

+

iC12

)]

-[VCC

-

Rc

(iC1

+

iC

3

+

iC11=

Rc

[(iC1

-

iC

2

)

-

(iC

4

-

iC

3

)]

-

Rc

(iC12

-

iC11

))]（10.1.13）將（10.1.8）和（10.1.12）代入上式，得ZZYY

Tov

th

vR2Vv

,=

2

Rc

v1

-

2

Rc（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z+A再由電路得XOXXOXRv+

X

Ri

=

i

=

I

+

i

=

IC

7C

9XOXOX

XRv-

X

i

=

i

=

I

-

i

=

IC

8C10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z+AX

OXXXOXXOXR

IX

OXvXR

IRvIi

RI

-+

vX

vX1

-1

+=

VT

lniC10v1

=

vBE

9

-

vBE10

=

VT

ln

C

9

=

VT

ln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X

OXR

IvXv1

=

2VT

arcth（10.1.15）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z+Aarcth(x)是非線性的反雙曲正切函數(shù)。代入（10.1.14），得ZZX

YX

Y

OXoRR

R

Iv,2Rc

-

2Rc

v=

v

v（10.1.16）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z+AX

Y

X

YX

Y

OXo

ZR R

IRZ（10.1.17）RX

RY

IOXv

=

v

=

v

v

=

Kv

vRZK

=（10.1.18）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z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。+AX

Y

Y

X

v

XX

Y

OXR R

IRZvo

=

vZ

=

v

v

=

KV

v

=

A

vX

Y

OXR

R

IRZVYAv

=

KVY

=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。（10.1.19）（10.1.20）2vo

=

vZ

=

KvXZ

X

XR

v

K

v=

RX

RY

IOXvo

=

vYvZ

=

1

vZKRvZZZRX

RY

IOXv

=vo

=

vX

=

vY

=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）*

10.2

對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路輸出信號與輸入信號的對數(shù)成比例的電路稱為對數(shù)電路。輸出信號與輸入信號的指數(shù)成比例的電路稱為指數(shù)電路。在現(xiàn)實(shí)世界中，一些信號往往具有很寬的動態(tài)范圍（最大信號幅度與最小信號幅度之比）。比如雷達(dá)、聲納等無線電系統(tǒng)中，接收機(jī)前端信號動態(tài)范圍可達(dá)120dB以上；光纖接收器前端的電流也可從“pA”級到“mA”級。在工程應(yīng)用中，處理寬動態(tài)范圍的信號時(shí)，常常將其動態(tài)范圍壓縮到一個可以處理的程度。動態(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)輸入信號的電平來控制增益。利用對數(shù)運(yùn)算電路則可實(shí)現(xiàn)自動的非線性壓縮，電路簡單。如果需要恢復(fù)對數(shù)壓縮，則可采用指數(shù)運(yùn)算電路實(shí)施。Tv

/VS

BEv

/Vv

/

V

>>

1iC

?

iE

=

IS

(e

-1)

?

I

eBE

TBE

T10.2.1對數(shù)運(yùn)算電路1．基本對數(shù)電路在一定條件下，PN結(jié)的電壓是其電流的對數(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)對數(shù)運(yùn)算，電路如圖10.2.1所示。晶體管的電流和電壓方程分別為SCvBE

/VT

>>1IivBE

=

VT

ln圖10.2.1基本對數(shù)電路RRiicvivo當(dāng)輸入信號vi＞0時(shí)，vo＜0，晶體管導(dǎo)通，引入負(fù)反饋。所以iTS

SCvBE

/VT

>>1RI=

-V

lnIi

vvo

=

-vBE

=

-VT

ln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。A1A2vp2vn21RiTSiTSRRIvRIII

vp

2=

-V

ln-V

lnv

=

vn

2

=

vBE

2

+

vo1

=

VT

lniTvvt

2

3o p

2=

-

V

lnRt

+

R2

Rt

+

R2

RIR=

Rt

+

R2

+

R3

v

R

+

R

+

R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?shù)電路當(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?shù)電路如圖10.2.2所示。圖中T1和T2特性一致，運(yùn)放A1和T1等組成基本對數(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。1

1R

RIR=

VCC

-

(vBE

2

-

vBE1

)

?

VCC由電路得式中去掉了反向飽和電流IS的影響。2

3

t如果電阻R、R和R選擇適當(dāng)，可在大了輸出信號幅度。圖10.2.1基本對數(shù)電路

圖10.2.2

具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shù)電路工作溫度范圍內(nèi)抵消VT隨溫度的變化。故此電路不僅與溫度無關(guān)，還擴(kuò)單片集成對數(shù)放大器MAX4206和MAX4207既是按圖10.2.2原理制造。v

/Vv

/Vi

?

i

=

I

(e

-1)

?

I

e vi

/

VT

>>

1BE

T

i

T10.2.2指數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)的逆運(yùn)算就是指數(shù)運(yùn)算，或稱為反對數(shù)運(yùn)算。在基本對數(shù)電路中，將電阻R與晶體管對換，新的電路既是指數(shù)電路，如圖10.2.3所示。當(dāng)vi＞0時(shí)，三極管導(dǎo)通，i

To

f

f

Sv

/

Vi R

=

-RI

ev

=

-i R

=

-C

E

S

S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。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等組成基本反對數(shù)電路。圖10.2.3

基本指數(shù)電路具有溫度補(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等組成基本反對數(shù)電路。it32R

+

R

+

RRt

+

R2vn1

=

vp1

=

vRoTRfRT

TRIvIiIiBE

2

n2=

-V

ln+

v

=

-V

ln

C

2

=

-V

lnvn1

=

vBE1

-

v運(yùn)放A1的同相端和反相端電位是)t

2

3

TRRVviR

+

R

+

R

VRt

+

R2=

RI

eRt

+R2

+R3

VTRt

+R2

viT=

RI

ln-1

(-

vn1所以

vo

=

RIRe1

1R

RIR=

VCC

-

vBE1

+

vBE

2

-

vn

2

?

VCC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關(guān)，還擴(kuò)大了輸入信號幅度。ozyx-1

x

yz

o

z

z-

ln

v

)

=

1-

ln

v=

ln

(ln )

=

ln-1

(ln

v

+ln

vv

v v

vvxvy

v

vzx

yovv

vv

=如果根據(jù)對數(shù)運(yùn)算的性質(zhì)，得10.2.3對數(shù)式乘/除法電路(ln

vx

+ln

vy

-

ln

vz

-

ln

vo

)

=

0因此，乘除運(yùn)算可轉(zhuǎn)化

為對數(shù)、加減和反對數(shù)運(yùn)算。典型電路如圖5.4.1所示。圖中T1和A1、T2和A2、T3

和A3組成3個對數(shù)運(yùn)算電路；T4和A4組成反對數(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。圖10.2.5

對數(shù)式乘/除法電路fyyxxzzRRvRRv

v=

voi

=C

4C

2C1、i

=

、iC

3

=

、iSCIiv

=

V

ln由電路，得T1、T2、T3和T4的發(fā)射結(jié)回路的電壓方程為vBE

4

-

vBE

2

+

vBE1

-

vBE

3

=

0當(dāng)全部輸入電壓大于0時(shí)，全部二極管截止，則當(dāng)vBE

>>VT時(shí)，晶體管的電壓方程是圖10.2.5

對數(shù)式乘/除法電路=

0+y

STz

STx

STf

STR

IvyR

IvzV

lnR

IvxR

IBE

TvoV

ln-V

ln-

V

ln=

0vxvyvovzRf

Rzln

Rx

Ry即x

y

zf

zoR

R

vR

R

vxvyv

=所以圖10.2.5

對數(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。將雙極性輸入信號轉(zhuǎn)換為單極性輸出信號的電路稱為整流電路。例如，輸入輸出關(guān)系是iovi

>

00

vi

<

0vv

=*

10.3精密整流電路的電路稱為半波整流電路；輸入輸出關(guān)系是vo

=

vi的電路稱為全波整流電路，亦稱為絕對值電路。整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)。對于小信號，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缺點(diǎn)。

1I

IR0

vI

>

0vo

=

-

R2

v

v

<

0圖10.3.1精密半波整流電路D1D2R1AvIR2

vOvO1(a)電路vOvIo(b)傳輸特性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。輸入信號通過電阻接入運(yùn)放的反相端，2個二極管接入運(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對運(yùn)放引入負(fù)反饋，反向輸入端是虛地，故vO=0。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對運(yùn)放引入負(fù)反饋，反向輸入端是虛地，故vO=-(R2/R1)vI。因此，電路將雙極性輸入信號轉(zhuǎn)換為單極性輸出信號，即A1幻燈片25A1D1Administrators,

2009/6/1D1D2R2R1A1vIvOO1(a)電路圖10.3.2精密半波整流電路RP2R3v

R4R5A2R3

R4R

RvO

=

-

5

vI

-

5

vO1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R5

R2

-

R5

=

R5R4

R1

R3

R3代入（10.3.2）式，10.3.2精密全波整流電路(3

5

4

1 5

2

IIIIv

<

0-

)vR

RR

R

RR3-

R5

v

v

>

0vO

=

R（10.3.2）vOvIo(b)傳輸特性IOI

II

IOvRRRRR3

535=

-

5

fi

v

R3v

,

v

<

0v

,

v

>

0-v

=

D1D2R1A1vIvOvO1(a)電路圖10.3.2精密半波整流電路RP2R3R2

R4

R5A2輸出電壓與輸入電壓的絕對值成正比，將雙極性輸入信號轉(zhuǎn)換為單極性輸出信號。電路的傳輸特性如圖10.3.2(b)所示。Von

?

vIvI

-vO

=

Avd

1

1

+

Avd

1

+

Avd(b)輸入輸出波形[vO

(0)=0]vOvIotv圖10.4.1

基本峰值檢測電路vIvO(a)電路CvO1

D當(dāng)vI<vO時(shí)，vO1為負(fù)，D截止，O1運(yùn)放因開環(huán)而負(fù)飽和（v

近似等于

A*

10.4峰值檢測電路獲取輸入信號最大值的電路既是峰值檢測電路或最大值電路。電容存儲檢測到的輸入電壓最大值，作為電路的輸出。當(dāng)vI>vO時(shí)，vO1為正，D導(dǎo)通，電容充電。輸出電壓為vO

=

vO1

-Von

=

Avd

(vI

-

vO

)

-Von上式中，vO1是運(yùn)放輸出電壓，Avd是運(yùn)放的開環(huán)電壓增益，Von是二極管的導(dǎo)通壓降。所以負(fù)電源電壓，即vO1≈-VEE）。同時(shí)，運(yùn)放輸入電阻很大，電容電壓保持不變。設(shè)電容電壓初始值為0，輸入輸出波形如圖10.4.1（b）。圖10.4.2

實(shí)用峰值檢測電路1A1vIvOCvCA2D

D2R基本峰值檢測電路的缺點(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）。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。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vO

=

vC

=

vIA1vIvOCvCA2D1

D2RVon（a）vI

>vO時(shí)的等效電路當(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。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。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。A1vIvOCvCA2D1

D2VonR（b）vI

<vO時(shí)的等效電路圖10.4.3圖10.4.2的等效電路vOvIotv圖10.4.1

基本峰值檢測電路AvIvO(a)電路CvO1

D10.5電壓比較器vIvOVRA(a)電路電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓值的大小，比較結(jié)果以輸出兩個不同數(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。vpvnvo

=

Avovid

=

Avo

(viP

-

viN

)vIvOVRA(a)電路vpvn注意運(yùn)放輸入端開路，同相端電位vp與反相端電位vn具有較大差值。OvI

<

VRVOL

=

VOsat

-

?

-VEEOH

=

VOsat

+

?

VCCV

vI

>

VRv

=vOvI(c)同相傳輸特性VOHVOLoVT

=VR傳輸特性如圖10.5.1

(c)所示。閾值電壓或門限電壓VT：使輸出發(fā)生跳變的輸入電壓值閾值電壓或門限電壓VT：=

Avo

(viP

-

viN

)vo

=

Avovid當(dāng)VR=0時(shí)，VT=0，輸出電壓在輸入電壓過零時(shí)跳變，所以稱為過零比較器。3.輸出電壓跳變方向：判斷輸入電壓上升越過閾值電壓時(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閾值電壓VT時(shí)，輸出電壓產(chǎn)生負(fù)跳變（反相比較器）。vOvI同相傳輸特性VOHVOLoVT

=VRvOvI反相傳輸特性VOHVOLoVT

=VRIz

2on

OLIOHO)

v

>

0V

=

-(V

+Vv

<

0V

=Von

+Vz1v

=

集成：圖10.5.3反相過零比較器vIvOARD1D2反相過零比較器穩(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；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。即輸入為正負(fù)對稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性O(shè)v

=

Avo

(VP

-VN

)過零比較器應(yīng)用：

波形變換同相vOvIVOHoVOL補(bǔ)圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)VT，畫出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、OH

OL充：低電平分別為V

和V

。I21REFpR2

R1V

+

vR1

+

R2

R

+

Rv

=因?yàn)関P＝vN＝0，即\

R2VREF

+

R1vI

=

0門限電壓2

VREFR1R

VT

=

(vI

=)

-門限電壓(閾值電壓)VT：使輸出發(fā)生跳變的輸入電壓值。解：利用疊加原理可得I1

2REFv

=

0V

+R1

+

R2

R

+

RR2

R1同相VT10.5.2集成電壓比較器（略）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-VSSVCCLM393R

10kΩVSS2T1T5T

T3T6T4T7T8D1D4D2I1D3I2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。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；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-VSSVCCLM393R

10kΩVSS2T1T5T

T3T6T4T7T8D1D4D2I1D3I2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，使整個電路的輸入電阻很大，輸入電流近似為零（虛斷）。（T3）

T7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工作在開關(guān)狀態(tài)，即飽和導(dǎo)通或者截止。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-VSSVCCLM393R

10kΩVSS2T1T5T

T3T6T4T7T8D1D4D2I1D3I2LM193/293/393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。集成電壓比較器的分類：按一個器件（在同一個封裝內(nèi)）上所含有電壓比較器的個數(shù)，可分為單、雙和四電壓比較器；按功能，可分為通用型、高速型、低功耗型、低電壓型和高精度型電壓比較器；按輸出方式，可分為普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補(bǔ)輸出三種情況。集電極（或漏極）開路輸出電路必須在輸出端接一個電阻至電源?；パa(bǔ)輸出電路有兩個輸出端，若一個為高電平，則另一個必為低電平。具有選通輸入和無選通輸入的集成電壓比較器。具有選通輸入的集成電壓比較器可以選擇工作態(tài)和禁止態(tài)。工作態(tài)是指電路按電壓傳輸特性工作。禁止態(tài)指電路不再按電壓傳輸特性工作，從輸出端看進(jìn)去相當(dāng)于開路，即處于高阻狀態(tài)。集成電壓比較器的特點(diǎn)：

1.比通用集成運(yùn)放的開環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比小；2.響應(yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短，而且不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動TTL、CMOS和ECL等集成數(shù)字電路；3.有些芯片帶負(fù)載能力很強(qiáng)，還可直接驅(qū)動繼電器和指示燈。單門限比較器的抗干擾能力若應(yīng)為高電平錯誤電平簡單電壓比較器是當(dāng)

輸入信號達(dá)到某一給定基準(zhǔn)電平時(shí)，立即翻轉(zhuǎn)，用來檢測未知電壓，具

有較高的靈敏度。但是

它易受漂移、噪聲及干擾的影響，造成誤動作?？垢蓴_能力較差10.5.3遲滯比較器(也稱為雙門限比較器)在遲滯比較器中，運(yùn)放引入正反饋。輸出電壓將影響閾值電壓，使輸入電壓上升和下降過程的閾值電壓不同，傳輸特性形成滯環(huán)狀(a)

反相遲滯比較器的傳輸特性vOvIVOHVOLo

VT-VT+vOvI(b)

同相遲滯比較器的傳輸特性VOHVOLo

VT-VT+箭頭表示輸出跳變方向上限閾值電壓和下限閾值電壓的平均值定義為中心電壓V0。如果中心電壓為0，則是過零遲滯比較器。1．反相遲滯比較器vIvORvpvnAR3R1DZ±VZR2正反饋（1）輸出高電平VOH和輸出低電平VOL

V在運(yùn)放輸出正飽電壓VOsat+時(shí)，穩(wěn)壓管DZ被擊穿穩(wěn)壓，電阻R3限流保護(hù)DZ，輸出高電平：vO

=

VOH

=

VZ在運(yùn)放輸出負(fù)飽電壓VOsat-Z時(shí)，穩(wěn)壓管D

被擊穿穩(wěn)壓，電阻R3限流保護(hù)DZ，輸出低電平vO

=

VOL

=

-VZ（2）閾值電壓VT+和VT-vO

R

R

1R1

+

R2VR

+2R1

+

R2vp

=使vn=vp的輸入電壓即是閾值電壓VT，即ORTv1

2R2

R1V

+R1

+

R2

R

+

RV

=上限閾值電壓:ZRVR1R2R1

+

R2V

+R1

+

R2VT

+

=R

ZR

R下限閾值電壓:VT211

2R

+

RR

+

R=

2

V -

1

V-回差電壓ΔVT:1

22RR

+

R=

1

VZDVT

=

VT

-VT-+中心電壓是上限閾值電壓和下限閾值電壓的平均值R212R

+

R=

VV

+V

R2V0

=T

+

T

-vIvOVRvpvnAR2R3R1DZ±VZ(a)

反相遲滯比較器的傳輸特性vOvIVOHVOLoVT-VT+ZRVR1R2R1

+

R2V

+R1

+

R2V

=T

+ZRVR1R2R1

+

R2V

-R1

+

R2V

=T

-ZOHOv

=

V

=

VZOLOv

=

V

=

-V2．同相遲滯比較器vIvOVRvpvnAR2R3R1DZ±VZ（1）輸出高電平VOH和輸出低電平VOLVOH=

VZ

VOL

=

-VZ（2）閾值電壓VT