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集成运放的非线性应用1本讲稿第一页，共七十一页uiuo+UOM-UOM Ao越大，运放的线性范围越小，输入大于越大，运放的线性范围越小，输入大于,则输出则输出u uo o要么为要么为+U+UOMOM，要么，要么为为-U-UOMOM。线性放大区线性放大区*复习复习uiuo_+Aou-u+2本讲稿第二页，共七十一页概述概述 运放的非线性应用运放的非线性应用 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。+Auoui比如：运放开环应用比如：运放开环应用uoui运放开环、有正反馈时，处于非线性状态运放开环、有正反馈时，处于非线性状态3本讲稿第三页，共七十一页ui0时时：uiUR时时,uo=+Uom当当uiUR时时,uo=-Uom一、非零电平比较器一、非零电平比较器 若若ui从同相端输入从同相端输入（同相电压比较器）（同相电压比较器）16本讲稿第十六页，共七十一页+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当uiUR时时,uo=-Uom若若ui从反相端输入从反相端输入电压电压比较器比较器（反相电压比较器）（反相电压比较器）17本讲稿第十七页，共七十一页uoui0+UOM-UOM+uoui:当当UR=0时时+uouiuoui0+UOM-UOM电压电压比较器比较器二、零电平比较器二、零电平比较器18本讲稿第十八页，共七十一页+uouituituo+Uom-Uom利用电压比较器利用电压比较器将正弦波变为方波。将正弦波变为方波。电压电压比较器比较器例题：例题：UR=0uoui0+UOM-UOM19本讲稿第十九页，共七十一页+uiuoui0+UZ-UZuo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了正忽略了正向压降向压降UF电压电压比较器比较器用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压20本讲稿第二十页，共七十一页为了限制集成运放的为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电入级，可加二极管限幅电路路。作用：作用：a）使）使Uo0时的输出更接近时的输出更接近0；b）DZ有存储效应，有存储效应，D的跳变速度快，使输出接近矩形波。的跳变速度快，使输出接近矩形波。D21本讲稿第二十一页，共七十一页7.4.2 迟滞比较器（迟滞比较器（滞回比较器、滞环比较器、施密特触发器）单限比较器的优点是电路结构简单限比较器的优点是电路结构简单，灵敏度高。但是，主要缺点是抗单，灵敏度高。但是，主要缺点是抗干扰能力差。干扰能力差。如果输入电压因受干如果输入电压因受干扰或噪声的影响，单限比较器的扰或噪声的影响，单限比较器的输出端电压将会在高、低两种电输出端电压将会在高、低两种电平之间频繁地反复跳变，使电路平之间频繁地反复跳变，使电路不能稳定工作。不能稳定工作。波形示意图如右所波形示意图如右所示：示：单限比较器的优缺点：单限比较器的优缺点：tuI0uO0t门限电平门限电平+(UZ+UD)-(UZ+UD)22本讲稿第二十二页，共七十一页1.迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈和和uo相连，而相连，而uo有两个值，有两个值，所以对应的所以对应的U+就有两个值。就有两个值。故阈值电压就有两个值。故阈值电压就有两个值。1、因为有正反馈，所以输出饱和。、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当、当uo正饱和时正饱和时(uo=+UOM)：Hom211+UURRRU+=+=3、当、当uo负饱和时负饱和时(uo=-UOM)：Lom211+UURRRU+=+-=+uoRR2R1uiU+（反相滞回比较器（反相滞回比较器）23本讲稿第二十三页，共七十一页+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L设设ui,当当ui=U+H,uo从从+UOM-UOM迟滞迟滞比较器比较器Hom211+UURRRU+=+=LU+24本讲稿第二十四页，共七十一页uoui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压上门限电压U+L下门限电压下门限电压U+H-U+L称为回差称为回差om211URRR+=HU+om211URRR+=-LU+迟滞迟滞比较器比较器传输特性传输特性25本讲稿第二十五页，共七十一页tuiU+HU+LtuoUom-Uom+uoRR2R1uiU+迟滞迟滞比较器比较器例例:设输入为正弦波设输入为正弦波,画出输出的波形。画出输出的波形。uoui0+Uom-UomU+HU+L假设开始时UO为UOM想想:假设开始时UO为 UOM?26本讲稿第二十六页，共七十一页+uoRR2R1uiUR上下限上下限（用叠加定理）（用叠加定理）uoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM迟滞迟滞比较器比较器加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(下行下行)：U+=U-时所对应的时所对应的ui值就是阈值值就是阈值是否阈值？是否阈值？27本讲稿第二十七页，共七十一页R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画出输出出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L传输特性传输特性上下限：上下限：=10V=2V迟滞迟滞比较器比较器例题：例题：2V10V28本讲稿第二十八页，共七十一页2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM+uoRR2R1uiUR迟滞迟滞比较器比较器2V10Vtt29本讲稿第二十九页，共七十一页 滞回比较器可以组成矩滞回比较器可以组成矩形波、锯齿波等非正弦信号形波、锯齿波等非正弦信号发生电路，也可以实现波形发生电路，也可以实现波形变换。变换。与单限比较器相比，与单限比较器相比，滞回比较器的主要优点是滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。抗干扰能力强。波形示意图波形示意图如右所示：如右所示：tuI0uO0t正向门限电平正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平负向门限电平滞回比较器的主要优点滞回比较器的主要优点30本讲稿第三十页，共七十一页tuI0uO0t正向门限电平正向门限电平+UZ-UZUT-UT+负向门限电平负向门限电平干扰太大，滞回干扰太大，滞回功能会失效功能会失效31本讲稿第三十一页，共七十一页+uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞迟滞比较器比较器迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)两种电路两种电路传输特性传输特性的比较的比较:32本讲稿第三十二页，共七十一页0URRRuRRRom211i212=+uoRR2R1ui0URRRRRRom211212=+-+ui当当uo=-UOM当当uo=+UOMui=ui=迟滞迟滞比较器比较器2.迟滞比较器迟滞比较器(上行上行)（同相滞回比较器）（同相滞回比较器）令令令令uoU+-U-0+UOM-UOM以前学习的以前学习的过零同相比过零同相比较器较器33本讲稿第三十三页，共七十一页U+HU+Luoui0Uom-Uom传输特性曲线传输特性曲线+uoRR2R1ui上下门限电压上下门限电压迟滞迟滞比较器比较器34本讲稿第三十四页，共七十一页+uoRR2R1uiUR上下门限电压上下门限电压URURRRuRRRom211i212=+当当uo=+UOM当当uo=-UOMURRRRRRom211212=+-+uiURURR2RR21+URR2RR21+加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(上行上行)：35本讲稿第三十五页，共七十一页+uoRR2R1uiUR+uoRR2R1ui对照对照U+HU+Luoui0Uom-UomU+HU+Luoui0Uom-Uom加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(上行上行)传输特性传输特性：36本讲稿第三十六页，共七十一页 输出电压高电平UOH和低电平UOL的数值；阈值电压的数值UH（U+H、U+L）；当ui 变化且经过UH时，uO跃变。跃变的方向决定于同相比较器还是反相比较器。为了正确画出电压传输特性，必为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：须求出以下三个要素：注意：注意：37本讲稿第三十七页，共七十一页 电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路，它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平，为数字量两种可能的状态：高电平或低电平，为数字量；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较；而输入信号是连续变化的模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路的器可作为模拟电路和数字电路的“接口接口”。38本讲稿第三十八页，共七十一页 在如图所示电路中，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=5V，输入电压为如图所示的三角波，试画出输出电压。例例1电压传输特性的趋势.UT的具体值有待下面求得.无正反馈,单阈值39本讲稿第三十九页，共七十一页解：令uN=uP=0，则求出阈值电压所以画出输出波形如图所示：40本讲稿第四十页，共七十一页141本讲稿第四十一页，共七十一页 在左图（a）所示电路中，已知R1=50k，R2=100k，稳压管的稳定电压UZ=9V，输入电压uI的波形如右图（a）所示，试画出输出电压uo的波形。例例2有正反馈,双阈值42本讲稿第四十二页，共七十一页解：输出高电平和低电平分别为UZ=9V，阈值电压画出电压传输特性如图（c）所示。根据电压传输特性便可画出uo的波形，如图（b）所示。从波形可以看出，uI的变化在UT之间时，uo不变，表现出一定的抗干扰能力。两个阈值电压的差值愈大，电路的抗干扰能力愈强，但灵敏度变差；因此应根据具体需要确定差值的大小。三要素法：三要素法：43本讲稿第四十三页，共七十一页 设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（a）所示，要求所用电阻值在20100k之间。讨论题讨论题3解：根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，而且uo=UZ=6V，UT1=UT2=3V，电路没有外加基准电压，故电路如图（b）所示。求解阈值电压的表达式：44本讲稿第四十四页，共七十一页所以，若取R1为25k，则R2应取为50k；若取R1为50k，则R2应取为100k。故本题有无问题？问题在哪里？请改正之！本题有无问题？问题在哪里？请改正之！45本讲稿第四十五页，共七十一页实验中的加热装置可用一个100/2W的电阻RT模拟，将此电阻靠近Rt即可。差动放大电路滞回比较器三极管放大 电路如图所示，它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻（电路如图所示，它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻（NTC元件）元件）Rt为一臂组为一臂组成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热加热”与与“停止停止”信号，信号，经三极管放大后控制加热器经三极管放大后控制加热器“加热加热”与与“停止停止”.改变滞回比较器的比较电压改变滞回比较器的比较电压UR即改变即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定实例实例1请同学们自荐或推荐一两名同学做此实验46本讲稿第四十六页，共七十一页 由上述分析可见差动放器输出电压由上述分析可见差动放器输出电压u01经分压后给经分压后给A2组成的滞回比较器，与反相输入端组成的滞回比较器，与反相输入端的参考电压的参考电压UR相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，A2输出正饱和电压，三输出正饱和电压，三极管极管T饱和导通。通过发光二极管饱和导通。通过发光二极管LED的发光情况，可见负载的工作状态为加热。反之，的发光情况，可见负载的工作状态为加热。反之，当同相输入信号小于反相输入端电压时，当同相输入信号小于反相输入端电压时，A2输出负饱和电压，三极管输出负饱和电压，三极管T截止，截止，LED熄灭，负熄灭，负载的工作状态为停止。调节载的工作状态为停止。调节RW4可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。设定温度的目的。电桥电桥的主要功能是把微小的电压变化或其他原因引起的电桥稳定性变化表现出来，的主要功能是把微小的电压变化或其他原因引起的电桥稳定性变化表现出来，这个电压偏差可以是几个微伏到几千几万微伏，如果没有电桥的稳定性功能是很难解这个电压偏差可以是几个微伏到几千几万微伏，如果没有电桥的稳定性功能是很难解决这些出现在个别元器件上的偏差的决这些出现在个别元器件上的偏差的。加热加热停止加热停止加热47本讲稿第四十七页，共七十一页调整管调整管取样取样电路电路脉宽调制脉宽调制(PWM)电路电路开关调整管控制开关调整管控制滤波滤波频率固定频率固定的三角波的三角波误差放大误差放大续流续流iLUIuBT比较放大器比较放大器比较器比较器uEACIoR1uFLUOuAUREFuFCR2RLD基准电压基准电压三角波三角波发生器发生器uT开关稳压电源的基本工作原理开关稳压电源的基本工作原理一、一、串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路组成框图组成框图误差放大器放大的是比较出来的结果.就是采样和基准的误差，所以比较放大器是放大比较出来的误差。实例实例2本讲稿第四十八页，共七十一页1.取样环节：取样环节：R1、R2分压提取分压提取取样电压取样电压uF（反馈电压）（反馈电压）2.基准电压环节：基准电压环节：提供稳压的基准电压提供稳压的基准电压UREF3.放大环节：放大环节：比较放大器比较放大器A1，放大差值（，放大差值（UREFuF）4.调整环节：调整环节：调整管调整管T由开关信号由开关信号uB控制通断，稳定输出电压控制通断，稳定输出电压UO详解T-+本讲稿第四十九页，共七十一页5.LC滤波器及续流二极管滤波器及续流二极管D：滤波和续流得到滤波和续流得到平稳的平稳的直流电压。直流电压。6.脉宽调制比较器脉宽调制比较器C：反相端接反相端接uT（三角波发生器的输出），三角波发生器的输出），同相端接同相端接uA（比较放大器输出），输出开关信号比较放大器输出），输出开关信号uB驱动调整管。驱动调整管。三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路三角波发生器与比较器组成的电路称为脉宽调制电路(PWM)T-+本讲稿第五十页，共七十一页当当uB为高电平为高电平T饱和、饱和、D截止，截止，uE=UI,经经LC滤波到负载滤波到负载RL同时同时iL时时L和和C储存能量储存能量当当uB为低电平为低电平T截止、截止、D导通，导通，uEUD0，D续流续流LC泄放能量给泄放能量给RL供电，供电，输出较平稳的输出较平稳的直流电压直流电压开关电源的工作原理开关电源的工作原理T-+本讲稿第五十一页，共七十一页工作波形工作波形 占空比占空比OOOOUOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脉宽调制式脉宽调制式(PWM)T-+本讲稿第五十二页，共七十一页稳压原理稳压原理T-+本讲稿第五十三页，共七十一页 忽略电感的直流电阻，输出电压VO即为vE的平均分量:Vo的推算过程的推算过程本讲稿第五十四页，共七十一页实例实例3比较器比较器在在D类放大器的应用类放大器的应用PMOSNMOS从PWM波形中提取出放大后的音频信号，需将D类放大器的输出送入一个低通滤波器本讲稿第五十五页，共七十一页送入低通滤送入低通滤波器前的信波器前的信号号本讲稿第五十六页，共七十一页 :求下图所示电压比较器的阈值，并画出传输特性。求下图所示电压比较器的阈值，并画出传输特性。课堂练习课堂练习设设UOH=12V，UOL=-12V，VD为理想二极管。为理想二极管。1257本讲稿第五十七页，共七十一页输入信号的频谱图输入信号的频谱图滤波滤波前前输出信号的频谱图输出信号的频谱图滤波滤波后后输出信号的频谱图输出信号的频谱图本讲稿第五十八页，共七十一页2参考答案：参考答案：上下阈值分别为：UO=UOH 时，UD 导通，UR=（10/30）*12+(20/30)*UTH1=9V UTH1=(9-4)(2/3)=7.5V UO=UOL 时，UD 截止，UTH2=9V为同相滞回比较器，传输特性如下，59本讲稿第五十九页，共七十一页 UTH1=(30*2)/(10+30)+(10*6)/(10+30)=3V UTH2=(30*2)/(10+30)+10*(-6)/(10+30)=0V 1参考答案参考答案:上下阈值分别为上下阈值分别为为反相滞回比较器其传输特性如下：60本讲稿第六十页，共七十一页了解了解 7.4.3 双限比较器双限比较器（窗口比较器）（窗口比较器）其中：其中：UAUBRUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限下门限上门限上门限单限比较器和滞回比较器单限比较器和滞回比较器在输入电压在输入电压单一方向变化单一方向变化时，时，输出电压只跃变一次，因而不输出电压只跃变一次，因而不能检测输入电压是否在两个给能检测输入电压是否在两个给定电压定电压VA、VB之间，而窗口比之间，而窗口比较器具有这一功能。较器具有这一功能。其电路及其电路及传输特性曲线如右下图所示：传输特性曲线如右下图所示：61本讲稿第六十一页，共七十一页 由图可知：由图可知：当当uIUB注意注意:连接连接高高低低通通止止下台阶下台阶上台阶上台阶UOA2UOA162本讲稿第六十二页，共七十一页当当uIUA时：时：A1的输出端为的输出端为高高电平，电平，A2的输出端为的输出端为低低电平，电平，则二极管则二极管D1导导通通，D2截截止止，输出电压输出电压uO也是高电平。也是高电平。特性曲线如右图所示：特性曲线如右图所示：RUAA1D1RUBA2D2uIuORLRRuO0uIUBUA下门限下门限上门限上门限其中：其中：UAUB双限比较器双限比较器工作原理工作原理低低高高止止通通63本讲稿第六十三页，共七十一页当当UB uI UB双限比较器双限比较器工作原理工作原理64本讲稿第六十四页，共七十一页双限比较器及其传输特性动画65本讲稿第六十五页，共七十一页由两个简单比较器组成的窗口比较器由两个简单比较器组成的窗口比较器（a）电路图）电路图 （b）传输特性）传输特性注意注意:连接法连接法66本讲稿第六十六页，共七十一页窗口比较器应用窗口比较器应用 三极管三极管 值分选电路值分选电路 用双电压比较器用双电压比较器LM393设计一个设计一个值分选电路，要求当被测三值分选电路，要求当被测三极管的极管的 250，LED不亮，表示不合格；当不亮，表示不合格；当150 250，LED 亮，表示合格。已知电源电压亮，表示合格。已知电源电压Vcc=12V，三极管集，三极管集电极电阻电极电阻R2=2K。uO0uIU2U1下门限下门限上门限上门限67本讲稿第六十七页，共七十一页1、根据题意要求，设计与计算、根据题意要求，设计与计算Rb的阻值，调节的阻值，调节W1使使Rb回路总阻值等于设定值并连接好电路。回路总阻值等于设定值并连接好电路。2、根据、根据Rb取值和被测晶体管取值和被测晶体管 值范围计算出值范围计算出Uc的正的正常范围，按照常范围，按照Uc的变化范围在万用表帮助下调节的变化范围在万用表帮助下调节W2、W3到设定的上限到设定的上限UREF1与下限电压与下限电压UREF2。3、测量被测三极管的静态直流电压并记录，判断、测量被测三极管的静态直流电压并记录，判断三极管是否处于放大状态，如不是放大状态则检三极管是否处于放大状态，如不是放大状态则检查电路是否连接有误或查电路是否连接有误或Rb取值设计不当，取值设计不当，装入一装入一些已知直流些已知直流 值值的晶体三极管，验证电路工作情况。的晶体三极管，验证电路工作情况。68本讲稿第六十八页，共七十一页单限比较器：单限比较器：电路只有一个阈值电压，输入电压电路只有一个阈值电压，输入电压uI逐渐增大逐渐增大或减小过程中，当通过或减小过程中，当通过UT时，输出电压时，输出电压uO产生跃变，从高电产生跃变，从高电平平UOH跃变为低电平跃变为低电平UOL，或者从，或者从UOL跃变为跃变为UOH。滞回比较器：滞回比较器：电路有两个阈值电压，输入电压电路有两个阈值电压，输入电压uI从小变大从小变大过程中使输出电压过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压产生跃变的阈值电压UT1，不等于从大，不等于从大变小过程中使输出电压变小过程中使输出电压uO产生跃变的阈值电压产生跃变的阈值电压UT2，电路，电路具有滞回特性。具有滞回特性。窗口比较器：窗口比较器：电路也有两个阈值电压，输入电压电路也有两个阈值电压，输入电压uI从小变大从小变大或从大变小过程中使输出电压或从大变小过程中使输出电压uO产生两次跃变。产生两次跃变。总总 结结69本讲稿第六十九页，共七十一页 比较器在最常用的简单集成电路中排名第二，仅次于排名第一的运算放大器。在各类出版物中可以经常看到运算放大器的理论，关于运算放大器的设计和使用方法的图书也非常多，可是我们却很难找到关于比较器的理论研究，究其原因，比较器本身功能十分简单，只用于比较电压。在开环或高增益配置中用运算放大器代替比较器是十分常见的，虽然最好是使用专门优化的比较器，但是用运算放大器代替比较器也是可的。运算放大器是一种为在负反馈条件下工作设计的电子器件，设计重点是保证这种配置的稳定性，压摆率和最大带宽等其它参数是放大器在功耗与架构之间的折衷选择；相反，比较器是为无负反馈的开环结构内工作设计的，这些器件通常不是通过内部补偿的，因此速度即传播延迟以及压摆率（上升和下降时间）在比较器上得到了最大化，总体增益通常也比较小。用运算放大器代替比较器不会使性能得到优化，而且功耗速度比将会很低。如果反过来，用比较器代替运算放大器，情况则会更坏。通常情况下比较器不能代替运算放大器，在负反馈条件下，比较器很可能会出现工作不稳定的情况。总之，可以说，比较器和运算放大器是不能互换的，低性能设计除外 小资料小资料 小资料小资料70本讲稿第七十页，共七十一页电源电压电源电压:比较器与运算放大器工作在同样的电源电压，传统的比较器需要15V等双电源供电或高达36V的单电源供电，这些产品在工业控制中仍有需求，许多厂商也仍在提供该类产品。市场发展趋势市场发展趋势:目前大多数应用需要比较器工作在电池电压所允许的单电源电压范围内，而且，比较器必须具有低电流、小封装，有些应用中还要求比较器具有关断功能。例如MAXIM（美信）（美信）公司：MAX919比较器可工作在1.8V至5.5V电压范围内，全温范围内的最大吸入电流仅为1.2A，采用SOT23封装，类似的MAX965比较器工作电压可低至1.6V，因而非常适用于电池供电的便携式产品。71本讲稿第七十一页，共七十一页