非线性运算电路精选文档.ppt

《非线性运算电路精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《非线性运算电路精选文档.ppt（42页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、非线性运算电路本讲稿第一页，共四十二页学习本章后，读者将了解：学习本章后，读者将了解：跨导模拟乘法器的原理，四象限变跨导集成乘法器跨导模拟乘法器的原理，四象限变跨导集成乘法器对数电路、指数电路和对数式乘除法电路；对数电路、指数电路和对数式乘除法电路；绝对值运算电路和最大值运算电路；绝对值运算电路和最大值运算电路；单限电压比较器、迟滞比较器和窗口比较器的电路和传输单限电压比较器、迟滞比较器和窗口比较器的电路和传输特性，比较器的分析方法；集成电压比较器。特性，比较器的分析方法；集成电压比较器。本讲稿第二页，共四十二页 其中其中K K为称为为称为相乘增益相乘增益，具有，具有V V-1-1的量纲。的量

2、纲。电路符号如图电路符号如图10.1.110.1.1所示，图所示，图（a a）同相乘法器，图（）同相乘法器，图（b b）反相乘法器。）反相乘法器。当当1 1个输入信号是个输入信号是单极性单极性，而另一个信号是，而另一个信号是双极性双极性时，则称为时，则称为两象限乘法器；当两象限乘法器；当2 2个输个输入信号均是双极性时，入信号均是双极性时，则称为四象限乘法器。则称为四象限乘法器。10.1 10.1 变跨导模拟乘法器变跨导模拟乘法器 乘法器是一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、乘法器是一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、开方、乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系

3、统、开方、乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域。电气测量和医疗仪器等许多领域。乘法器：乘法器：输出信号输出信号(vo)与与2 2个输入信号个输入信号(vx和和vy)之积成正比之积成正比的电路。的电路。图图10.1.1 10.1.1 模拟乘法器电路符号模拟乘法器电路符号（a a）同相乘法器）同相乘法器KK KvXvYvO（b b）反相乘法器）反相乘法器-K-KvXvYvO当输入信号当输入信号均是单极性均是单极性时，如时，如v vX X0,0,v vY Y00，则称单象限乘法器；，则称单象限乘法器；本讲稿第三页，共四十二页图图10.1.2 10.1.2

4、 两象限变跨导乘法器两象限变跨导乘法器 I IC3C3，r rbebe当当v vY YVVBE3BE300时，差分对管的跨导为时，差分对管的跨导为差分对管的跨导近似与输入信号成正比。代入上式得差分对管的跨导近似与输入信号成正比。代入上式得 通过改变差分对管的跨导实现了两象限反相乘法器（通过改变差分对管的跨导实现了两象限反相乘法器（v vY Y00，单极性；，单极性；v vX X可正可负，双极性）。可正可负，双极性）。10.1.1 10.1.1 变跨导模拟乘法器原理变跨导模拟乘法器原理 和和r rbebe分别是差分对管的电流放大系数和分别是差分对管的电流放大系数和输入电阻。输入电阻。利用恒流源差

5、分放大电路可实现变跨导乘法运算，如图利用恒流源差分放大电路可实现变跨导乘法运算，如图10.1.210.1.2所所示。输出电压为示。输出电压为本讲稿第四页，共四十二页图图10.1.310.1.3 四象限变跨导乘法电路四象限变跨导乘法电路 为了允许为了允许v vY Y为双极性，采用双差分放大电路组成四象限变跨导乘法为双极性，采用双差分放大电路组成四象限变跨导乘法器，如图器，如图10.1.3 10.1.3 所示。由电路，得所示。由电路，得晶体管的电流方程为晶体管的电流方程为考虑到考虑到T T1 1和和T T2 2特性一致，得特性一致，得代入代入 ，得，得10.1.2 10.1.2 四象限变跨导乘法器

6、四象限变跨导乘法器th(x)th(x)是非线性的双曲正切函数是非线性的双曲正切函数。本讲稿第五页，共四十二页再由电路并考虑到再由电路并考虑到R RY Y远远大于远远大于T T5 5和和T T6 6的发射极电阻，得的发射极电阻，得将（将（10.1.610.1.6）和（）和（10.1.710.1.7）代入（）代入（10.1.910.1.9），得），得将（将（10.1.810.1.8）代入上式，得）代入上式，得10.1.8）输出电压为输出电压为10.1.9）当当同理可得同理可得（10.1.7）本讲稿第六页，共四十二页 v vX X和和v vY Y都是双极性信号，即电路实现了四象限同相乘法器。但电路都

7、是双极性信号，即电路实现了四象限同相乘法器。但电路温度变化的影响，且温度变化的影响，且v vX X的线性范围很小。单片集成乘法器的线性范围很小。单片集成乘法器MC1496MC1496等是按图等是按图10.1.310.1.3原理制造的，电路原理和管脚如图原理制造的，电路原理和管脚如图10.1.410.1.4所示。所示。vXvYvORYIOY偏置偏置T1D1T2T3T4T5T6T7T8图图10.1.4 10.1.4 单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器MC1496MC1496电路原理图和管脚图电路原理图和管脚图本讲稿第七页，共四十二页图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理

8、图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zA 为了扩展输入信号为了扩展输入信号v vX X的线性范围和减少外围电路元件，在四象限的线性范围和减少外围电路元件，在四象限变跨导乘法器的基础上增设了反双曲正切运算电路和求和电路，如图变跨导乘法器的基础上增设了反双曲正切运算电路和求和电路，如图10.1.510.1.5所示。所示。单片集成乘法器单片集成乘法器AD534AD534和和AD734AD734等是按图等是按图10.1.510.1.5原理制造的。原理制造的。（10.1.12）（10.1.13）10.1.3 10.1.3 变跨导模拟乘变跨导模

9、拟乘/除法器除法器由电路可得由电路可得（10.1.12）本讲稿第八页，共四十二页图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zA 是运放的净输入电压。注意到是运放的净输入电压。注意到v v1 1是四象限乘法电路的输入，将是四象限乘法电路的输入，将（10.1.610.1.6）和（）和（10.1.710.1.7）代入（）代入（10.1.1310.1.13），得），得（10.1.13）本讲稿第九页，共四十二页将（将（10.1.810.1.8）和（）和（10.1.1210.1.12）代

10、入上式，得）代入上式，得（10.1.14）图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zA再由电路得再由电路得本讲稿第十页，共四十二页图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zA由由BJTBJT发射结的电压方程（发射结的电压方程（9.2.3b9.2.3b），并考虑到），并考虑到T T9 9和和T T1010特性一致，得特性一致，得（10.1.15）本讲稿第十

11、一页，共四十二页图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zAarcth(x)arcth(x)是非线性的反双曲正切函数。代入（是非线性的反双曲正切函数。代入（10.1.1410.1.14），得），得（10.1.16）本讲稿第十二页，共四十二页1 1乘法电路乘法电路 令令v vo o=v vZ Z，如图，如图10.1.510.1.5中的点化线所示，则运放中的点化线所示，则运放A A引入负反馈，输入虚引入负反馈，输入虚短和虚断成立，即短和虚断成立，即vvo o=0=0。代入（。代

12、入（10.1610.16），得），得图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zA（10.1.17）（10.1.18）本讲稿第十三页，共四十二页图图10.1.5 变变跨跨导导乘乘/除法器除法器电电路原理路原理图图+反双曲正切运算反双曲正切运算电电路路四象限四象限变变跨跨导导乘法乘法电电路路求和求和电电路路zA 构成乘法电路，构成乘法电路，K K是乘法增益，通常设计为是乘法增益，通常设计为K=0.1VK=0.1V-1-1。电路具有以。电路具有以下特点：下特点：输出电压输出电压v

13、 vo o与输入电压与输入电压v vX X、v vY Y之积成比例，之积成比例，v vX X和和v vY Y可正可负，是四象可正可负，是四象限乘法电路；限乘法电路；输出电压与温度无关，温度稳定性好；输出电压与温度无关，温度稳定性好；根据反双曲正切函数的性质可知，要求根据反双曲正切函数的性质可知，要求v vX X/I/IOXOXR RX X1 1。最大输入。最大输入电压电压v vXmaxXmaxI IOXOXR RX X ；由电路可知，由电路可知，|i iY Y|I|IOYOY,|,|i iZ Z|I|IOZOZ,即即|v vY Y|R|RY YI IOYOY,|,|v vZ Z|R|0 0的条

14、件下，则运放的条件下，则运放A A同样引入负反馈，同样引入负反馈，v vo o=0=0。代入（。代入（10.1610.16），得），得（10.1.21）（10.1.22）（10.1.23）本讲稿第十六页，共四十二页 利用对数运算电路则可实现自动的非线性压缩，电路简单。如果需要利用对数运算电路则可实现自动的非线性压缩，电路简单。如果需要恢复对数压缩，则可采用指数运算电路实施。恢复对数压缩，则可采用指数运算电路实施。10.2 对数和指数运算电路对数和指数运算电路输出信号与输入信号的对数成比例的电路称为输出信号与输入信号的对数成比例的电路称为对数电路对数电路。输出信号与输入信号的指数成比例的电路称为

15、输出信号与输入信号的指数成比例的电路称为指数电路。指数电路。在现实世界中，一些信号往往具有很宽的动态范围（最大信号幅度与最小信在现实世界中，一些信号往往具有很宽的动态范围（最大信号幅度与最小信号幅度之比）。比如雷达、声纳等无线电系统中，接收机前端信号动态范围可号幅度之比）。比如雷达、声纳等无线电系统中，接收机前端信号动态范围可达达120dB 120dB 以上；光纤接收器前端的电流也可从以上；光纤接收器前端的电流也可从“pA”“pA”级到级到“mA”“mA”级。级。在工程应用中，处理宽动态范围的信号时，常常将其动态范围压缩到一在工程应用中，处理宽动态范围的信号时，常常将其动态范围压缩到一个可以处

16、理的程度。个可以处理的程度。动态范围的压缩分为动态范围的压缩分为“线性压缩线性压缩”和和“非线性压缩非线性压缩”。利用压控增益放大器可以实现线性压缩，但必须根据输入信号的利用压控增益放大器可以实现线性压缩，但必须根据输入信号的电平来控制增益。电平来控制增益。本讲稿第十七页，共四十二页 在一定条件下，在一定条件下，PNPN结的电压是其电流的对数函数。所以，在反结的电压是其电流的对数函数。所以，在反相比例运算电路中，用晶体管的发射结代替反馈电阻相比例运算电路中，用晶体管的发射结代替反馈电阻R Rf f，则可实现对，则可实现对数运算，电路如图数运算，电路如图10.2.110.2.1所示。所示。10.

17、2.1 10.2.1 对数运算电路对数运算电路1 1基本对数电路基本对数电路晶体管的电流和电压方程分别为晶体管的电流和电压方程分别为图图10.2.1 10.2.1 基本对数电路基本对数电路R RR Riicvivo 当输入信号当输入信号v vi i0 0时，时，v vo o0 0，晶体管导，晶体管导通，引入负反馈。所以通，引入负反馈。所以 当温度一定时，温度当量电压当温度一定时，温度当量电压V VT T和反向饱和和反向饱和I IS S都是常数，则输出电压都是常数，则输出电压是输入电压的对数函数。但是，输出电压幅值小于是输入电压的对数函数。但是，输出电压幅值小于0.7V0.7V，输入电压必须大于

18、，输入电压必须大于0 0。但是，输出电压幅值小于但是，输出电压幅值小于0.7V，输入电压必须大于，输入电压必须大于0。本讲稿第十八页，共四十二页图图10.2.1 10.2.1 基本对数电路基本对数电路图图10.2.2 10.2.2 具有温度补偿的对数电路具有温度补偿的对数电路A1A2vp2vn21 当环境温度变化时，当环境温度变化时，V VT T和和I IS S都变化，故输出电压随温度变化。具有温度都变化，故输出电压随温度变化。具有温度补偿的对数电路如图补偿的对数电路如图10.2.210.2.2所示。所示。运放运放A A2 2的同相端和反相端电位是的同相端和反相端电位是2 2具有温度补偿的对数

19、电路具有温度补偿的对数电路 图中图中T T1 1和和T T2 2特性一致，运放特性一致，运放A A1 1和和T T1 1等组成基本对数电路，运放等组成基本对数电路，运放A A2 2、T T2 2和热和热敏电阻敏电阻R Rt t等组成温度补偿及同相放大电路。等组成温度补偿及同相放大电路。由电路得由电路得式中去掉了反向饱和电流式中去掉了反向饱和电流I IS S的影响。如的影响。如果电阻果电阻R R2 2、R R3 3和和R Rt t选择适当，可在工作选择适当，可在工作温度范围内抵消温度范围内抵消V VT T随温度的变化。故此随温度的变化。故此电路不仅与温度无关，还扩大了输出信号电路不仅与温度无关，

20、还扩大了输出信号幅度。幅度。单片集成对数放大器单片集成对数放大器MAX4206MAX4206和和MAX4207MAX4207既是按图既是按图10.2.210.2.2原理制造。原理制造。本讲稿第十九页，共四十二页图10.2.3 基本指数电路10.2.2 10.2.2 指数运算电路指数运算电路 对数的逆运算就是指数运算，或称为反对数运算。在基本对数电路中，将电阻R与晶体管对换，新的电路既是指数电路，如图10.2.3所示。具有温度补偿的指数电路示于图10.2.4。图中T1和T2特性一致，运放A1、T1和热敏电阻Rt等组成温度补偿及同相放大电路，A2和T2等组成基本反对数电路。当vi0时，三极管导通，

21、所以（10.2.5）即输出电压是输入电压的指数函数，要求0.7V viVT。为了克服温度变化的影响，同样需要进行温度补偿。本讲稿第二十页，共四十二页 具有温度补偿的指数电路示于图10.2.4。图中T1和T2特性一致，运放A1、T1和热敏电阻Rt等组成温度补偿及同相放大电路，A2和T2等组成基本反对数电路。运放A1的同相端和反相端电位是所以由电路得（10.2.6）图10.2.4 具有温度补偿的指数电路 如果电阻R2、R3和Rt选择适当，可在工作温度范围内抵消VT随温度的变化。故此电路不仅与温度无关，还扩大了输入信号幅度。本讲稿第二十一页，共四十二页图10.2.5 对数式乘/除法电路如果如果根据对

22、数运算的性质，得根据对数运算的性质，得 图中图中T T1 1和和A A1 1、T T2 2和和A A2 2、T T3 3和和A A3 3组成组成3 3个对数运算电路；个对数运算电路；T T4 4和和A A4 4组成反对数运算电路；组成反对数运算电路；T T1 1、T T2 2、T T3 3和和T T4 4的发射结回路实现加减运算。的发射结回路实现加减运算。10.2.3 10.2.3 对数式乘对数式乘/除法电路除法电路 因此，乘除运算可转化为因此，乘除运算可转化为对数、加减和反对数运算。对数、加减和反对数运算。典型电路如图典型电路如图5.4.15.4.1所示。所示。本讲稿第二十二页，共四十二页由

23、电路，得由电路，得T T1 1、T T2 2、T T3 3和和T T4 4的发射结回路的电压方程为的发射结回路的电压方程为当全部输入电压大于当全部输入电压大于0 0时，全部二极管截止，则时，全部二极管截止，则当当 时，时，晶体管的电压方程是晶体管的电压方程是图10.2.5 对数式乘/除法电路即本讲稿第二十三页，共四十二页所以图10.2.5 对数式乘/除法电路 输出电压输出电压vo o与输入电压与输入电压vx x、vy y之积成正比，与输入电压之积成正比，与输入电压vz z成反比。成反比。并且并且vo o与与I IS S和和V VT T无关，即克服了温度变化的影响。无关，即克服了温度变化的影响。

24、注意，该电路要求全部注意，该电路要求全部输入电压大于零才能正常输入电压大于零才能正常工作，因而是一象限乘除工作，因而是一象限乘除运算电路。运算电路。当输入误接，即输入小于零时，当输入误接，即输入小于零时，二极管导通，限制运放的输出电二极管导通，限制运放的输出电压，以避免反向击穿三极管的发压，以避免反向击穿三极管的发射结。射结。电容作相位补偿，以消除电容作相位补偿，以消除自激振荡。自激振荡。本讲稿第二十四页，共四十二页 将双极性输入信号转换为单极性输出信号的电路称为整流电路。将双极性输入信号转换为单极性输出信号的电路称为整流电路。例如，输入输出关系是例如，输入输出关系是的电路称为半波整流电路；输

25、入输出关系是的电路称为半波整流电路；输入输出关系是的电路称为全波整流电路，亦称为绝对值电路。的电路称为全波整流电路，亦称为绝对值电路。10.3精密整流电路精密整流电路 整流电路利用二极管的单向导电性实现。整流电路利用二极管的单向导电性实现。对于小信号，如幅值小于对于小信号，如幅值小于1V1V，二极管的导通压降（硅管约为，二极管的导通压降（硅管约为0.7V0.7V）将产生不能容忍的误差。而将二极管接入运放的反馈通路）将产生不能容忍的误差。而将二极管接入运放的反馈通路构成精密整流则可克服这个缺点。构成精密整流则可克服这个缺点。本讲稿第二十五页，共四十二页图10.3.1 精密半波整流电路D1D2R2

26、R1AvIvOvO1(a)电路vOvIo(b)传输特性 当当vI 00，二极管，二极管D D1 1截止、截止、D D2 2导通。导通。D D2 2和和R R2 2对运放引对运放引入负反馈，反向输入端是虚地，故入负反馈，反向输入端是虚地，故vO O=-(R=-(R2 2/R/R1 1)vI I。电路的传输特性如图电路的传输特性如图10.3.110.3.1（b b）所示。）所示。10.3.1 10.3.1 精密半波整流电路精密半波整流电路 电路如图电路如图10.3.1(a)10.3.1(a)所示。输入信号通过电阻接入运放的反相端，所示。输入信号通过电阻接入运放的反相端，2 2个二极管接个二极管接入

27、运放的反馈通路。入运放的反馈通路。当当vI I 0 0时，运放输出时，运放输出vO1 100，二极管，二极管D D1 1导通、导通、D D2 2截止。截止。D D1 1对运放引入负对运放引入负反馈，反向输入端是虚地，故反馈，反向输入端是虚地，故vO O=0=0。因此，电路将双极性输入信号转换为单极性输出信号，即因此，电路将双极性输入信号转换为单极性输出信号，即本讲稿第二十六页，共四十二页图10.3.2 精密半波整流电路D1D2R2R1A1vIvOvO1(a)电路RP2 R3R4R5A2 图图10.3.210.3.2中，运放中，运放A A1 1、D D1 1、D D2 2、R R1 1和和R R

28、2 2组成精密半波整流电路，运放组成精密半波整流电路，运放A A2 2及其外围元件组成反相加法器。及其外围元件组成反相加法器。反相加法器输出为反相加法器输出为vO1O1是精密半波整流电路的输出。所以是精密半波整流电路的输出。所以 选择选择R R4 4=R=R3 3/2/2，R R1 1=R=R2 2，则，则代入（代入（10.3.210.3.2）式，）式，10.3.210.3.2精密全波整流电路精密全波整流电路（10.3.210.3.2）本讲稿第二十七页，共四十二页vOvIo(b)传输特性 输出电压与输入电压的绝对值成正比，将双极性输入信号转换为单极性输出输出电压与输入电压的绝对值成正比，将双极

29、性输入信号转换为单极性输出信号。信号。图10.3.2 精密半波整流电路D1D2R2R1A1vIvOvO1(a)电路RP2 R3R4R5A2电路的传输特性如图电路的传输特性如图10.3.2(b)10.3.2(b)所示。所示。本讲稿第二十八页，共四十二页(b)输入输出波形vO(0)=0vOvIotv图10.4.1 基本峰值检测电路DAvIvO(a)电路CvO1 获取输入信号最大值的电路既是峰值检测电路或最大值电路。获取输入信号最大值的电路既是峰值检测电路或最大值电路。上式中，上式中，v vO1O1是运放输出电压，是运放输出电压，A Avdvd是运放的开环电压增益，是运放的开环电压增益，V Vono

30、n是二极管的导是二极管的导通压降。所以通压降。所以 当当v vI Iv vO时，时，vO1为正，为正，D D导通，电容充电。输出电压为导通，电容充电。输出电压为电容存储检测到的输入电压最大值，作为电路的输出。电容存储检测到的输入电压最大值，作为电路的输出。设电容电压初始值为设电容电压初始值为0 0，输入输出波形如，输入输出波形如图图10.4.110.4.1（b b）。）。同时，运放输入电阻很大，电容电同时，运放输入电阻很大，电容电压保持不变。压保持不变。本讲稿第二十九页，共四十二页图10.4.2 实用峰值检测电路D1A1vIvOCvCA2D2R 基本峰值检测电路的缺点是响应速度慢。因为在二极管

31、截止期基本峰值检测电路的缺点是响应速度慢。因为在二极管截止期间，运放负饱和。当间，运放负饱和。当vI I vO O时，运放必须先退出负饱和，然后，运放的输时，运放必须先退出负饱和，然后，运放的输出电压由负电源电压（出电压由负电源电压（vO1O1-V VEEEE）上升至使二极管导通（）上升至使二极管导通（vO1O1=V Vonon+vI I）。）。当当vIvO时时，A A1 1的输出电压使的输出电压使D D1 1截止、截止、D D2 2导通，电容充电。等效电路导通，电容充电。等效电路如图如图10.4.3(a)10.4.3(a)所示。电阻所示。电阻R R使运放使运放A A1 1为负反馈，输出电压为

32、为负反馈，输出电压为解决办法解决办法是，限制运放进入饱和状态和选择输出电压转换速率大的运放。是，限制运放进入饱和状态和选择输出电压转换速率大的运放。如图如图10.4.210.4.2所示。运放所示。运放A A2 2连接成电压跟随器，即连接成电压跟随器，即vO O=vC C。D1A1vIvOCvCA2D2RVon（a）vI vO时的等效电路本讲稿第三十页，共四十二页 当当v vI IvvO O时，时，A A1 1的输出电压使的输出电压使D D1 1导通、导通、D D2 2截止，等效电路如图截止，等效电路如图10.4.3(b)10.4.3(b)所示。电阻所示。电阻R R和二极管和二极管D D1 1使

33、运放使运放A A1 1为负反馈，电容放电的等效电阻为负反馈，电容放电的等效电阻很大，电容电压保持不变。很大，电容电压保持不变。除了响应速度快以外，图除了响应速度快以外，图10.4.210.4.2电路还实现了负载隔离。电路还实现了负载隔离。在电容电压初始值为在电容电压初始值为0 0时，输入输出波形与图时，输入输出波形与图10.4.110.4.1（b b）相同。）相同。D1A1vIvOCvCA2D2Von（b）vI v vn n，开关，开关S S与正饱和输出电压与正饱和输出电压V VOsat+Osat+相连；相连；如果如果v vp p VVR R时，运放输出高电平时，运放输出高电平V VOHOH；

34、当当v vI IVVR R时，运放输出低电平时，运放输出低电平V VOLOL。即即vOvI(c)同相传输特性VOHVOLoVT=VR输入电压下降越过阈值电压输入电压下降越过阈值电压V VT T时，输出电压由时，输出电压由V VOHOH负跳变到负跳变到V VOLOL。传输特性如图传输特性如图10.5.1(c)10.5.1(c)所示。所示。阈值电压或门限电压阈值电压或门限电压VT。在图（在图（a a）中，）中，V VT T=V=VR R。阈值电压或门限电压VT：输入电压上升越过阈值电压输入电压上升越过阈值电压V VT T时，输出电压由时，输出电压由V VOLOL正跳变到正跳变到V VOHOH；本讲

35、稿第三十三页，共四十二页 当当V VR R=0=0时，时，V VT T=0=0，输出电压在输入电压过零时跳变，所以称为过，输出电压在输入电压过零时跳变，所以称为过零比较器零比较器。传输特性反映了电路的功能。传输特性反映了电路的功能。传输特性具有传输特性具有3 3个要素：个要素：1.1.输出输出高电平高电平V VOHOH和输出和输出低电平低电平V VOLOL：图：图10.5.110.5.1电路的高低电平电路的高低电平与运与运放的饱和电压有关；放的饱和电压有关；2.2.输入输入阈值电压阈值电压V VT T：使运放同相端电位：使运放同相端电位v vp p和反相端电位和反相端电位v vn n相等的输入

36、相等的输入电压既是阈值电压；电压既是阈值电压；3.3.输出电压输出电压跳变方向跳变方向：判断输入电压上升越过阈值电压时输出电压：判断输入电压上升越过阈值电压时输出电压的跳变方向，即可确定传输特性。的跳变方向，即可确定传输特性。输入电压接入运放的同相端，则输入电压上升越过阈值电压输入电压接入运放的同相端，则输入电压上升越过阈值电压V VT T时，时，输出电压产生正跳变（同相比较器）。输出电压产生正跳变（同相比较器）。输入电压接入运放的反相端，则输入电压上升越过阈值电压输入电压接入运放的反相端，则输入电压上升越过阈值电压V VT T时，输出电时，输出电压产生负跳变（反相比较器）。压产生负跳变（反相

37、比较器）。本讲稿第三十四页，共四十二页集成：图10.5.3反相过零比较器vIvOARD1D2 当当v vI I00时，运放输出电压上升至时，运放输出电压上升至V Vonon+V+VZ1Z1时，时，D D2 2正向导通、正向导通、D D1 1击穿稳击穿稳压，引入负反馈，输出电压为压，引入负反馈，输出电压为V Vonon+V+VZ1Z1，运放不能进入正饱和；，运放不能进入正饱和；反相过零比较器反相过零比较器 如图如图10.5.310.5.3所示，图中增加了稳压二极管所示，图中增加了稳压二极管D D1 1和和D D2 2组成的限幅电路。组成的限幅电路。在稳压管的稳定电压满足在稳压管的稳定电压满足V

38、Vonon+V+VZ1Z1VVOsat+Osat+和和V Vonon+V+VZ2Z2|V00时，运放输出电压下降至时，运放输出电压下降至-(V-(Vonon+V+VZ2Z2)时，时，D D1 1正向导通、正向导通、D D2 2击穿稳压，击穿稳压，引入负反馈，输出电压为引入负反馈，输出电压为-(V-(Vonon+V+VZ2Z2)，运放不能进入负饱和。即，运放不能进入负饱和。即 因为运放退出饱和状态需要较长时因为运放退出饱和状态需要较长时间，所以限制运放进入饱和状态可以提间，所以限制运放进入饱和状态可以提高电路的响应速度。高电路的响应速度。本讲稿第三十五页，共四十二页图10.5.4反相过零比较器的

39、输入输出波形vIVOHovOtVOLot 例如，例如，当输入为正弦波时，同相过零比较器输出电压为方波当输入为正弦波时，同相过零比较器输出电压为方波，如图，如图10.5.410.5.4所示。所示。如果运放饱和，则需增加运放退出饱和的时间。如果运放饱和，则需增加运放退出饱和的时间。例如图例如图10.5.3 10.5.3 的运放是的运放是LM741LM741，其，其SR=0.5V/SSR=0.5V/S；对顶稳压管的稳定电压为对顶稳压管的稳定电压为10V10V，则，则因此，通用运放组成的比较器响应速度很慢。因此，通用运放组成的比较器响应速度很慢。波形变换波形变换在过零附近，输出电压上升或下降的时间在过

40、零附近，输出电压上升或下降的时间(响应时间响应时间)近似为近似为运放输出电压的转换速率本讲稿第三十六页，共四十二页10.5.2 10.5.2 集成电压比较器集成电压比较器T T1 1、T T2 2、T T3 3和和T T4 4组成复合共射极差分放大电路，组成复合共射极差分放大电路，T T5 5和和T T6 6是有源负载，是有源负载，I I1 1是差放的电流源；由于是差放的电流源；由于T T1 1和和T T4 4的静态电流仅为的静态电流仅为10A10A，它们的输入电阻，它们的输入电阻r rbebe可达可达100k100k以上，使整个电路的输入电阻很大，输入电流近似为零（虚断）以上，使整个电路的输

41、入电阻很大，输入电流近似为零（虚断）。T T3 3和电流源和电流源I I2 2是共射极放大电路。是共射极放大电路。T T8 8和外接上拉电阻和外接上拉电阻R R组成反相器，组成反相器，T T8 8工工作在开关状态，即饱和导通或者截止。作在开关状态，即饱和导通或者截止。LM193/293/393LM193/293/393的电源电压范围宽，（的电源电压范围宽，（VCC-VSSVCC-VSS）在）在236V236V之之间。电源电压不影响间。电源电压不影响2 2个电流源的电流大小，工作稳定。个电流源的电流大小，工作稳定。VSSVSS通常接通常接地，也可以接负电源。地，也可以接负电源。LM193/293

42、/393LM193/293/393的响应时间可达的响应时间可达0.3S0.3S。为了提高比较器的响应速度，可采用专用的集成电压比较器。为了提高比较器的响应速度，可采用专用的集成电压比较器。图图10.5.510.5.5是集成电压比较器是集成电压比较器LM193/293/393LM193/293/393的电路原理图、管脚图和的电路原理图、管脚图和连接成反相电压比较器。连接成反相电压比较器。图10.5.5 集成电压比较器LM193/293/393电路原理图、管脚图和反相电压比较器VSSvIvOVRIN+IN-VSSVCCLM393R 10kVSST2T1T5T3T6T4T7T8D3D1D4D2I1I

43、2 T T1 1、T T2 2、T T3 3和和T T4 4组成复合共射极差分放大电路，组成复合共射极差分放大电路，T T5 5和和T T6 6是有源负载，是有源负载，I I1 1是是差放的电流源；差放的电流源；本讲稿第三十七页，共四十二页图10.5.5 集成电压比较器LM193/293/393电路原理图、管脚图和反相电压比较器VSSvIvOVRIN+IN-VSSVCCLM393R 10kVSST2T1T5T3T6T4T7T8D3D1D4D2I1I2 LM193/293/393 LM193/293/393的电源电压范围宽，（的电源电压范围宽，（VCC-VSSVCC-VSS）在）在236V236

44、V之间。之间。电源电压不影响电源电压不影响2 2个电流源的电流大小，工作稳定。个电流源的电流大小，工作稳定。VSSVSS通常接地，也可通常接地，也可以接负电源。以接负电源。LM193/293/393LM193/293/393的响应时间可达的响应时间可达0.3S0.3S。由于由于T T1 1和和T T4 4的静态电流仅为的静态电流仅为10A10A，它们的输入电阻，它们的输入电阻r rbebe可达可达100k100k以上，以上，使整个电路的输入电阻很大，输入电流近似为零（虚断）。使整个电路的输入电阻很大，输入电流近似为零（虚断）。（T T3 3）T T7 7和电流源和电流源I I2 2是共射极放大

45、电路。是共射极放大电路。T T8 8和外接上拉电阻和外接上拉电阻R R组成反相器，组成反相器，T T8 8工作在开关状态，即饱和导通或者截止。工作在开关状态，即饱和导通或者截止。本讲稿第三十八页，共四十二页图10.5.5 集成电压比较器LM193/293/393电路原理图、管脚图和反相电压比较器VSSvIvOVRIN+IN-VSSVCCLM393R 10kVSST2T1T5T3T6T4T7T8D3D1D4D2I1I2 LM193/293/393 LM193/293/393的电源电压范围宽，（的电源电压范围宽，（V VCCCC-V-VSSSS）在）在236V236V之间。电之间。电源电压不影响源

46、电压不影响2 2个电流源的电流大小，工作稳定。个电流源的电流大小，工作稳定。V VSSSS通常接地，也可以接负电源。通常接地，也可以接负电源。LM193/293/393 LM193/293/393的响应时间可达的响应时间可达0.3S0.3S。本讲稿第三十九页，共四十二页 具有选通输入的集成电压比较器可以选择工作态和禁止态。工作态是指电具有选通输入的集成电压比较器可以选择工作态和禁止态。工作态是指电路按电压传输特性工作。禁止态指电路不再按电压传输特性工作，从输出端看路按电压传输特性工作。禁止态指电路不再按电压传输特性工作，从输出端看进去相当于开路，即处于高阻状态。进去相当于开路，即处于高阻状态。

47、集成电压比较器的集成电压比较器的分类：分类：1.按一个器件（在同一个封装内）上所含有电压比较器的个数，可分为按一个器件（在同一个封装内）上所含有电压比较器的个数，可分为单、双和四单、双和四电压比较器；电压比较器；2.按功能，可分为通用型、高速型、低功耗型、低电压型和高精度型电压按功能，可分为通用型、高速型、低功耗型、低电压型和高精度型电压比较器；比较器；3.按输出方式，可分为普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输按输出方式，可分为普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出三种情况。出三种情况。集电极（或漏极）开路输出电路必须在输出端接一个电阻至电源。集电极（或漏极）开路输出电路必须在输出端接一个

48、电阻至电源。互补输出电路有两个输出端，若一个为高电平，则另一个必为低电平。互补输出电路有两个输出端，若一个为高电平，则另一个必为低电平。4.具有选通输入和无选通输入的集成电压比较器。具有选通输入和无选通输入的集成电压比较器。本讲稿第四十页，共四十二页集成电压比较器的特点：集成电压比较器的特点：1.1.比通用集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；比通用集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；2.2.响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动响应速度快，传输延迟时间短，而且不需外加限幅电路就可直接驱动TTLTTL、CMOSCMOS和和ECLECL等集成数字电路；等集成数字电路；3.3.有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。有些芯片带负载能力很强，还可直接驱动继电器和指示灯。本讲稿第四十一页，共四十二页10.5.3 10.5.3 迟滞比较器迟滞比较器本讲稿第四十二页，共四十二页