9第六讲-非线性放大电路

ui UT （3.1v）
（-6.2v）
uO UZ
当输入电压减小到-U（ T -3.1v） 输出电压由 -UZ跃变为＋UZ。
滞回比较器结果分析
输入电压(红)由小变大： 起初
（-3.1v） ui UT
uO UZ （＋6.2v）
（ 3.1v） 当输入电压增大到＋U T 输出电压由＋UZ跃变为-UZ。
2 R1 R2C U Z T R3 UI
f
R3 U I 2 R1 R2C U Z
6.5 锁相环（PLL－Phase Locked Loops）
锁相环是一种反馈控制系统。闭环跟踪
系统。其输出信号的频率跟踪输入信号的频
率。当输出信号频率与输入信号频率相等时， 输出电压与输入电压保持固定的相位差值。
滞回比较器结果分析
集成电压比较器
工作状态： 电路按电压传输特性工 作 禁止状态： 输出端相当于开路， 处于高阻状态
UOH：3.3v
CJ0710电路原理图
UOL: - 0.4v
一.主要参数
灵敏度：体现比较器对输入信号差别的分辨能力
上升时间：体现比较器进行逻辑判断的速度
输出： 高低电平UOH和 UOL
6.2 峰值检测器
峰值检测的作用是提取输入信号的峰值，并产生输 vO vI ( peak。 )
出
为了实现这个目标，让vO 跟踪 vI 直至输入达到峰值，这
个值会一直被保持，直至出现
一个新的更大的峰值，此时电 路会用新的峰值更新 vO 。
组成部分
（1）用来保持最近峰值的存储器，即电容器CH
（2）当一个新的峰
通断控制
设定值
电桥
有源基准 二极管
窗口探测器
也称为窗口比较器，它用以指 示何时给定电压落在特定的范围， 即窗口中。在生产线的测试过程中 ，可以用窗口比较器来筛选出那些 不能满足给定容限的电路。
脉宽调制
如果用电压比较器对一个缓慢 变化的信号和一个高频三角波和锯 齿波进行比较，输出就是一个与三 角波或锯齿波具有相同频率的方波
d (t ) (t ) dt
(t ) 0 (t )dt 0
t
设输出信号 u0 (t ) 的角频率为 0 ，输入信号 u1 (t ) 的角频 率为 i (t ) 0 i
其瞬时相位为
若
D (t ) 0 (t )dt 0
t
0 i
第六讲 非线性电路
内容提要
电压比较器及应用
峰值检测器
集成函数发生器 电压—频率转换电路 锁相环及应用
运算放大器电路工作在线性区的条件
采用负反馈,使运算放大器工作在线性区
用线性元件实现反馈网络
运算放大器电路工作在非线性区
使用高增益放大器时，采用正反馈，或者没有
任百度文库反馈。电路的双稳态特性具有高度非线性，
二、 滞回比较器
输入电压由小变大过程中使输出电压 跃变的阈值电压与输入电压由大变小过程 使输出电压 跃变的的阈值电压不同。
u0 UZ
R1 uP UZ R1 R2
令
uP uN
解得的ui就是阈值电压
滞回比较器电路
R1 UT UZ R1 R2
输入电压由小变大：
起初 Ui接反相端
ICL8038输出波形
主要参数
频率范围：0.001Hz～300kHz
电源： 单电源10～30v,双电源±5～ ±15v
方波：幅值接近电源电压，上升时间180ns，
下降时间40ns。
三角波：输出幅度6.6v，非线性线性度小于0.05％ 正弦波： 输出峰值4.4v，失真度小于1％ 矩形波： 占空比可调范围2％～98％
由ro1 和CH以OA2引起反馈环路极点，需要稳定OA2。可以用
适当的补偿电容分别与D1和R并联实现。
反转二极管的方向，可以使电路检测到 vI 的负峰值。
6.3 集成函数发生器
三角波
正弦波
方波
集成函数发生器8038电路原理图
ICL8038原理框图
ICL8038引脚图
ICL8038两种基本接法
6.4 电压－频率转换电路
将为输入的直流电压转换为频率与其值成正比的输出电 压。也称为电压控制振荡器（VCO） 。 由积分器和滞回比较器组成，S为电子开关，受电压UO控制
电荷平衡式电压－频率转换电路的原理框图及波形分析
工作原理
uo U OH S闭合
uo U OL S断开
uI数值越大,T1越小,振荡频率f越高,实现了电压-频率转换。 电流源I对电容C在很短时间内放电（或称反向充电） 的电荷量等于iI在较长时间充电的电荷量，这类电路称 为电荷平衡式电路。
压传输特将产生水平方向移动。 3.改变稳压管的稳定电压，滞回比较器电压传
输特将产生垂直方向移动。
实例分析
一.过零比较器
过零电压比较器仿真分析
PWL电源参数设置
输入输出曲线
正弦信号输入的仿真分析
输入输出结果
二.一般单限比较器
一般单限比较器仿真电路
信号源参数设置
R2 UT U REF R1
D (t ) 0
输出信号和输入信号频率相等时，它们的瞬时相位相差 为一常量。 锁相环能在一定范围，使输入和输出频率保持固定的相 位差，实现输出信号频率跟踪输入信号频率。
鉴相器
模拟乘法器实现鉴相器
输入信号 输出信号
U I (t ) Uim sin it i (t ) UO (t ) Uom cos ot o (t )
工作原理 跟踪模式
一个新峰值到来时，OA1输出为正，D1截至，D2导通
OA1利用反馈通路，使 vO
跟踪 vI

在此期间，OA1流出的电
流经过D2对CH充电

v1 vO vD2(on )
保持模式
vI 开始下降，OA1输出下降，D2截至，D1导通 经历峰值后，

OA1提供了另一条反馈通
R2 R1 UT 1 U REF UZ R1 R2 R1 R2 R2 R1 U REF UZ R1 R2 R1 R2
UT 2
有参考电压的滞回比较器及其电压传输特性
1.滞回比较器中引入正反馈，加快了输出电压的
变换速度，从而获得较为理想的电压传输特性。 2.改变参考电压的大小和极性，滞回比较器电
二.分类
通用型 高速型 低功耗型 低电压型
高精度型
比较器的应用
电平检测器
电平检测器也称为阈值检测器，它用以监测以电压形式表示的 物理变量和当这个变量上升到大于（或降至）某个规定值时发出信 号。检测器的输出根据应用的要求可用来发出某一特定的动作。如 激活报警器（发光二极管或蜂鸣器）、接通电机或加热器、或向微 处理器发送一个中断信号等。 高 功率 晶体管
消除比较器抖动
当处理缓慢变化的信号时，比较器可能会在输入穿 越阈值区时，产生多个输出变化，称为比较器抖动。
利用磁滞现象可以消除比较器抖动。当输入信号 穿越当前的阈值时，电路发生跃变并激活另一个阈值 。因此，输入信号必须摆回到新的阈值才能使输出再 一次跃变。 使磁滞宽度大 于噪声的最大峰峰 值，可以防止假的 输出跃变。
1.输出电压UO只可能为： ＋UOM －UOM 2.
uP uN
uP uN
iP iN 0
实际的集成运放技术指标均为有限值，理想化
必然带来分析误差，
在一般的工程计算中，这些误差是允许的而 且，随着新型运放的不断出现，性能越来越
接近理理想，误差也就越来越小。
6.1 电压比较器及应用 电压比较器，是对输入信号进行鉴幅 与比较的电路， 电压比较器可将模拟信号转换为二值信号， 即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。 因此，可用电压比较器作为模拟电路和数字 电路的接口电路。
值出现时，用来进 一步对电容充电的 单向电流开关，即 二极管D2 （3）当一个新的峰值出现时，使电容电压能够跟踪输入 电压的器件，即电压跟随器OA1
（4）能周期地将vO 重新置0的开关，这是用FET放电开关 和电容并联实现的，即SW
（5）OA2的作用是对电容电压进行缓冲，以防止通过R和
任何外部负载所引起的放电。
ui UT
uN uP
uP UT
uO UZ
滞回比较器电压传输特性
当输入电压增大到＋UT，输 出电压由 ＋UZ跃变为-UZ。
输入电压由大变小： 起初
ui UT
uN uP
Ui接反相端
uO UZ
滞回比较器电压传输特性
uP UT
当输入电压减小到-UT，输
出电压由 -UZ跃变为＋UZ。
二、环路滤波器：一般为低通滤波器。虑除鉴相器输 出电压UD（t）中的高频分量和干扰信号，获得压控振 荡器的输入电压 UC（t） 。 三、压控振荡器：其实质是电压－－频率转化电路。 其振荡频率决定于UC（t），也就是决定于 UD（t）。
一、锁相环的原理
设振荡频率为 (t ) ，瞬时相位为 (t )
UT
R2 UZ R3
①
uP 2
uo1
R3uo1 R2U Z R2 R3
1 u1 (t1 t0 ) uo1 (t0 ) R1C
②
uo1
电荷平衡式电压－频率转换电路
1 1 u1 (t2 t1 ) U Z (t2 t1 ) uo1 (t1 ) R1C R5C
路，R的作用是给D1提供一
个电流通路

在此期间，电容电压保
v1 vI vD1(on )
持恒定

对OA1的要求：具有足够低的直流输入误差和足够高的电
流输出能力，以便在短暂的峰值期对CH充电。
对OA2的要求：输入偏置电流足够低，才能使峰值间的电
容放电最小。而D2和OA2置于OA1反馈回路中，可以消除由D2 压降和OA2输入失调电压引起的误差。
值，可以改变阈值电压的大小和极性。
2.要改变输入电压经过阈值电压时输出电压的 跃变方向，将集成运放的同相和反相输入端外 接电路互换。
分析电压比较器传输特性的方法： 1.确定电压比较器输出值UOH和 UOL。 2.根据电路写出同相端电压uP和反相端电压uN 表达式，令uP=uN,确定阈值电压UT。 3. Ui作用于集成运放的端口决定输出电压的 跃变方向。
是比较器和施密特触发器电路的基础。
采用非线性元件（如二极管、模拟开关）实现
反馈网络，如精密整流器、峰值检测器和采样保
持电路。
利用BJT器件可预测的指数特性，实现各种非线
性传递函数，如对数放大器和模拟乘法器。
理想运放的非线性工作区特性
理想运放工作在非线性 区时的电压传输特性
理想运放工作在非线性工作区的两个特点：
过零电压比较器及其电压传输特性
2.实际的过零比较器 输入级保护 限流电阻 二极管限幅电路
限制集成运放的
差模输入电压
电压比较器输入级的保护电路
限流电阻 输出端加稳压管限幅 电路，获得合适的 UOL和UOH
电压比较器输出限幅电路
3.一般单限比较器
一般单限比较器电路
一般单限比较器电压传输特性
1.改变参考电压的大小和极性，以及电阻的阻
锁相环的原理框图
PD(Phase Detector)：
LP(Loops Filter)：
VCO(Voltage Controlled Oscillator)：
一、鉴相器（相位比较器）：将输入信号与输出信号 （反馈信号）的相位差检测出来，并将其转换成电压 信号UD（t），成为误差电压。 其实质是相位差－－电压转化电路
1 2v= 0.2v 10
输入输出曲线
三.滞回比较器
滞回比较器仿真电路
PWL电源参数设置
R1 UT UZ R1 R2
UZ UZ1 UD
10 103 UT 6.2 3 10 10 10
3.1v
输入输出结果
输入电压(红)由大变小： 起初
电压比较器的种类 1.单限比较器 2.滞回比较器 3.窗口比较器 只有一个阈值电压 输入电压由小变大过程中 使输出电压 跃变的阈值电 压与输入电压由大变小过
程的阈值电压不同
电路有两个阈值电压
电压比较器工作原理 一.单限比较器
1.过零比较器 UT＝0V
Ui<0V Uo=UOM Ui>0V Uo=-UOM
电压比较器电路中的集成运放 处于开环状态 引入正反馈
集成运放的开环状态
集成运放引入正反馈
运放的非线性工作区
理想运放工作在非线性区时的电压传输特性
电压比较器的电压传输特性
1.输出电压高电平和低电平的数值UOH和 UOL
2.阈值电压的数值UT
3.当ui变化且经过UT时uo的跃变方向
从UOH到 UOL 从UOL到UOH