第七章：信号非线性运算

' o
此时的输出电压为 RL RF RL RF Vo VR VR R3 +RL RF RL RF RF R3 RL R3
特性曲线
临界输入电压的计算
R1 RL Vi1 VR RL RF RF R2 RL R2 R1 RL Vi 2 VR RL RF RF R3 RL R3
分析
4)当输入电压Vi 较小，在Vi1和Vi 2之间时， Vi1 Vi Vi 2，输入电流I i 全部为二极管桥路 所吸收，D1 D4全导通，反馈电阻RF中的 电流I F 0，输出电压Vo 0。 所以，Vi从Vi1到Vi 2之间这段区域称为死区。
死区的讨论
其中，Vi1为死区的起始边界电压， Vi 2为死区的上限边界电压。 由于Vi1和Vi 2的值分别与R1和R2有关，故可改变 R1和R2来改变Vi1和Vi 2的值，从而调整死区的范围。
7.3 限幅放大器
限幅放大器的功能是输入信号较小时，限幅放大器
处于线性放大工作状态，输出跟随输入线性变化；
当输入信号达到某一电平时，输出将不随输入信号
的增加而变化，而维持在一个定值上，即处于限幅 工作状态。
图示
用途

信号整形 过电压保护等

7.3.1 二极管的反馈限幅电路
分析
1、当输入信号Vi 较小时，输出电压的绝对值 Vo Vz RF 时，稳压二极管截止，此时电路的增益Avo ，输出 R1 电压 Vo 随着输入电压Vi的增加而线性增加； 2、当输入信号Vi 达到一定值时，若 Vo =Vz，稳压二 极管导通，输出电压被箝位在Vz 上，随后Vo不再随Vi 的增加而变化。 Vz R1 3、临界状态的输入电压 Vi = Vz。 Avo RF
分析
VEE VD 3 3)当Vi 0时，且I i I 2 时， R1 输出电压Vo 0，D1和D3截止，D2和D4导通， 有：I i =I 2 -I F RF 输出电压Vo =Af 2Vi Vi Rr
讨论
当输入电压Vi自正值下降时，输出电压Vo 由负变向趋于零值，当到零值时，I F =0，I i =I 2， 这时的输入电压Vi =Vi 2 ,故有： Vi 2 1 = （VEE VD 3） Rr R2 Rr Vi =Vi 2 =- （VEE VD 3） R2


7.2.5 迟滞比较器
U OL U Z U OH U Z
请问：此电路中的反馈是正反馈还是负反馈？
电路

基本迟滞比较器是在反相输入单门限电压比较器的
基础上引入了正反馈网络，就组成了双门限值得 反相输入迟滞比较器；

若将输入从同相输入端引入，则可组成同相输入 迟滞比较器；
分析
由图知u N uI uP R1 uO , 令u N uP，得 R1 R2

1、比较器输入端保护
为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电
路。
集成运放的净输入 电压最大值为±UD
2、比较器输出箝位
不可缺少！
UOH＝＋ UZ1＋ UD2 UOL＝－( UZ2 ＋ UD1)
UOH＝ UZ UOL＝－ UD UOH＝ － UOL＝ UZ
比较器输出箝位另一形式
uO＝± UZ
根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端 决定输出电压的跃变方向。

7.2.2 单限比较器
uI 0时uO Aod 0 uI UOM
uI 0时uO Aod 0 uI UOM
电压传输特性
7.2.3 比较器的输入保护和输出箝位

比较器的输入保护 比较器的输出箝位
特点

电路简单； 放大区的斜率容易受到稳压管的漏电流的影响；


稳压管限幅电压不准，限幅电压调节也不方便， 故只能用在要求不高的场合。
7.3.2 采用电桥的反馈限幅放大电路
Vi
分析
1、当输入信号Vi 较小时，由于电桥中的二极管 D1 D4处于全导通状态，该电路是反相放大器， RF Vo Vi，输出电压 Vo 随着输入电压Vi的增加 R1 而线性增加；




7.2.1 概述
比较器是运放在开环状态下的一种应用。 由于运放的开环增益很大，所以当运放的
两个输入端电压不同时，运放的输出电压
为正向最大值或反向最大值。
uN uP时,uO Aod uP uN UOM uN uP时,uO Aod uP uN UOM
分析
2、当输入信号Vi为负，Vo' 为正，若此时Vo' VR， 则电桥中D1和D3导通，D2和D4 截止。
此时的输出电压为 RL RF RL RF Vo VR VR R2 +RL RF RL RF RF R2 RL R2
分析
3、若V VR，D1和D3截止，D2和D4导通，
门限电压
电压比较器的输出电压UO
从一个电平跳变到另
一电平时所对应的输入电压UI 称为电压比较器的 阈值电压或门限电压（UT）。
当UP＝UN时，可以求出门限电压。
电压传输特性
电压比较器的一般分析方法
写出 UP、UN的表达式，令UP＝ UN，求解出门限 电压（阈值电压）UT；

根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；
R2 R1 U REF UZ R2 R1 R2 R1
2 R1 U U T U T = UZ R2 R1
传输特性
描 述

设UI=0，UO= UOH， Up= UT+； 当UI从零向正方向增加到Up = UT+前， UO一直保持UO = UOH不变；当UI略大于UT+ ，则UO由UOH跳变到UOL ， 同时，Up下跳到Up= UT- ， UI再增加， UO保持UO = UOL不变； 若减小UI ，只要 UI > Up = UT- ,则UO将始终保持UO = UOL不变，只有UI <Up = UT- 时， UO才由UOL跳变到 UOH ； 根据UREF的正、负和大小， UT+ 和UT- 可正可负。
分
析
1)当Vo =0，I F =0时，四个二极管都导通，这 时流过电阻R1和R2中的电流分别为I1和I 2。
分Hale Waihona Puke Baidu
析
Vcc VD1 2)当Vi 0时，I i为负值，且有 I i I1 , R1 这时,流过二极管的电流不足以提供电流I i ,不足 部分只能由放大器从输出端通过RF 提供，这时的 输出电压Vo 0，电桥中的二极管D1和D3导通，D2 和D4 截止，故有： I1 +I F = -I i RF 输出电压Vo =Af 1Vi Vi Rr
电压传输特性
描 述

设UI= UT- ，UO= UOH， Up= UT+； 当UI从UT-向正方向增加，在到Up = UT+前， UO一直保 持UO = UOH不变，当UI略大于UT+ ，则UO由UOH跳变 到UOL ，同时，Up下跳到UT- ， UI再增加， UO保持 UOL不变； 若减小UI ，只要 UI > Up = UT- ，则UO将始终保持UO = UOL不变，只有UI <UT- 时， UO才由UOL跳变到UOH ；



举例：已知输入曲线和电压传输特性曲线，画输出曲 线。
滞后比较器的实质

由于正反馈的引入，使比较器的门限电压随输出电压 UO的变化而变化； 输入电压在阈值附近的微小变化，只要小于回差电压 幅值，就能有效地抑制干扰信号。 这样降低了灵敏度，但是抗干扰能力却大大提高了。


举例：已知输入曲线和电压传输特性曲线，画输出曲 线。
第7章 信号非线性处理
内容提要

概述

电压比较器
限幅放大器 死区电路


7.1 概述

非线性变换是采用非线性电路来完成的。
信号的非线性变换主要应用于电压频率变换，波 形变换，波形发生电路，数字频率计等等。 本书主要介绍集成运放的非线性应用（电压比较 器组成的电路）。


7.2 电压比较器

概述 单限比较器 比较器的输入保护和输出箝位 一般单限比较器 迟滞比较器
7.4 死区电路
死区电路的输入-输出特性是： 1、当输入电压Vi 在某一定的范围（Vi1 Vi Vi 2 )， 输出电压Vo为一定值； 2、在这个范围以外，即（Vi Vi1，Vi Vi 2）时， 输出电压Vo随输入电压Vi 呈线性变化。
死区电路
电路描述
Vi1 Vi 2这一区域为死区。 该电路的输出电压Vo的大小和方向由反馈电阻 RF中的电流I F的大小和方向决定。
7.2.4 一般单限比较器
U O U Z
作用于反相输入端
门限电压的计算
根据叠加定理 R2 R1 uN U REF uI R1 R2 R1 R2 令uN uP 0, 得 R2 U T U REF R1
电压传输特性
举例：已知UR=4V，稳压管VZ的稳定电压UZ=6V，正 向导通压降为0.7V，试： （1）求门限电压UT； （2）画出电压传输特性； （3）已知ui的波形如图所示，对应画出u0波形。
R1 UT uO R1 R2 uO U Z 或uO U Z UT + R1 UZ R1 R2
R1 UT - UZ R1 R2
几个概念
U T -：下门限电压（下限阈值电压）； U T +: 上门限电压（上限阈值电压）； U U T + U T - 称为回差电压；
讨论
当输入电压Vi 从负向零值变化时，输出电压 Vo下降，I F 也跟着下降，当Vo下降至零值时，I F =0，输入电流I i 全部由I1提供，I i =I1，这时的电 压Vi =Vi1， Vi1 Vcc VD1 故有: = Rr R1 Rr 输入电压Vi =Vi1 =- （Vcc VD1） R1


一般滞回比较器
请问：门限电压，上门限电压、下门限电压，回 差电压，画出电压传输特性曲线，并描述电压传 输特性曲线？
分析
根据叠加定理 R2 R1 U =UT UR uO R2 R1 R2 R1 由上式可知，根据输出电压的不同， 门限电压也有所不同。
uO U Z 或uO U Z U T UT R2 R1 U REF UZ R2 R1 R2 R1

•举例：已知UR=1V，双向稳压管VZ的稳定电压， UZ=±5V （1）求门限电压UT； （2）画出电压传输特性； （3）已知ui的波形如图所示，对应画出u0波形。
优缺点：
优点：电路简单，灵敏度高。
缺点：抗干扰能力差。
实际应用

当输入信号Ui在UT附近出现干扰，Uo将时而为UOH， 时而UOL，导致比较器输出不稳定； 如果用这个输出电压Uo去控制电机，将出现频繁的 启停现象，这种情况是不允许的。 提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。