第10章_非线性运算电路

I1 D3 D1 T1 T2 T3 T4 T8 T7 T5 T6 VSS D4 VSS D2 VCC ININ+ VSS R 10kΩ vO LM393 I2
vI
VR
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
单门限比较器的抗干扰能力
简单电压比较器是当 输入信号达到某一给定 基准电平时，立即翻转， 用来检测未知电压，具 有较高的灵敏度。但是 它易受漂移、噪声及 干扰的影响，造成误动作。
R 正反馈 1
vO VOH VZ
在运放输出负饱电压VOsat-时，稳压管DZ被击 穿稳压，电阻R3限流保护DZ，输出低电平
vp
R2 R1 VR vO R1 R2 R1 R2
vO VOL VZ
使vn=vp的输入电压即是阈值 电压VT，即
（2）阈值电压VT+和VTR2 R1 V V VZ 上限阈值电压: T R R1 R2 R1 R2
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VT 时，输出电压产生负跳变（反相比较器）。
vO VOH o VOL vI VOH o VOL vO
vI VT =VR
VT =VR
同相传输特性
反相传输特性
反相过零比较器
如图10.5.3所示，图中增加了稳压二极管D1和D2组成的限幅电路。 在稳压管的稳定电压满足Von+VZ1<VOsat+和Von+VZ2<|VOsat-|的情 况下，运放不能进入饱和状态。 当vI<0时，运放输出电压上升至Von+VZ1时，D2正向导通、D1击 穿稳压，引入负反馈，输出电压为Von+VZ1，运放不能进入正饱和 ； 当vI>0时，运放输出电压下降至-(Von+VZ2)时，D1正向导通、D2 击穿稳压，引入负反馈，输出电压为-(Von+VZ2)，运放不能进入负饱 和。即 集成：
若应为高电平 抗干扰能力较差
错误电平
10.5.3 迟滞比较器(也称为双门限比较器)
在迟滞比较器中，运放引入正反馈。输出电压将影响阈值电压，使输入电压 上升和下降过程的阈值电压不同，传输特性形成滞环状
vO VOH VOL
o V T-
vO
vI VT+
VOH VOL
o V T-
vI VT+
(a) 反相迟滞比较器的传输特性 箭头表示输出跳变方向
(b) 同相迟滞比较器的传输特性
上限阈值电压和下限阈值电压的平均值定义为中心电压V0。 如果中心电压为0，则是过零迟滞比较器。
1．反相迟滞比较器
vI VR
vn vp
R1 R1 R2 A
R3 R1
vO
DZ ±VZ
（1）输出高电平VOH和输出低电平VOL
在运放输出正饱电压VOsat+时，稳压管DZ被 击穿稳压，电阻R3限流保护DZ，输出高电平：
使vn=vp的输入电压既是阈值电压VT，即
VT
R1 R2 R1 VR VZ R2 R2
R1 R2 R1 VT VR vO R2 R2
上限阈值电压:
vO 为 回差电压ΔV T VT OH V VT VT VOL VT中心电压为
o
2R1 vI VZ R1 R2
VOL VOH o
vI VT =VR
(c) 同相传输特性
当VR=0时，VT=0，输出电压在输入电压过零时跳变，所以称 为过零比较器。
3.输出电压跳变方向：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。 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VT 时，输出电压产生正跳变（同相比较器）。
VOL
VT+
(a) 反相迟滞比较器的传输特性
2．同相迟滞比较器
（1）输出高电平VOH和输出低电平VOL
VR vI
R1 R1
vn vp
A
R3 R1 R2 R1
vO
DZ ±VZ
VOH VZ
VOL VZ
下限阈值电压 （2）阈值电压VT+和VT-
R2 R1 vp vI vO R1 R2 R1 R2
ui (V) 3
-9 传输特性
10.5.4 窗口比较器
当输入电压单方向变化时，单限比较器和迟滞比较器的输出只能跳变一次。 因此只能判断输入电压大于或小于某一参考电平。如果希望检测输入电压是否 在两个规定电平之间，就应采用窗口比较器。
vO1
VRL VRH
vO
vO
vI
vO2
vI （a）电路 （b）传输特性
下限阈值电压: VT
R2 R1 VT VR vO R1 R2 R1 R2
回差电压ΔVT:
R2 R1 VR VZ R1 R2 R1 R2
VT VT VT
2R1 VZ R1 R2
中心电压是上限阈值电压和下限阈值电压的平均值
VT VT R2 V0 VR 2 R1 R2
vO Avo (VP VN )
同相
补 电压(阈值电压)V ，画出其电压传输特性。设运放输出的 充： 高、低电平分别为V 和V 。
T
OH OL
图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限
门限电压(阈值电压)VT：使输出发生 跳变的输入电压值。 解： 利用叠加原理可得
R2 R1 vp VREF vI R1 R2 R1 R2
3．当vI＞VRH时，vO1=VOH，vO2=VOL，D1导通，D2截止，输出高电平，即vO=VOH。
作业：10.11
10.12
10.14
补充题（10分）电路如图2所示。设运放A的电源电压为+15V和-15V，稳压 管是硅管，试画出该电路的传输特性。
W1
W2
5.3 V
5.3 V
4
vI
R1 15k
A1
VT+
VT
R1 R2 R1 VR VZ R2 R2
V VT R1 R2 V0 T VR (b) 同相迟滞比较器的传输特性 2 R2
补充1：电路如图所示。设运放A 的电源电压为+15V和-15V，稳压 管的双向限幅值为±VZ= ±6V，试 画出该电路的传输特性。 vO
因为vP＝vN＝0，即
R2 R1 VREF vI 0 R1 R2 R1 R2 R2VREF R1vI 0 R2 门限电压 VT ( vI ) VREF R1
VT 同相
10.5.2 集成电压比较器（略）
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10.5.5是集成电压比较器LM193/293/393的电路原理图、管脚 图和连接成反相电压比较器。 T1、T2、T3和T4组成复合共射极差分放大电路，T5和T6是有源负 载，I1是差放的电流源；
第10章 非线性运算电路
*10.1 变跨导模拟乘法器 * 10.2 对数和指数运算电路 * 10.3精密整流电路 * 10.4 峰值检测电路 10.5 电压比较器
略
10.5 电压比较器
电压比较器的功能是比较两个输入电压值的大小，比较结果以输 出两个不同数值的恒定电压表示。
用集成运放构成比较器时，运放通常是开环或正反馈连接方 式，工作在饱和区，虚断成立，但虚短不成立。
VOH VOL VZ 0.7 ( R 2 R3) 9V R3 V 0.7 Z ( R 2 R3) 9V R3
5.3 V 5.3 V
4
vI
R1 15k
A1
2
vo
R3
3
R2 15k
30k
VT V p
R2 Vo R2 R3
9 -3 0i
uo (V)
R2 VT VOH 3V ( R 2 R3) R2 VT VOL 3V ( R 2 R3)
解： 当v i 0时，VO 6V 当v i 0时，VO 6V
解： 当v v 时， VO Vz (5) 1V 当v v 时， VO Vz (5) 11V
1 -5 o -11 o -6
6 vI
vO
vI
－5V
补充题2（10分）电路如图所示。设运放A的电源电压为+15V和-15V，稳压管是 W1 W2 硅管，试画出该电路的传输特性。 解： V Vo 5.3 0.7 6 R2 V Vo R2 R3
VOH Von Vz1 vO VOL (Von Vz 2 ) vI 0 vI 0
vI D1 R A D2 vO
图10.5.3反相过零比较器
过零比较器应用： 波形变换 输 入 为 正 负 对称 的 正 弦 波时，输出为方波。
电压传输特性
vO VOH o VOL vI
注意运放输入端开路，同相端电位vp与反相端电位vn具有较大差值。
VOH VOsat VCC vO VOL VOsat VEE
传输特性如图10.5.1 (c)所示。
vI VR vI VR
阈值电压或门 限电压VT：
vO
阈值电压或门限电压VT：使输出发生跳变的输入电压值 vI VR vp A vn (a) 电路 vO
10.5.1 单限比较器
单限电压比较器如图10.5.1(a)所示。图中vI从反相端输入，称为 反相单限电压比较器，简称为反相比较器。 VR是参考电压，输出电压vO表示vI与VR的比较结果。
vo Avo vid Avo (viP viN )
vI
VR
vp
A
vn
vO
(a) 电路
vo Avo vid Avo (viP viN )
当输入电压在 两个规定电平之间 时，输出为低电平； 当输入电压为其他 值时，输出电压为 高电平。
1．当vI＜VRL＜VRH时，vO1=VOL，vO2=VOH ，D1截止，D2导通，输出高电平，即 vO=VOH。 2．当VRL＜vI＜VRH时，vO1=VOL≤0，vO2=VOL≤0，D1和D2均截止，输出电压为零，即 vO=0。
vI VR vn vp
R1 R1 R2 R1 A R3 R1
vO
DZ ±VZ
vO VOH VZ
vO Hale Waihona Puke Baidu VOL VZ
vO VOH vI
o V T-
VT
VT
R2 R1 VR VZ R1 R2 R1 R2
R2 R1 VR VZ R1 R2 R1 R2
2
vo
R3
3
R2 15k
30k