第六讲非线性放大电路

1、第六讲 非线性电路,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,内容提要,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,使用高增益放大器时，采用正反馈，或者没有任何反馈。电路的双稳态特性具有高度非线性，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。,运算放大器电路工作在非线性区,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

2、想运放工作在非线性工作区的两个特点：,1.输出电压UO只可能为： UOM UOM,2.,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。,处于开环状态,引入正反馈,电压比较器电路中的集成运放,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

3、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,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,UT0V,Ui0V,Uo=UOM,Ui0V,Uo=-UOM,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,二极管限幅电路限制集成运放的差模输

4、入电压,电压比较器输入级的保护电路,限流电阻,电压比较器输出限幅电路,输出端加稳压管限幅电路，获得合适的,UOL和UOH,限流电阻,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。,二、

5、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。,令,解得的ui就是阈值电压,滞回比较器电路,滞回比较器电压传输特性,输入电压由小变大：,Ui接反相端,当输入电压增大到UT，输出电压由 UZ跃变为-UZ。,起初,滞回比较器电压传输特性,输入电压由大变小：,Ui接反相端,当输入电压减小到-UT，输出电压由 -UZ跃变为UZ。,起初,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，滞回比较器电压传输特将产生水平方向移动。,

6、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,输入输出曲线,滞回比较器仿真电路,PWL电源参数设置,三.滞回比较器,输入输出结果,输入电压(红)由大变小：,当输入电压减小到-UT,起初,（3.1v）,输出电压由 -UZ跃变为UZ。,（-6.2v）,（-3.1v）,滞回比较器结果分析,输入电压(红)由小变大：,当输入电压增大到UT,起初,（-3.1v）,输出电压由UZ跃变为-UZ。,（6.2v）

7、,（3.1v）,滞回比较器结果分析,集成电压比较器,CJ0710电路原理图,UOH：3.3v,UOL: - 0.4v,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,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,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,通断控制,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

8、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。,窗口探测器,脉宽调制,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。,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,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

9、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。,6.2 峰值检测器,峰值检测的作用是提取输入信号的峰值，并产生输出 。,为了实现这个目标，让 跟踪 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 。,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 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

10、，以防止通过R和任何外部负载所引起的放电。,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 跟踪,在此期间，OA1流出的电流经过D2对CH充电,保持模式,OA1提供了另一条反馈通路，R的作用是给D1提供一个电流通路,在此期间，电容电压保持恒定,经历峰值后， 开始下降，OA1输出下降，D2截至，D1导通,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。

11、,由 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 的负峰值。,6.3 集成函数发生器,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,ICL8038输出波形,主要参数,频率范围：0.001Hz300kHz,电源： 单电源1030v,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298,6.4 电压频

12、率转换电路,电荷平衡式电压频率转换电路的原理框图及波形分析,由积分器和滞回比较器组成，S为电子开关，受电压UO控制,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） 。,工作原理,S闭合,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。,电荷平衡式电压频率转换电路,6.5 锁相环（PLLPhase 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

13、号频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值。,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,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）。,

14、一、锁相环的原理,设振荡频率为 ，瞬时相位为,设输出信号 的角频率为 ，输入信号 的角频率为,其瞬时相位为,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。,若,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,输入信号,输出信号,为压控振荡器在输入控制电压为零或直流电压时的振荡角频率，称为固有振荡角频率。,模拟乘法器实现鉴相器,模拟乘法器的输出,整理可得,经低通滤波器虑去高频，得到差频项，即压控振荡器的输入信号UC（t） 。,其中,为环路瞬时相位差。UD(t)具有正弦特性。,压控振荡器的压控特性,Ko为压控增益，或称压控灵敏度,当UC

15、（t）不为纯直流量时， UC（t）起调频作用。 压控振荡器的振荡频率以 为中心频率而产生变化。,u(t)与uC(t)的关系曲线,两边微分,当电压输入为确定频率，,可得,当控制频差等于固有频差时，瞬时频差为零，锁相环进入锁定状态。,锁相环的锁定条件是,此时 不再随时间变化，而成为常量，因此环路滤波器输出为直流电压。,鉴相器输出的有效误差电压,大于低通滤波器的上限频率，电路处于失锁状态。正弦差拍信号因被滤除而不能产生压控信号，使得压控振荡器维持原振荡频率。,鉴相器进入锁定状态前 uC(t) 、uO(t)和uD (t) 的波形,小于低通滤波器的上限频率,正弦差拍信号处于通带内，成为压控振荡器的输入控

16、制信号。,压控振荡器的输出以 为中心频率的调频波。,压控振荡器的频率朝着参考输入信号的频率靠拢，,环路锁定。,失锁状态：压控振荡器维持原振荡频率。,跟踪状态：环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。,锁定状态：输出信号频率与输入信号频率严格同步，还具有频率跟踪特性。,锁相环的基本特殊功能,锁定特性：在一定频率范围内，锁相环可以通过“频率牵引”捕捉输入信号频率，实现对输入的固定信号的频率锁定，压控振荡器的输入信号与输入信号仅存在相位差，不存在频率差。,跟踪特性：锁相环一旦进入锁定状态，就能对输入

17、信号一定范围频率的变化具有良好的跟踪特性。,广泛用于自动频率控制、频率合成等。,广泛用于信号的跟踪、提取、调制和解调等。,二、锁相环的应用,锁相环用于调频电路,调频的示意图,调制信号,对载波,进行调频,随调制信号,线性变化,载波瞬时频率,是未调制时的载波中心频率,已调波,锁相环组成的调频电路,锁相环调频稳定性高。控制线性度好。,石英晶体振荡电路的输出电压作为锁相环的输入信号，可获得稳定性高的载波。调制信号作用于VCO，锁相环输出中心频率为 的调频波。,锁相环用于解调电路,利用锁相环实现调频波的解调电路,压控振荡器的输出频率能够跟踪输入调频信号的瞬时频率的变化，产生与输入信号相同调制规律的调频波，低通滤波器输出就是还原的调制信号。,调幅波的同步解调电路,调制信号,对载波,进行调幅,已调波的振幅,已调波,调幅波,同步检波电路中模拟乘法器的波形分析,调幅波的同步检波电路,锁相环用于频率合成电路,锁相倍频电路,输出信号频率,石英晶体振荡器信号为输入信号,锁相倍频器,锁定时，鉴相器输出信号频率相等,在锁相环的反馈通路中接入分频器,锁相分频电路,锁相分频器,在锁相环的反馈通路中接入倍频器,锁定