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非线性电路【2】  

2014-05-21 17:13:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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斯密特触发器

斯密特触发器这个名字对于每个有点数模电知识的人来说,一定都不陌生。那么究竟斯密特触发器是什么样的结构?又在什么样的电路中有应用呢?

先来说一说正反馈与负反馈的问题,我们知道大部分的运放是工作在负反馈的状态下,这样能够产生稳定的增益,现在转到具有正反馈的放大电路。这种电路也被称为斯密特触发器。与负反馈始终在"削减"输入信号,从而是电路保持在线性区不同的是,正反馈能够使电路进入饱和状态。下图很形象的描述了两种形式反馈的关系。负反馈相当于一个碗底的球,而正反馈相当于圆屋顶的球,负反馈最终会回到它在底部的平衡状态,正反馈稍稍晃动就会使球落入其中一边。

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

反相的斯密特触发器如下图所示,输出的两种稳态VOH和VOL,所以阈值也会有两个可能的值VTH和VTL,当从右向左时,阈值为VTL,当从左向右是,阈值VTH。在正反馈的再生作用下,在VTC的垂直部分上的移动只能按照顺时针方向进行。我们认为有两个单独的跃变点的VTC具有磁滞现象,将磁滞宽度定义为VT=VTH-VTL

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

同相的斯密特触发器只要将激励源放在同相端,就可以实现,同事磁滞环的方向变成了顺时针。如果我们现在要将磁滞左移或者右移,只要利用叠加原理,叠加一个正信号或者是叠加一个负信号即可完成,如下图所示将Vcc叠加到激励端就会得到下面的VTC的波形。

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

磁滞环在电路中是一个很重要的概念,也是一个很基本的功能,当我们在处理缓慢信号的时候,比较器可能会在输入穿越阈值区的时候,产生多个输出的变化,也就是抖动,加入磁滞环的比较电路就是消除这样的抖动(如下图所示),同时可以通过设置磁滞环的宽度来调节消抖的程度。另外一个方面就是空调、电炉系统经常用到的"bang-bang"控制,加入磁滞环后可以降低开关的切换频率。

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

精密整流器

我们知道半波整流器(HWR)只能通过信号的正半部分(或者是负半部分),而且会阻止另半部分。全波整流器(FWR)不仅能够通过正半部分,还能反转并通过负半部分。整流器是用非线性的器件(二极管)来实现,但是我们知道在低电平信号整流过程中,实际的二极管的正向压降VD(on)会产生令人无法容忍的误差,这个时候我们只要将一个二极管接入运算放大器的负反馈通路中,就可以消除这个缺点。

如下图这个基本的半波整流器,可以将二极管和运放OA构成的整体看成是一个超级二极管,也就是没有正向压降的二极管。因为当VI>0的时候,vOA为正,这个时候二极管导通,并且vOA比Vo多0.7V的管压降由此产生了负反馈通路;而在VI<0的时候,vOA为负,这个时候二极管截止,不能形成反馈通路,这样的话运放工作在开环状态vOA接近于VEE(因为一般的运放都不能够真正实现满摆幅),而Vo=0V。

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以上的一个电路会遇到一个问题就是在负电压的时候运放输出饱和,如果这个时候输入为正信号,运算放大器的退饱和和输出电压VoA从VEE到VI+0.7的过程都是需要时间的,很可能会引起输出信号的失真。下面是改进后的HWR电路,用另外一个二极管D1将运放的输出电压钳位在一个管压降的范围内,这样能显著提高电路的动态特性。

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

上面的两个主要存在的问题解决了这个时候就可以在上面的基础上进一步拓宽电路的应用范围,如下图所示为精密的全波整流器(FWR),主要的原理是一个半波整流器的波形和输入信号进行叠加,从而输出全波信号。

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

下面是只需要两个匹配电阻的FWR

非线性电路【2】 - 苏之淼 - 网易博客

我们知道一般做全波整流(或者半波整流)主要是为了交流-直流的变换,经过整流过后的信号经过响应的滤波以后就输出一个直流信号,如下图所示为一个交流-直流转换电路,这里需要注意的是电容值必须足够的大,才能够使处理后的剩余输出纹波在规定的范围内。这就要求f0必须小于最小工作频率,由于FWR将频率增大到了两倍,所以规定C的标准为C》1/4πRsfmin,根据保守的经验公式,C超出式子右边相的倍数至少等于容许的以小数记得纹波误差的倒数。如果纹波误差为1%,则C为右边项的1/0.01=100倍,为了保持误差保持到音频的低端,即fmin=20Hz,可以计算出下面电路C=100/(4π×222×103×20)=1.8uF。

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