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电压电流转换器提供精确定义的死区电压

Marian Stofka?? 2013年10月28日 ?? 收藏1
在线性和非线性系统的控制中,有时会有意地将微小的非线性特征嵌入到闭环控制系统中。“微小的”在这里是指:只有在输入值超过非零阈值的情况下,嵌入元件的输出端才开始发生线性变化。当输入值从零变为阈值时,元件的输出值为零。其结果是,该非线性元件的嵌入能抑制阻尼振荡现象,而阻尼振荡现象则是反馈系统的典型特征。

图1所示的单极电压电流转换器是由基于运放器IC2a和NPN晶体管Q1的经典连接而构成。稳定的电流经过发射极电阻RE,而RE则充当简易的无源电流电压转换器。在闭环系统中,真正的负反馈是输往IC2a反相输入端的电压。伏安特性的死区电压根据参考电压VREF源头送来的电流确定,并经由电阻RD和RE接地。参考电压VREF的源头包括带隙的IC1、电阻分压器Ra、Rb以及运放器IC2b。

为了量化这个死区电压,可以先假设VIN为零。按理说,在这种情况下运放器也试图将VED变为零。然而,这是不可能的,因为Q1的B-E结点现在起着反向偏置二极管的作用。结果导致Q1的发射极电流为零,因此电阻RE的电压降应为:

由于运放器的反相输入端的电压相同,因此其输出端在零电平时输出饱和电压。

当输入电压开始从零值往上提升时,情况也是如此,直到输入电压值超过VED,如式(1)所示。此时,运放器IC2a输出的是正电压,使电流流经Q1的发射极。输入电压值越大,Q1的发射极电流也越大。由于负回馈太强,当输入电压VIN的在VED-VREF的范围内时,依赖电流(输入电压VIN)为线性。在满量程输入电压下(即VIN=VREF),为了评估输出电流,可以让RD电阻两端的电压与VREF相同),因此就不会有电流经过RD。这样,满量程输出电流下的等效发射极电阻即为RE,而发射极满量程电流的值为VREF/RE。

流经Q1集电极和正电源端的输出电流与发射极电流十分接近,其计算公式如下:

其中,β代表Q1的电流增益。转换器的伏安特性如图2所示。

举例来说,若选择VDB=0.1×VREF,VDB=VED,则根据式(1),可以得出RD=9RE。输出电流对输入电压的理论依赖关系如图2所示。

在实验中,参考电压(VREF=0.19645V)和满量程发射极电压(VED=0.19660V)都已测得。而VDB则通过以下方式确定:在电压从零到正或从正到零转换时对IC2a输出电压的突然变化进行检测;在IC2a输出电压突然发生变化时测定VIN的值。在转换为正电压时,测得的结果为VDB=19.75mV;在转换成负电压时,测得的结果为VDB=19.70mV。

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