第3章模拟集成电路的非线性应用
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1、2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院1第第3章章 模拟集成电路的非线性应用模拟集成电路的非线性应用3.1 对数器和指数器对数器和指数器3.2 乘法器及其应用乘法器及其应用3.3 二极管检波器和绝对值变换器二极管检波器和绝对值变换器3.4 限幅器限幅器3.5 二极管函数变换器二极管函数变换器3.6 电压比较器及其应用电压比较器及其应用2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院23.1 对数器和指数器对数器和指数器 3.1.1 对数器对数器3.1.2 指数器指数器3.1.3 集成化的对数器和指数器集成化的对数器和指数器202
2、2年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院33.1 对数器和指数器对数器和指数器 对数器对数器是实现输出电压与输入电压成是实现输出电压与输入电压成对数关系的非线性模拟电路。对数关系的非线性模拟电路。 1.PN结的伏安特性结的伏安特性) 1(edSdUkTqIIIdPN结的正向导通电流结的正向导通电流ISPN结的反向饱和电流，它随温度变化结的反向饱和电流，它随温度变化 q电子电荷量，电子电荷量，q = 1.602 10-19 C k玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，k = 1.38 10-23 J/ C T绝对温度绝对温度 mV26 qkTt = 25 C 时，时，Ud10
3、0mV deSdUkTqII 2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院42. 二极管对数放大器二极管对数放大器doUuddSeqUkTII由由 得得输出电压输出电压为为 odUU 式中，式中， qkTU3 . 2T当当 t=25 C 时，时，UT59mV。图图3-1-2 二极管对数器二极管对数器 的传输特性的传输特性图图3-1-1 二极管对数器二极管对数器iS2.3lg()UkTqRI iTklg()UUU Uk=RIS2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院53. 三极管对数放大器三极管对数放大器图图3-1-3 三极管对
4、数放大电路三极管对数放大电路在理想运放的条件下在理想运放的条件下 beeSEcUkTqIII输出电压输出电压为为 iobeS2.3lg()UkTUUqRI 采用三极管作变换元件，可实现采用三极管作变换元件，可实现56个数量级的动态范个数量级的动态范围，而采用二极管可实现围，而采用二极管可实现34个数量级的动态范围。个数量级的动态范围。 二极管和三极管对数器明显缺点是二极管和三极管对数器明显缺点是温度稳定性差。温度稳定性差。 iSlg()TUURI 2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院64. 温度补偿对数器的实际电路温度补偿对数器的实际电路图3-1-4 补
5、偿对放大器的实际电路补偿对放大器的实际电路输出电压输出电压为为 )ln()1 (cc1i543oVRURqkTRRU2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院73.1.2 指数器指数器beeSeUkTqII 由由 UoIeR 和和得得输出电压输出电压为为 ibeeeSSeoUkTqUkTqRIRIRIU式中，式中，当当 t = 25 C 时，时， qkTU3 . 2T1.基本指数器基本指数器图图3-1-5 基本指数器基本指数器图图3-1-6 指数器的传输特性指数器的传输特性2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院82.具有温
6、度补偿的实用指数器具有温度补偿的实用指数器图图3-1-7 具有温度补偿的实用精密指数器具有温度补偿的实用精密指数器2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院9VT2 的集电极电流为的集电极电流为在在ui0时时RTiO1Tln()c2oeIRqkTukTqIRRII设设 7 .161T1T RRRmV261kTqi10Rc2uII得得 输出电压输出电压 i105R5c2ouRIRIu选正温度系数的选正温度系数的RT，可对环境温，可对环境温度引起的变化进度引起的变化进行补偿。行补偿。RTo1Tln()()oeeiIRquIkT RRITi1T()ReRqukT R
7、RIBE2eoc2UkTqIIi1TToRbe2)ln(uRRRIIqkTU2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院103.1.3 集成化的对数器和指数器集成化的对数器和指数器图图3-1-8 8048型集成化对数放大器型集成化对数放大器2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院11图图3-1-9 8049型集成化指数器型集成化指数器2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院123.2 乘法器及其应用乘法器及其应用3.2.1 乘法器的基础知识乘法器的基础知识3.2.2 乘法器的工作原理乘法器的
8、工作原理3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用电路2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院133.2.1 乘法器的基础知识乘法器的基础知识1.乘法器乘法器乘法器乘法器具有两个输入端（通常称为具有两个输入端（通常称为X输入端和输入端和Y输入端）和一个输出端（通常称为输入端）和一个输出端（通常称为Z输出端）。输出端）。 图图3-2-1 乘法器的符号乘法器的符号输出特性输出特性方程为方程为 或或 Z = KXY K为增益系数或标为增益系数或标度因子，单位为度因子，单位为V-1。 uo (t) Kux(t) uy(t) 2022年5月31日星期二集成电路原
9、理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院14图图3-2-2 乘法器乘法器 的工作象限的工作象限2.乘法器的工作象限乘法器的工作象限 乘法器有四个工作区，它两个乘法器有四个工作区，它两个输入电压极性来确定。输入电压极性来确定。 两个输入端只能适应单一极性两个输入端只能适应单一极性乘法器称为乘法器称为单象限乘法器单象限乘法器。 如果一个输入端适应正、负两如果一个输入端适应正、负两种极性，另一输入端只能适应种极性，另一输入端只能适应单一极性乘法器称为单一极性乘法器称为二象限乘二象限乘法器法器。 如果两个输入端均能适应正、负极性的乘如果两个输入端均能适应正、负极性的乘法器称为法器称为四象限乘法器。四象
10、限乘法器。2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院153.乘法器的基本性质乘法器的基本性质（1）乘法器的）乘法器的静态特性静态特性X = 0时，时，Y为任意值，为任意值，则输出则输出Z = 0；Y = 0时，时，X为任意值，则输出为任意值，则输出Z = 0。当当 X 等于某一常数时，等于某一常数时，输出输出Z与与Y 成正比，成正比，Z与与Y的关系曲线称为的关系曲线称为四象四象限输出特性限输出特性。 当输入幅值相等时，即当输入幅值相等时，即X = Y或或X = Y，输出与输入的关系曲线称为输出与输入的关系曲线称为平方率输出特性。平方率输出特性。 图图3-2-3
11、 理想乘法器理想乘法器 四象限输出特性四象限输出特性2022年5月31日星期二集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院16图图3-2-4 理想乘法器理想乘法器 平方律输出特性平方律输出特性(2) 乘法器的线性和非线性乘法器的线性和非线性通常认为乘法器是一种非线性器通常认为乘法器是一种非线性器件。乘法器不能应用线性系统中件。乘法器不能应用线性系统中的叠加原理，但是乘法器在一定的叠加原理，但是乘法器在一定条件下，又是线性器件，例如：条件下，又是线性器件，例如：一个输入电压为恒定值时，即一个输入电压为恒定值时，即X= 常数，常数，Y = V1+V2，则有，则有2121)(VKVKVVKKX
