集成电路第3章讲义

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1、第第3 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 电路的灵敏度高，非线性失真和误差小电路的灵敏度高，非线性失真和误差小精密检波精密检波 将二极管接至运放的反馈环路将二极管接至运放的反馈环路与普通与普通二极管检波器相比具有以下优点：二极管检波器相比具有以下优点：3.3二极管检波器和绝对值变换器二极管检波器

2、和绝对值变换器普通二极管半波整流：普通二极管半波整流：tuo0.5V1. 由于硅二极管的正向导通电压不小于由于硅二极管的正向导通电压不小于 0.5V ，当，当 Ui 小小于于 1V 时，时， UO 误差很大。误差很大。 2. 二极管作为一个半导体元件，它很容易受到温度的影响，二极管作为一个半导体元件，它很容易受到温度的影响，它还具有非线性特性。它还具有非线性特性。普通半波整流电路的缺陷：普通半波整流电路的缺陷：解决方法：解决方法：将二极管接将二极管接至运放的反馈环路至运放的反馈环路非线性失真小非线性失真小,精度高精度高 精密检波精密检波 3.3.1二极管检波器二极管检波器1. 理想二极管检波器

3、理想二极管检波器半波精密整流电路半波精密整流电路tui0tuo0ui0uo 0, VD1导通，导通， VD2截止截止ui0, VD1截止，截止， VD2导通导通若若RfR1 则，则，uo=- uiAuuoiR1Rfuo VD2VD1RL-UDuo= uo +UD uo0ui图图3.3.2 传输特性传输特性uo = -UD ， uo= u- 0 反相放大反相放大, , uo=- ui Rf/ R1 1. 运放的输出电压大于二运放的输出电压大于二极管的正向电压。极管的正向电压。 即即D1 和和 D2 总是一个导总是一个导通，通，另一个截止，这样另一个截止，这样电路就能正常检波。电路就能正常检波。思

4、考题：思考题：如何获得正半波极性的输入信号？如何获得正半波极性的输入信号？精密半波整流电路正常工作的条件：精密半波整流电路正常工作的条件：2.电路所要求的最小输入电压峰值为电路所要求的最小输入电压峰值为dDAU其中，其中， UD 为二极管的正向电压，为二极管的正向电压，答：二极管反向！答：二极管反向！AuuoiR1Rfuo VD2VD1RLtui0tuo0当当ui 0 , D2导通，导通，D1 截止截止当当ui 0 时，时，uo1 0时时uo1 0, VD1截止截止, VD2导通导通u-1= ui 作用于作用于A2的反向端的反向端muumRmRuoii)(11uo2 0, VD4截止截止, V

5、D3导通导通u-2虚地虚地A1uiuoR1mRVD2VD1(1-m)RA2VD3VD4uo1uo2= R3.4限幅器限幅器特点：特点： 输入信号电压在某一范围内时，电路工作在线性放大状输入信号电压在某一范围内时，电路工作在线性放大状态，具有恒定的放大倍数，输出电压正比于输入电压；态，具有恒定的放大倍数，输出电压正比于输入电压； 输入信号电压超出该范围后，输出电压将保持为某一固输入信号电压超出该范围后，输出电压将保持为某一固定值不变。定值不变。 组成：组成： 集成运放和二极管集成运放和二极管应用：应用： 信号处理、运算，波形产生，过载保护电路信号处理、运算，波形产生，过载保护电路3.4.1 二极

6、管并联式限幅器二极管并联式限幅器1.二极管并联式限幅器的工作原理二极管并联式限幅器的工作原理当当 uAUref +UDVD 截止截止i212uRRRuA而：而：DrefUUuRRRi212则：则：)(212iDrefimUURRRUuVD截止截止1）当）当ui Uim 时，时， VD截止截止iuRRRuo2132）当）当ui Uim 时时VD 导通导通uAUref +UD （钳位）钳位）)U (URRuRRUuDrefomo2323A 不再随不再随ui改变改变uIuOOUomUim缺点：温度稳定性差缺点：温度稳定性差2.实际应用的二极管并联式限幅器（采用温度补偿）实际应用的二极管并联式限幅器（

7、采用温度补偿）uBUref UBE21）当）当uAuB +UBE1时时VT1 截止截止i212uRRRuAiuRRRuo213输出为：输出为：12i212BEBErefUUUuRRR则：则：)RR)(1UU (UUU21BEBErefimi21即：即：VT1 截止截止AuuoiR1R3R2AUref+V-VVT1VT2R4BuBUref UBE22）当）当ui Uim 时时uAUB +UBE1 钳位钳位VT1 导通导通)UU (URRuRRUuBEBErefomo212323A输出为：输出为： 不再随不再随ui改变改变uIuOOUomUim 传输特性传输特性3.4.2 二极管串联式限幅器二极管

8、串联式限幅器1.二极管串联式限幅器的工作原理二极管串联式限幅器的工作原理1）当）当uA UD 时时VD 截止截止21RUuRuurefAAi输出为：输出为：IR1 =IR2refAURRuRRu21211)(i可见，当可见，当ui Uim 时时,即：即：VD 截止截止refDURRURRu21211)(iuo = 0AuuoiR1RfVDR2A-UrefIR1IR22) 当当ui Uim 时时, VD 导通导通)()()(iiimfDreffDfoUuRRUURRUuRRu121 图图3-4-6 传输特性传输特性uIuOOUim1RRkf00k2.二极管区间限幅器二极管区间限幅器 图图3-4-

9、8 传输特性传输特性uIuOOUim232RRkfUim111RRkfrefDURRURRU21211)(im1refDURRURRU43431)(im2当当ui Uim1 时时, )(i11imfoUuRRu当当ui Uim2 时时, )(i23imfoUuRRu3.线性检波限幅器线性检波限幅器21RRURuRuREFiA121）当）当uA Em时时 , uo = UoH当当ui Em时时 , uo = UoL 运放处于运放处于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFEm上行特性上行特性uoui0UoHUoLEm当当ui Em时时 , uo = UoL 若若ui从反相端输入从反相端输入uu

10、u-+ -ui+OA+Em单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。达到某一给定电平。下行特性下行特性uoui0UoHUoL若门限电位为零若门限电位为零为：过零比较器为：过零比较器uoui0UoHUoLuuu-+ui+OA+uu+u+iOu-Atuituo+Uom-Uom例题：利用电压比例题：利用电压比较器将正弦波变为较器将正弦波变为方波。方波。uuu-+ui+OA+t0Ou0tIu干扰干扰干扰干扰比较电压比较电压Em输入电压输入电压输出电压输出电压误动作误动作误动作误动作单限比较器抗干扰性能波形图单限比较器抗干扰性能波形图解决办法：采用

11、具有迟滞传输特性的比较器。解决办法：采用具有迟滞传输特性的比较器。上页上页下页下页后退后退OHUCCV 0IuOu理想特性理想特性实际特性实际特性WU不灵敏区不灵敏区电路存在的问题电路存在的问题a.输出电平易受电源波动输出电平易受电源波动的影响。抗干扰能力差的影响。抗干扰能力差b. 电路容易进入深度饱和电路容易进入深度饱和状态，响应速度变慢状态，响应速度变慢c. 不灵敏。不灵敏。解决办法：采用具有迟解决办法：采用具有迟滞传输特性的比较器。滞传输特性的比较器。解决办法：输出端加钳位电路解决办法：输出端加钳位电路解决办法：引入正反馈解决办法：引入正反馈2.输入钳位保护和输出钳位单限比较器输入钳位保

12、护和输出钳位单限比较器+AuoREmuiR+V-VRoVD1VD2VDz防止差模输入电防止差模输入电压超过最大差模压超过最大差模输入电压输入电压防止运放深防止运放深度饱和度饱和uoui0UZ-UDEmUZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOURErRp3.任意电平单限比较器任意电平单限比较器当当u 为零时，输出端为零时，输出端的状态将发生跳变的状态将发生跳变 。rmERRE21使使u 为零时的输入电压为零时的输入电压 uI 为为门限电平：门限电平：uIuOO+UZ- -UDrERR21过零比较器是门限电平为零过零比较器是

13、门限电平为零的单限比较器。的单限比较器。由虚断和叠加原理由虚断和叠加原理riERRRuRRRu2112123.6.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器反相输入迟滞比较器反相输入迟滞比较器给电路提供双极性参考电平给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程加速输出翻转过程电路引入正反馈电路引入正反馈正反馈的作用正反馈的作用uuu -A+R-Zu+DO+fuRZiREFR3R11、下行迟滞比较器、下行迟滞比较器uu-A+R-Zu+DO+fuRZiR3R1特点：输入信号从反相端加入特点：输入信号从反相端加入迟滞比较器分类：迟滞比较器分类：2、上行迟滞比较器、上行迟滞比较器特点：输入信号从同相端加入特点：输入

14、信号从同相端加入迟滞比较器分类：迟滞比较器分类：uu-A+R-Zu+DO+fuRZiR3R1以下行迟滞比较器为例进行分析以下行迟滞比较器为例进行分析uu-A+R-Zu+DO+fuRZiR3R1uu-A+R-u+O+fuR4iR3R1一一. 没加参考电压的下行迟滞比较器没加参考电压的下行迟滞比较器分析分析1. 输出电压：输出电压：uo = UZ , UoH = + UZ ,UoL = UZ 2.当当 u+ = u- - 时，输出电压的状态发生跳变。时，输出电压的状态发生跳变。OFuRRRu11uu-A+R-u+O+fuR4iR3R1（2）当）当uo =-UZ时，时，3. 两个不同的门限电平两个不

15、同的门限电平（1）当）当uo =+UZ时，时，mHZfEURRRU11mLZfEURRRU11EmH 上门限电平上门限电平EmL 下门限电平下门限电平4.传输特性：传输特性：uu-A+R-u+O+fuR4iR3R1uoui0+UZ-UZEmHEmL设设ui , 当当ui EmL时时, uo从从-UZ +UZ这时这时, uo =-UZ , u+= EmL设初始值设初始值: uo =+UZ , u+= EmH设设ui , 当当ui EmH时时, uo从从+UZ -UZ称称Em =EmH - EmL为为回差或门限回差或门限宽度宽度ZFURRR112二二. 加参考电压的下行迟滞比较器加参考电压的下行迟

16、滞比较器uu-A+R-u+O+fuR4iR3R1UREFOFREFFFuRRRURRRu111上门限电平上门限电平11RRURUREREFZHffmffmRRURUREZREFL11回差回差( (门限宽度门限宽度) ) Em ：ZFmmmURRREEELH112 下门限电平下门限电平uoui0UZ-UZEmHEmL例题：例题：Rf=10k ，R1=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。uu-A+R-u+O+fuR4iR3R1UREF上下限：上下限：VRRURUREREFZH811ffmVRRURU

17、REZREFL211ffmuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6V2V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V传输特性传输特性+6V-6V 作用作用：产生矩形波、三角波：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。和锯齿波，或用于波形变换。抗干扰能力强抗干扰能力强。下行迟滞比较器下行迟滞比较器输入信号从反相端输入输入信号从反相端输入上行迟滞比较器上行迟滞比较器输入信号从同相端输入输入信号从同相端输入uu-A+R-u+O+fuR4iR3R1OFiFFuRRRURRRu111当当 u+ = u- - =0时，输出电压的状态发生跳变。时，输出电压的状态发生跳变。OFuRRui1fmRUREZ

18、H1fmRUREZL13.6.4 窗口电压比较器窗口电压比较器作用：检测输入信号是否位于两个指定电位之间。作用：检测输入信号是否位于两个指定电位之间。1. 用集成运放实现的窗口比较器用集成运放实现的窗口比较器 AuouiRELREHVD2VD1若若 uI EL VD2 截止，截止，VD1导通导通u- -ui i EH VD1 截止，截止，VD2导通导通u+ ui iu- - = EH，输出为高电平，输出为高电平若若EL uI EH VD1 VD2 导通导通u+ 0, VDZ正向导通正向导通, uo = -UD iN 0时时uA= - uiiN =i1+ i2= - ui/Rui0时时uA= 0

19、 i2= 0iN =i1= ui/RRuiNiRuiNiuiiNUB=0UM=0此时，电流电压关系为：此时，电流电压关系为： 2）假设）假设Um 0, UB = 0 ui与与Um作用一致作用一致根据叠加原理根据叠加原理,iN 是是ui与与Um求和后的绝对值变换求和后的绝对值变换RUuimNiuiiNUB=0-UM此时，电流电压关系为：此时，电流电压关系为： RUuimNi3）假设）假设Um 0, UB 0 根据叠加原理根据叠加原理,RURUuiBmN2i窗口宽度窗口宽度: UB 中心电平中心电平:- UmRURUuiBmN2i当当iN =0时时, 2BmUUui2BmUUEmH2BmUUEmL

20、uiiN-UMRUB2UZ-UDEmHEmLEmHEmL3.6.5 电压比较器的应用举例电压比较器的应用举例1. 在时延电路中的应用在时延电路中的应用dtuCRuO111C1若若 uI URA1输出高电平输出高电平UOH , uC随时间正向增加，随时间正向增加，由于三个运放参考电压不同，故分别经由于三个运放参考电压不同，故分别经过不同延时后输出高电平过不同延时后输出高电平tUCRuOH11C12. 在精密压控振荡器中的应用在精密压控振荡器中的应用随时间增长，随时间增长，uo1 -UR, uo为高电平，为高电平， PJFET截止。截止。uo高电平高电平 PJFET截止，积分器输出截止，积分器输出uo1又开始从零积分又开始从零积分重复上述过程重复上述过程 A1uo1uiR1-URJO734uo A2R2JO734R3C1PJFETuo1tT-URiR11UUCRT uot3. 在峰值检波器中的应用在峰值检波器中的应用 AuouiRCVD327uCuA760