第3章_模拟集成电路的非线性应用1

1、集成电路原理及应用 Principle and Application of Integrated Circuits 第3章：模拟集成电路的非线性应用 n电压比较器电压比较器 n对数器和反对数对数器和反对数(指数指数) 器器 n模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用 n限幅器限幅器 n精密整流电路精密整流电路 v 电路共性：输出与输入之间呈非线性关系 两 类 电 路 电路中使用的集成运放工作在运放的非线性区（即饱和 区），比如电压比较器 电路中使用的集成运放工作在运放的线性区，依靠集成运 放外围元件的非线性特性实现电路输出与输入之间的非线 性关系。比如指数器、对数器、乘法器、检波器、限幅器 以及

2、函数变换器等。 电压比较器 电压比较器的功能是比较两个电压的大小。即将一个电压比较器的功能是比较两个电压的大小。即将一个 输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，视输入信号是输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，视输入信号是 大于还是小于参考电压来决定输出状态。大于还是小于参考电压来决定输出状态。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术 领域，以及波形产生及变换等场合领域，以及波形产生及变换等场合 。 集成运放用作比较器时，工作于开环状态，只要两 端输入电压有差别（差动输入），输出端就立即饱和。 为了改善输入、输出特性， 常在电路中引入正反馈。

3、电压比较器 n鉴别灵敏度：又称为分辨率或转换精度。是指电压比 较器的输出状态发生跳变所需要的输入模拟信号电压 的最小变化量。 n响应速度：反映比较器从高电平跳变到低电平或从低 电平跳变到高电平时所需时间的长短。 n带负载能力：表征这一指标的主要参数是：输出电阻 Ro、输出高电平时的漏电流IoR和输出端吸入电流Isink 电压比较器的性能指标 电压比较器可分为单门限电压比较器、迟滞电压比 较器与窗口电压比较器。 特点：特点： 只有一个门限电压。由于电路工作在开环状态，只有一个门限电压。由于电路工作在开环状态， 可知可知 uiUREF uo=-Uom ui UR， ， uo= +UOM， T 导通

4、。导通。 KA 动作，动作， 切断电源。切断电源。 R1 R2 UR R R4 KA +UCC T R3 + ui uo 温度未超过规定值，温度未超过规定值， Ui 0U0，且且U U大于大于U UT T几倍，式中几倍，式中 1, 1,则则 T UU e /T UU Se II / 若若U0U0，且且UU大于大于U UT T几倍，指数项近似为零，则几倍，指数项近似为零，则I-II-IS S 对数器和反对数对数器和反对数(指数指数) 器器 图 3 .11 对数器原理电路 uo R i i ui V D u 对数器和反对数对数器和反对数(指数指数) 器器 uo R i ui i 图 3.12反对数

5、器原理电路 i1 一、对数器一、对数器 R1 _ + + uo R2 ui 二极管PN结的正向电流为 TD Uu SD eIi / UT26mV， 11 / Rui i 理想运放时，i1=iD TD Uu S i eI R u / 1 两边取对数 S i TDo IR u Uuu 1 ln 对数器和反对数对数器和反对数(指数指数) 器器 三极管对数器三极管对数器 在理想运放的条件下在理想运放的条件下 be e SEc U kT q III 输出电压输出电压为为 i obe S 2.3 lg() UkT UU qRI 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

6、稳定性差。 iinin SSS lg()lg()=lg() TT UIIKT UU RIIqI 二、反对数运算电路二、反对数运算电路 iD RF _ + + uo ui if TD Uu SD eIi / Fof Rui/ 理想运放时， iD=if ，uD=ui Ti Uu FSo eRIu / 对数器和反对数对数器和反对数(指数指数) 器器 应当说明，无论是二极管还是三极管，其UT与IS都 随温度而变，因而上述对数运算电路的温度特性较差， 实际使用时应作温度补偿。 对数器和反对数对数器和反对数(指数指数) 器器 功能功能:实现两个模拟信号电压相乘实现两个模拟信号电压相乘 符号符号: 关系式关

7、系式: 分类分类: 根据输入和输出电压极性的性质可有根据输入和输出电压极性的性质可有 四象限乘法器四象限乘法器: 两个输入电压都可正可负两个输入电压都可正可负 两象限乘法器两象限乘法器:一个输入电压可正可负一个输入电压可正可负, 另一个输入另一个输入 电压单极性电压单极性 单象限乘法器单象限乘法器: 两个输入电压只能限定为某一极性两个输入电压只能限定为某一极性 3.3 模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用 其中其中K为比例因子为比例因子，量纲，量纲:V-1 YX o =vKvv v 模拟乘法器的基本特性模拟乘法器的基本特性 v乘法器是又一种广泛使用的模拟集乘法器是又一种广泛使用的模拟集 成电路

8、，它可以实现乘、除、开方、成电路，它可以实现乘、除、开方、 乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟 运算、通信、测控系统、电气测量和运算、通信、测控系统、电气测量和 医疗仪器等许多领域。医疗仪器等许多领域。 1)ri1和ri2为无穷大； 2)ro为零； 3)K值不随信号幅值而变化，且不随频率而变化； 4)当ux或uY为零时uo为零，电路没有失调电压、电 流和噪声。 3.3 模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用 理想乘法器：理想乘法器： 实际乘法器：实际乘法器： ux= 0, uy = 0 时，时，uO 0 输出失调电压输出失调电压 ux= 0，uy 0 时，时， 或或

9、 uy = 0，ux 0 时，时， 输出馈通电压输出馈通电压uO 0 基础为带恒流源差分电路基础为带恒流源差分电路,有有 其中其中: 所以所以: 乘法器电路是用压控电流源替代乘法器电路是用压控电流源替代 恒流源恒流源 I 由此可见由此可见, 输出电压与输入输出电压与输入 电压的乘积成正比。改变了电压的乘积成正比。改变了 uY即改变了即改变了I及及gm和和uo，所以所以 称为称为变跨导乘法器变跨导乘法器 3.3.1 模拟乘法器工作原理模拟乘法器工作原理 v变跨导型模拟乘法器变跨导型模拟乘法器 作为实用乘法器而言 ，它存在下列三个问题： (1) 由于控制I0的输入电压uy必须是单极性的，所以基本电

10、 路称作两象限乘法器，即ux, uy均为正或ux为负、uy为正。如果 希望ux, uy均可正可负，则就会有更大的实用意义。为此，必须 解决四象限相乘问题。 (2) 线性范围太小。为此，必须引入线性化措施，以扩大 线性范围。 (3) 相乘增益K与UT有关，即K与温度有关，需要解决温度 引起的不稳定性问题。 3.3.1 模拟乘法器工作原理模拟乘法器工作原理 v实际的变跨导模拟乘法器实际的变跨导模拟乘法器 （双差分对型）（双差分对型） 3.3.1 模拟乘法器工作原理模拟乘法器工作原理 v对数反对数型模拟乘法器 根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的 原理，因此可

11、以用对数放大器、反对数放大器和原理，因此可以用对数放大器、反对数放大器和 加法器来实现模拟量的相乘。加法器来实现模拟量的相乘。 3.3.1 模拟乘法器工作原理模拟乘法器工作原理 )ln(lnln yxyx uuuu yx eeuu u u u 对对数数运运算算 X 对对数数运运算算 Y 加加法法运运算算 反反对对数数运运算算 lnu X u Y ln u X ln Y lnu + =ln（ X u Y u ） X o u Y= u 举例： S1 X TO1 ln IR u uu S2 Y TO2 ln IR u uu )ln(lnln S2 Y S1 X T S2 Y T S1 X TO2O1

12、O3 IR u IR u u IR u u IR u uuuu ）（ To3 /u 4SO e U RIu 若取若取 R1R2R3R4R，可得：可得： YX S O 1 uu IR u u u u + A + + A + + A + + A + 1 2 3 4 Y X 3 T R1 R2 R3 R3 3 R 4 R u o1 u o2 O T1 2 T 3.3.2单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器 MC1496 双差分对模拟乘法器双差分对模拟乘法器 V1、V2、V5模拟乘法器模拟乘法器 V3、V4、V6模拟乘法器模拟乘法器 V7 V9 、R5电流源电路电流源电路 R5 、V7 、R1电流源基

13、准电流源基准 V8、V9 提供提供 0.5 I0 RY引入负反馈，扩大引入负反馈，扩大 uY 的线性 的线性 动态范围动态范围 YX TY O uu UR R u C YXu Ku TYU R R K C 其中，其中，uX 0 时，时，uo10 , D2导通，导通，D1 截止，运放工作在深度负截止，运放工作在深度负 反馈状态。反馈状态。 当当ui 0 , D2截止，截止，D1导通，导通， 构成反相比例放大器。构成反相比例放大器。 i F o U R R u 1 + + ui uo R1 RF R2 D1 D2 u= u+=0V ，uo1 -0.7V uo=0 ; 1. 运放的输出电压大于二运放

14、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 总是一个导通，总是一个导通， 另一个截止，这样电路另一个截止，这样电路 就能正常检波。就能正常检波。 思考题：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 u D A U 其中，其中， UD 为二极管的正向电压，为二极管的正向电压， 1 R R A F u 答：二极管反向！答：二极管反向！ + + ui uo R1 RF R2 D1 D2 t ui 0 t uo 0

15、当当ui 0 , D2导通，导通，D1 截止，运放工作在深度负截止，运放工作在深度负 反馈状态。反馈状态。 当当ui 0 时，时，uo1 0 , D2截止，截止，D1导通，导通， 构成反相比例放大器。构成反相比例放大器。 i F o U R R u 1 u= u+=0V ，uo1 0.7V uo=0 ; RF1 ui R1 R21 D1 D2 uo + + A1uo1 3.5.2 绝对值绝对值 ( 全波整流全波整流 ) 电路电路 在精密半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大器，在精密半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大器， 就组成了精密全波整流电路。就组成了精密全波整流电路。 ui uo

16、 R1 RF1 R21 D1 D2 R11 RF2 R22 R12 u1 + + + + A1 A2 电路结构：电路结构： 左图中左图中A1 构成半波整流电构成半波整流电 路，在路，在 R1RF1 的条件下，的条件下， 有：有： 0 ( (当当 ui 0 ) )- ui u1 = + + ui R1 RF1 R21 D1 D2 R11 A1 u1 + + uo RF2 R22 R12 A2 工作原理：工作原理： t ui 0 t u1 0 t ui 0 t u1 0 t uo 0 若满足一定的条件，若满足一定的条件， 就可以有：就可以有： + + ui R1 RF1 R21 D1 D2 R11

17、 A1 u1 + + uo RF2 R22 R12 A2 i FF o u R R u R R u 12 2 1 11 2 已知在已知在 R1RF1 的条件下，有：的条件下，有： 0 0( (当当 ui 0 ) ) - ui u1 = = 若若R12 RF2 且且 R11 = 0.5 RF2 当当ui 0 时，时， + + ui R1 RF1 R21 D1 D2 R11 A1 u1 + + uo RF2 R22 R12 A2 i FF o u R R u R R u 12 2 1 11 2 io uu 3.5.3 平均值电路 作用：作用：交流直流变换器。交流直流变换器。 半波整流的平均值电路半

18、波整流的平均值电路 种类：种类：有两种平均值电路。有两种平均值电路。 全波整流的平均值电路全波整流的平均值电路 方法：方法：只要在整流电路后面连接低通滤波器，就只要在整流电路后面连接低通滤波器，就 能够组成最简单的平均值电路。能够组成最简单的平均值电路。 原理：原理：把交流信号整流后把交流信号整流后 ，再经滤波器，再经滤波器 ，就，就 把交流电压按比例地变成了直流电压，把交流电压按比例地变成了直流电压， 且一般是平均值电压。且一般是平均值电压。 1. 半波整流的平均值电路半波整流的平均值电路 这时可以认为全部纹波电压都被这时可以认为全部纹波电压都被 A2 所抑制所抑制 ， 起作用的仅是起作用的仅是 u1 的直流分量，即平均值电压。的直流分量，即平均值电压。 讨论讨论 F F C R 1 2 的情况的情况 ui u