模拟集成电路的非线性应用

1、第3章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是模拟集成电路中应用比拟广泛的电路之一。对数器和指数器可以完成对数和指数运算，可 以作对数函数发生器和指数函数发生器，可以进行乘法和除法运算，可以进行平方和开方运算，还可以对信 号进行对数压缩，如将线性坐标转化为对数坐标，线性扫频转化为对数扫频等。本节主要介绍对数器和指数 器。对数器对数器是实现输出电压与输入电压成对数关系的非线性模拟电路。PN结的伏安特性Aud半导体PN结的伏安特性为| =| (ekT d -1)d S上式中，Id_是PN结的正向导通电流Is是PN结的反向饱和电流，它随温度变化19q是电子电荷量，q = 1.60

2、2 10- Ck是玻尔兹曼常数，k = 1.38 W-23 J/ cCT是绝对温度在常温下，t = 25 oC时,kT:-26mV，假设结电压Ud > 100mV，那么上式近似为IdqU sekT二极管对数放大器lgUi在理想运放的条件下,qU，由I-ISekT d ，得此对数器的输出电压为dS2.3kT55Ulg( -) - -U lg( '-)oq g(RIs) T u/r .kT式中， Ut =2.3 ，当 t= 25 oC 时，UT ： 59mV , URIs。q1为了利用PN结正向导通特性的指数伏安特性，要求输入电压必须为正，假设PN结反接，那么输入电压必须为负。在分析

3、上述关系式时，忽略了PN结的体电阻的影响。实际上，由于体电阻上的压降而破坏了正常的对数运算，所以要选用体电阻小的管子作变换元件。三极管对数放大器Uo(a)(b)在理想运放的条件下,丄U sekTbe式中，Is是三极管be结的反向饱和电流，：是共基极电流放大系数。此对数器的输出电压为u。-Ube23T lg¥)q : Ris二极管对数器和三极管对数器明显的缺点是温度稳定性差，因为 数器具有实用性，可采用具有温度补偿的对数器。Ut、Is均是与温度有关的量。为了使对U。=-(1R U此对数器的输出电压为Ra)kTR4 q因带温度补偿的对数器现已做成了集成电路，温度补偿局部均集成在集成块的内

4、部，所以其工作原理在此不 再祥述。指数器指数器是实现输出电压与输入电压成指数关系的非线性模拟电路，由于输入电压也是输出电压的对数，因 此也称为逆对数器。根本指数器R在理想运放的条件下,U =I R，由obe，得此指数器的输出电压为Aub上 uU 亠 Rl 亠 RJekTe - -Rl ekT ioeSSkT式中，UT =2.3 ，当 t = 25 oC 时，UT : 59mV ，URIs 。 qT由图可知，此指数器的输入电压必须为正，而输出电压只能为负，其传输特性位于第四象限内。假设将指 数变换管换方向或采用 PNP管，那么传输特性将在第二象限。此指数器的缺点是：1Ut、Uk均与温度有关，其温

5、度稳定性差，必须采用温度补偿措施才能实用。2U为单极性，且动态范围很小，限于be结的压降，应用范围受到限制。3输入信号内阻对指数特性影响极大，不适于直接与有较大内阻的信号源相接。具有温度补偿的实用指数器为了克服根本指数器的缺点，下面介绍具有温度补偿的实用指数器。如下图，是具有温度补偿的实用精 密指数器。在图中，设基准电流Ir为10 3，VTi的基极加一个电压 U2，它由热敏电阻 Rt和电阻分压器 Ri提供。VTi 和VT2是发射极相互连接的晶体管对。下面分析此指数器的工作原理。由于输入电压Ui和基准电流Ir的作用，为提供了电压 Ube1, VT1去鼓励VT2。当Ui= 0时，由于和VT2处于平

6、衡状态，VT?的集电极电流 Ic2等于Ic1 Ir，而发射极U f电压U1由集电极电流lc1lR工re确定。当UiV 0时，VT 1基极电压U2下降，而VT 1集电极电流Ic1=Ir不 R2变，由于A1的负反响作用，发射极电压U1以同样大小下降。因此 VT2b e之间的电压Ube2变大，集电极电流Ic2按指数函数增大，Uo随之增大。在上述过程中，电路中的几个主要参数可分别用下面的式子来表示。可得VT2的集电极电流为在UiV 0时，Ube2可表示为Ic2 二1。Ic2qukT BE2 :I eoUbe2kT q设一R1Rt16.7kT I rrt宀RtR11丄Tin 上I Oui=Ioln上 I

7、 e okT R1 Rt ikT 6mv ，那么电流Ic2为q RTq Tui kT R1 -RT i = IReuIcIR10i所以输出电压为u =1 2只£ =1 R&x10Uio c2 5 R oRt，那么可由环境可知，输出电压 uo与输入电压ui之间保持指数关系。如果选用正温度系数的热敏电阻温度引起的变化进行补偿。集成化的对数器和指数器对数器和指数器是由集成运放、晶体管、电阻、电容等元件组成的，将这些元件组合在一块基片上，加少 量的外接元件，就可构成集成化对数器和指数器。美国ITN公司在偏置电流为 3pA、转换速率为 6V/s、输入电阻为10节的JFET型集成运放 8

8、043的根底 上，生产了最早的集成化对数器和指数器8048和8049。这些电路主要用于乘法、除法、开方、平方等运算及信号压缩和放大电路中。同时，还可用于产生锯齿波、阶梯波的电路中。如下图，是8048型集成化对数器。由于采用了 JFET型集成运放，所以它具有输入电阻高、噪声低、稳定性好等优点。该电路的动态范围大于 60dB。为了扩大应用范围，放大器的比例系数、基准电压、失调电压等的调整均由外接电路实现。温度补偿 电路在集成块的内部，当环境温度为070oC时，无需外接元件进行补偿。3.2乘法器及其应用乘法器是实现两个模拟量电压或电流相乘作用的器件。乘法器广泛用于根本模拟运算、电子工程、通 讯技术、

9、信息处理、自动控制、测量技术等领域。利用乘法器可以实现乘法、除法、开方、幕运算，可以实 现均方值、有效值运算，极坐标和直角坐标的变换，可以实现调制、解调、检波、鉴频、鉴相、倍频、混频、放大、压控增益、波形产生、电机控制等许多功能。乘法器的根底知识乘法器乘法器具有两个输入端(通常称为X输入端和Y输入端)和一个输出端(通常称为Z输出端)。如下图,是乘法器的符号。(a)(b)一个理想的乘法器，其输出电压Uo(t)与两个输入端的瞬时电压ux(t)和Uy(t)的乘积成正比，输出特性方程可表示为Uo(t) =KUx(t)Uy(t) 或 Z 二 KXY式中，K为增益系数或标度因子，单位为 V-1, K可取正

10、值，也可取负值，其数值与乘法器的内部电路参数有 关。乘法器的工作象限乘法器有四个工作区域，可由它的两个输入电压的极性(正值或负值)来确定。输入电压可能有四种极性 组合，如图3-2-2所示。假设X是水平轴，Y是垂直轴，在工作区域内的两个输入电压决定了乘法器的输出电 压。当X，Y都是正值，运算在第一象限；当 X为正，Y为负，运算在第四象限。两个输入端均只能适应单一 极性的乘法器称为“单象限乘法器。如果一个输入端适应正、负两种极性，而另一输入端只能适应单一极性 的乘法器称为“二象限乘法器。如果两个输入端均能适应正、负极性的乘法器称为“四象限乘法器。-Xmax : (- )*(+)=(-)(+)*(+

11、)=(+)(-)*(-)=(+)0 IVXmax(+)*(-) = (-)乘法器的根本性质乘法器的静态特性X = 0时，Y为任意值，那么输出 Z = 0 ； Y = 0时，X为任意值，那么输出 Z = 0。当X等于某一常数时，输出 Z与Y成正比，Z与Y的关系曲线称为四象限输出特性。其变化率与输入X值的大小有关，反之亦然。当输入幅值相等时，即 X = Y或X = - Y,输出与输入的关系曲线称为平方率输出特性。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，但是乘法器在一定条件下，又是线性器件，例如：一个输入电压为恒定值时，即X =常数，Y = V1+V2

12、 ,那么有Z =KXY =K (V1 V2) =K y K V2式中，KJKX 。运算结果是符合叠加原理的，当X为一恒定的直流电压，Y为一交流电压时，乘法器将是一线性交流放大器。所以，理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质，在这里“线性的含义仅仅是 非线性本质的特殊情况。乘法器的工作原理模拟乘法器有多种方法能实现，有对数一指数相乘法、四分之一平方相乘法、三角波平均相乘法、时间分 割相乘法和变跨导相乘法等。每种乘法器电路各有其优缺点，其中变跨导乘法器便于集成，内部元件有较高 的温度稳定性和运算精度，且运算速度较高，它的-3dB频率可达10MHz以上，因此获得了广泛应用。下面

13、以变跨导乘法器为例，介绍乘法器的工作原理。跨导型集成运放简介跨导型集成运放(Operational Transconductanee Amplifier缩写为 OTA)与一般集成运放的区别是，具有 一个以偏置电流注入形式出现的附加控制输入端，这使OTA的特性及应用更加灵活；这种器件的输出不是一般集成运放中输出电阻趋于零的电压源，而是具有极高输出电阻的电流源表示。OTA的传输特性可表示为iogmUiRl式中，io是输出电流，Ui是输入电压，gm是跨导或称为 OTA的增益。可通过附加控制输入端使gm在一个较宽的范围内变化。 关等。OTA常用作可编程放大器，模拟相乘器、音频处理中的积分器、采样保持电

14、路中的电流开单片集成OTA电路CA3038乘法器的根本工作原理下面以单片集成OTA电路CA3038( F3038)为例，介绍乘法器的工作原理。CA3038采用8脚金属圆壳封装，如下图，是CA3038的内部电路图。图中，VTi、VT 2构成差动放大器，VT3、VT4为镜像电流源。调整外接电阻Re或控制电压Uc可改变控制电流lc。VT5、VT6和VT7、VT8及VT9VTi0均为镜像电流源电路。 VT5、VT7为VTi、VT2的有源负载。VT6、VT 8、VT 9、VT10构成单端输出转换电 路。由图可知lc =丨4 二 il i2io =i8 -i10 二 jl T2根据差动放大器传输特性，可得

15、(2=14也(巴U2)2Utu. -u2kTi =1 th( )式中，Ut，其中k为玻尔滋曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷量，常温时° c 2u tqT = 300K，Ut r= 26mV。模拟乘法器的应用电路模拟乘法器是一种通用性很强的集成电子器件，它被广泛应用于模拟计算、电子工程、信号处理、通讯工程、电子测量、自动控制等方面。下面简要介绍几种乘法器的典型应用电路。平衡调幅器模拟乘法器常用作调幅器。如下图，是平衡调幅器的组成方框图，通常由双平衡模拟乘法器和带通滤波器组成。乘积检波器用模拟乘法器组成的检波电路称为乘积检波器，主要用于抑制载波的双边带或单边带信号的解调。 例如，输入模

16、拟乘法器的是抑制载波的双边带信号，即Ux(t)二Uxm cos 4 cos ct另一端输入与载波同频同相的高频信号，即uY(t)=UY.costY 丿Ymc相乘后，为 uo(t) =Kuxuy =KUXmUYm COS8,KU XmUYm, KUXmUYmn xcos'tcos' Jt cos 2 t2 2 c经低通滤波器滤除高频分量，得到低频电压输出为kux uyuo(t)=x； Ym A cosOt式中，K为乘法器的标度因子，Af为带通滤波器的传输系数。假设分析单边带信号的解调，所得结果类似。UsUq (t)3、3 二极管检波器和绝对值变换器二极管的单向导电性广泛应用于整流

17、、检波、限幅和箝位等技术中。但因它有一定的正向导通电压Ud、非线性特性以及温度的影响等，限制了电路的灵敏度并引起电路非线性失真，特别是对低电平信号，非线性失 真表现得更为突出。假设将二极管按一定方式接到放大器反响环路中，那么上述特性可以大大改善，最方便的是 与集成运放联用能获得良好的效果。本节主要介绍二极管检波器、绝对值变换器和有效值检波器电路。二极管检波器理想二极管检波器如下图，是理想二极管检波电路，此电路主要有集成运放和二极管组成。F面分析理想二极管检波电路的工作原理。当ui > 0时，VD 1导通，VD2截止，这时uo0当5 v 0时，VD i截止，VD2导通，这时uo >

18、0，集成运放通过VD2和R2构成闭环，输出电压为uoR1uiuo二Ud uo&uiR1 i由上述分析可画出理想二极管检波电路输入输出特性曲线，如下图。 以正弦输入电压为例，可画出输入电压、输出电压的波形图，如下图。tt实际二极管检波特性实际上，集成运放并非为理想运放，必然存在检波误差。下面分析由 的指标均看作为理想的。Ad和二极管结压降引起的误差，其它当u . > u时，i1 > 0, VD1导通，VD2截止，这时，输出电压为uoRlR2 RL由于集成运放的输出电压为u。=-Adu_ = u_UDu。UDRl当u. v u时，u。R2R?ui得输出电压为_1 Ad$ Rli

19、1 v 0, VDi 截止,VD 2导通，这时，输出电压为(1R2Ri)u_Uo=uou +UoAduoUD空 u.(1_：)R1'1AdF 1AdF式中,为反响系数,R1R1oR2从上面的分析中可以看出，当输入电压过零时，运放输出电压将从-Ud跳到+Ud，由于这个跳变，那么相应要求输入电压有一个很小的输入电压变化，二 字，这就形成了线性检波死区，它限制了最小输入信号Ad的检波能力。绝对值检波电路绝对值检波电路的输出电压正比于输入电压的绝对值，它实际是一种比拟理想的全波检波电路，其电路构 成有多种形式。下面分析几种典型的绝对值检波电路。反相型绝对值检波电路u. v 0时，VD1导通，V

20、D2截止，由u_ = u . =0，得uA =0 , u.经R2输到A2的反相端，得输出电压为uoR2u. >0当u. > 0时，VD1截止，VD2导通，ua=-R3 u.,那么输出电压为R1R2u.RR4R5uR2 'R R Rc (R RR R)L 535、2314 'uuR4R1 1R1R2R41当满足电阻匹配条件R3R2 =2R1R4，例如选取 R1 =R3R4 = 2时,那么uo =|u,>0所以，不管输入电压ui的极性如何，u0总为正值，即R5R2Ui当取 R5 二 R2 时，Uo 二 Ui反相型绝对值检波电路的缺点是，输入电阻较低。当要求输入电阻

21、较高时，可采用同相型绝对值检波电路。 同相型绝对值检波电路的工作原理与反相型绝对值检波电路工作原理的分析方法类似，不再赘述。 增益可调的绝对值变换电路许多绝对值电路的增益是固定的。当要求增益可调时，上述电路就要同时调两个或两个以上的电阻，以满 足电阻匹配条件，这实际是相当困难的。假设想实现增益可调，在电路中只能调节一个元件。下面介绍这种绝 对值电路。增益可调的绝对值变换电路的工作原理。当输入电压Ui > 0时，运放Ai输出电压Uoi> 0,那么二极管VD2导通，VDi截止，Ai输出端通过VD2和电 位器R构成闭环。Ai的反相端输入电压将跟踪输入电压，即u- = Ui，同时又是运放

22、A2的反相输入电压。显然，A2在uo和Ai的u-两个电压作用下，VD3导通，VD4截止。这时电路状态如下图。u由于A2反相端的电压为地电位，那么 Ai给出的输出电压为u = i > 0° m电阻Ri为u°输出电压的负载。(1-m)RI_ mRVD2RiVD1AiVD3UonuRVD34(a)u°2uo(b)当输入电压Ui v 0时，运放Al输出电压UoiV 0,那么二极管VDi导通，VD2截止，Al输出端通过VD i构成 闭环。同样，A1的反相端输入电压将跟踪输入电压，即u- = ui，而A2在u-v0的作用下，VD4导通，VD3u截止。这时电路状态如下图。

23、假设满足电阻匹配条件：Ri=R，那么输出电压为u =丄> 00 m从上述分析可以看出，此绝对值变换电路的增益取决于电位器R的电阻分压系数1/m，调节电位器的分压系数m，即可调节绝对值电路的增益。u +生从图中，可以看出电位器(1-m) R上的电流i = ' m =(1 m)Ui(1 _m)R (1 _m)mR当m >0或m >1时，均会出现极大的电流，这是不允许的，为此需在电位器两端各串入一个电阻。此绝对 值变换电路的增益调节范围可以从几到几十倍。此电路具有较高的输入阻抗。3.4限幅器限幅器的特点是，当输入信号电压在某一范围内时，电路处于线性放大状态，具有恒定的放大倍

24、数，输出 电压正比于输入电压。但当输入电压超出该范围后，输出电压将保持为某一固定值，不再跟随输入电压变化。 这种非线性传输特性，通常采用集成运放和二极管来实现。这类限幅器不仅能用于信号处理、信号运算、波 形产生电路中，而且也广泛用于过载保护电路中。二极管并联式限幅器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Ui低于某一门限电压，即VD截止时，ui v U im = (U ref U D )(V 0)R2这时 Ua v (U ref U D )限幅器为反相器，其输出电压为UoR3UiR1R2 i当Ui >U im，即VD导通时，Ua被箝位在(Uref +UD)电平上，这时

25、限幅器的输出电压不再随Ui变化,其电压为Uo=Uom(UrefUd)实际应用的二极管并联式限幅器由以上分析可知，二极管并联式限幅器的门限电压Um和输出电压 Uom与二极管的结压降有关，因此它们的温度稳定性较差，必须采取温度补偿措施，才能实际应用。如下图，是实际应用的二极管并联式限幅器。R3此限幅器的门限电压和输出电压分别为R1Ui =(U f +Ub1 _Ub2)(1 +)imrefbe1be2R2om=-(U ref Ubel Ube2)R3R2由以上两式可知，由于两个三极管结压降互相抵消，所以实现了温度补偿。在以上限幅电路的根底上，如果 将参考电压改变方向，二极管改变方向，便可实现第二象限

26、内的传输特性。如果在输入端采用这两种输入限 幅方法，便可得到双向限幅器。如下图，是双向限幅器的传输特性。uF面分析此二极管串联式限幅器的工作原理。当 UA V Ud 时，VD 截止，I R1 二 I R2，即Ui -UaUaUrefRlR2所以Uid/Ua 呻RlAR2j ,uR2R2+ R"r2 ref当输入电压低于某一门限电压时，可得Ui VUimRlw £udr2ref这时,Ua V Ud，二极管截止，其输出电压为Uo =0当输入电压等于或高于输入门限电压时，VD导通，这时输出电压为RfRi(Ui -URfR2(-Uref-Ud)(Ui -Uim)RfR1此二极管串联

27、式限幅器的缺点是：温度稳定性较差，尤其是当Rl>>R2时，温度稳定性更差。在以上限幅电路的根底上，如果将参考电压改变方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内的传输特性。如果在输入 端采用这两种输入限幅方法，便可得到区间限幅器。如下图，是二极管区间限幅器。如下图，是区间限 幅器的传输特性曲线。Ui线性检波限幅器UiUi U f1 refR R2 1当 r > 0,Ui v电Uref时，二极管R1refVD2导通,VD i截止，输出电压 u =0 oUi>电Uref时，二极管R1VD 2截止，VD 1导通，输出电压为UoR2R3=(u. u f)，i R refRo12由上

28、式可知，此限幅器的门限电压为UimR23.5二极管函数变换器一个函数可以用一条曲线表示，而一条曲线可以用屡次折线来逼近，采用多个二极管限幅电路来实现多条 折线，就可以实现某种函数曲线的逼近。本节介绍的二极管函数变换器就是实现多折线逼近函数关系的电路。采用不同的限幅器，就可以实现不同特点的函数变换。串联限幅型二极管函数变换器串联限幅型二极管函数变换器是采用多个二极管串联限幅电路组成，以并行方式输入。由图可得，各串联 限幅电路的门限电压分别为VD 1限幅电路：R1Uim1 =U1UDUDR5VD 3限幅电路：5m3 J35Ud UdR7VD 2限幅电路：R2丄Uim2U2Ud-UdR6VD4限幅电

29、路：r4Uim44U4Ud_UdR8假设U. 4 v Uim4im2 v Uim1 v Uim3，那么二极管函数变换器不冋门限电压范围内的输出电压分别为当UiU. 4时,1im4只有二极管 VD2、VD4导通，那么输出电压为+邑UR4im41丄1丄1 丄Rfu - -Rf ui-Uim20 f i im2R0R2R4尺2当Um4 V UjU m2时，只有二极管 VD 2导通，那么输出电压为u "f 丄 +丄M+hi20 f R0 R2 i R2当U v ui v U 时，各二极管 VDiVD 4均截止，那么输出电压为 im2im1RfR0ui当U ©"Ui v U

30、i 3时，只有二极管 VD 1导通，那么输出电压为 imiim3uo11Rf=-R (+)u U i 1 f ' DD 7Dim1R0R1R1当UiEUim3时，只有二极管 VDi、VD3导通，那么输出电压为111Rf=Rf ( + +)u. + U . 1 f a a a | a im1 R0R1R3BRbim3可得如下图的串联限幅型二极管函数变换器的函数变换特性曲线。其中各输出电压关系式中 即为各折线的斜率。串联限幅型二极管函数变换器的输出电压的变化率是随输入电压增大而增大，如想获得 输出电压的变化率是随输入电压增大而减小的函数变换特性，可采用并联限幅型二极管函数变换器。u,的系数

31、并联限幅型二极管函数变换器3-5-3可得,VD 1限幅电路:Uim1U1 UDVD3限幅电路:Uim3cVD2限幅电路:U2 UDim2VD4 限幅电路：Uim4 - - U° Udd并联限幅型二极管函数变换器是采用多个二极管并联限幅电路组成，以并行方式输入。由图 各并联限幅电路的门限电压分别为假设 Uim4 v Uim2 v Uim1 v Uim3 ，那么二极管函数变换器不同门限电压范围内的输出电压分别为 当uU im4时，只有二极管 VD2、VD4导通，那么输出电压为丄丄丄丄丄RlRfuo 花R)ui -R2Uim2 -瓦Uim4im4当Uim4 V 5Uim2时，只有二极管 V

32、D 2导通，那么输出电压为1丄1丄1丄1Rfu =-Rf(一+一+一+一)ui -一Ui 20fIim2R0R1R3R4“2当 Uim2 V EV Uim1时，各二极管 VD1VD4均截止，那么输出电压为uo11111)u R R R R i 1234当 Umi ZV Um3 时,只有二极管VD 1导通，那么输出电压为uo1= _Rf(RT r：111Rf一 +)uiui 1i im12R3R4R1当UiEUim3时，只有二极管 VD1和VD3导通，那么输出电压为Uo _Rf (丄丄丄)Ui f RoR2R4 iR1Rf 瓦可得如下图的并联限幅型二极管函数变换器的函数变换特性曲线。其中各输出电

33、压关系式中 即为各折线的斜率。并联限幅型二极管函数变换器输出电压的变化率是随输入电压增大而减小。Ui的系数3.6 电压比拟器及其应用电压比拟器的根本功能是实现两个模拟电压之间的电平比拟，它是以输出逻辑电平的上下给出判断结果的 一种电路。通常这两个电压中的一个是待比拟的模拟信号，另一个是门限电压或参考电压。它的输出是比拟 结果的数字信号，即上下电平。所以电压比拟器是一种模拟信号和数字信号之间的接口电路。电压比拟器的这种功能可以用开环状态下工作的集成运放来实现，也可以用专门设计的集成电压比拟器来 实现。前者可与放大电路统一，大大减小电路系统中使用的产品型号规格，使用灵活，易于生产各种不同的 逻辑电

34、平，有利于大信号比拟，在低速高精度的电压比拟时占有一定的优势。而专用集成电压比拟器，输出 状态转换速度高，对一些高速比拟器转换时间很短，仅为35ns,但它的输出逻辑电平大小是固定的。在电路结构上， 专用电压比拟器除了线性的模拟电路局部之外， 还包含有实现要求输出逻辑电平的数字电路局部， 它的输出可以直接驱动 TTL、ECL、HTL、NMOS、PMOS 等数字集成电路。本节主要介绍单限比拟器、迟滞比拟器和窗口比拟器等。它们常用于越限报警、波形发生、波形变换、模 数变换、峰值检波、噪声频谱分析、脉冲宽度调制和鉴别等方面。电压比拟器的性能一般集成运放在使用时， 往往是工作在闭环状态， 而且多数应用中

35、还要求集成运放工作在负反响闭环状态。 这是因为，集成运放的开环增益非常高，当它处在开环状态时，输入端任何微小的电位变化，甚至漂移、噪 声干扰都会导致其输出饱和或截止，无法实现线性放大功能。但是，当集成运放用作电压比拟器时，在其输 入端的两个比拟信号之间，只要它们在电平上有微小的差异，输出就应当呈现高电平或低电平的逻辑状态。 显然，这时的集成运放应处在开环工作状态。所以集成运放工作在开环状态时就能完成模拟信号电平相比拟 的功能。普通集成运放的反响速度较慢，无选通输出，且输出电平也不易与逻辑电路接口，因此，在许多应 用中不能满足实际的需要。对于集成电压比拟器的性能要求，输入级与一般集成运放的相同，

36、而输出级却与 数字电路的要求一致。为便于使用，许多专用集成电压比拟器带有可以控制输出的选通端，当需要比拟结果 时，输出被选通，不需要比拟结果时，使输出端为零电平或处于高阻状态，使比拟器的输出与外电路别离。集成电压比拟器的电路结构，在输出级多为集电极开路0C方式或射极开路0E方式。其频率特性也与集成运放有明显不同。电压比拟器的频带较宽，没有也无需相位补偿，以便尽可能获得高速翻转，减小响应时 间。集成电压比拟器的品种繁多，性能各异。其中有高速型的，有低功耗型的，有单电源的，有可选通的和可 编程的等。电压比拟器的主要性能指标有鉴别灵敏度、响应速度、带载能力等。鉴别灵敏度又称为分辨率或转换精度，它是指

37、电压比拟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。当输入电压变化量小于该值时，比拟器的输出就处在不定的逻辑电平状态，即对输入模拟电 压的大小作逻辑判断易产生错误。这一最小变化量越小，比拟器的电平鉴别能力就越灵敏。响应速度是反映比拟器从高电平转换到低电平或从低电平跳变到高电平时所需时间的长短两者所需时间 一般不等 ，它是表征比拟器工作速度的重要特性参数。在高速工作系统中，要求采用高速比拟器。对于专用 电压比拟器，一般用响应时间 tR 来表示，它是指从输入端加一跳变电压时开始，比拟器的输出从0.1 UOHUOL 跳变到0.9 Uoh Uol 所需的时间间隔大小。tR越小，工作速度

38、越高。对于集成运放构成的电压比拟 器，其响应速度通常由转换速率 SR 表征。 SR 越大，工作速度就越快。实际使用时，响应速度还与输出状态 有关，假设输出电路进入了深度饱和的工作状态，由于退出深度饱和需要时间，故其响应速度就要变慢。为此 可在输出端加一箝位电路，把输出电压箝制在选定的逻辑电平上，以利于提高响应速度。此外选用外接相位 补偿的集成运放要比内补偿的集成运放作比拟器来得好，因为作比拟器使用时不必引入相位补偿元件，从而 保证了集成运放可以获得更高的转换速率SR,以提高响应速度。电压比拟器的输出数字信号一般用以带动门电路，因此带动负载能力的大小也是评价电压比拟器性能的一 项重要指标。表征这

39、一指标的主要参数是：输出电阻R。、输出高电平时的漏电流 IOR和输出端吸入电流Isink ORo 和 IOR 越小， Isink 越大，那么带动负载的能力就越强。单限电压比拟器根本电路和输入输出特性如图a所示，是上行特性的根本电路，如图b所示，是其输入输出特性。(a)UohUo0EmiUol(b)外加一个门限电位 Em，待比拟的模拟电压5可与Em进行比拟，由输出电压 Uo的上下来指示。当 Ui v Em 时，u。二UOL当 Ui > Em 时，u。二UOH这时Ui由小到大，越过门限电位 Em,比拟器的输出电位从 Uol变为Uoh，这种特性称为上行特性。 如图a所示，是下行特性的根本电路，

40、如图b所示，是其输入输出特性。o(a)1UoUoh0EmUol(b)当 Ui > Em 时，Uo 二Uol当 Ui v Em 时，Uo =Uoh这时Ui ,由小到大，越过门限电位Em,比拟器的输出电位从Uoh变为Uol，这种特性称为下行特性。输入箝位保护和输出箝位单限比拟器如图a所示，是输入箝位保护和输出箝位单限比拟器，如图b所示，是其输入输出特性。(a)当运放开环应用时，为了防止其差模输入电压Ud超过运放的最大差模输入电压Udm，可在运放的两个输入端之间并联一对反接的二极管。如图a所示。两只二极管起输入箝位保护作用。此处应选用极间电容小和反向电流小的二极管，以减小比照拟响应速度和比拟精

41、度的影响。R分别代表信号源和门限电源的内阻，应设法使它们相等，以便减小输入偏置电流及其温漂的影响。图a中，输出也可以采用箝位，这时它的输出高、低电位分别等于稳压管VDw的稳定电压和正向压降。当 Ui v Em 时，uo 二UOL6 当 Ui > Em , U° =U OH = EW任意电平比拟器用反响箝位的方法，可以做出门限电位为Em的单限比拟器。如图a所示，是任意电平的单限比拟器，如图b所示，是其输入输出特性。参考电压Er和输入电压Ui都从反相端参加，这时VDw的电流If的方向决定于Ir和I1之和。当IfJI >0> 0时，UiI f的实际方向与参考方向一致，那么

42、Uo二 U OL当If=Ii Ir v 0，即v 0时，Ui vRerR2If的实际方向与参考方向相反，那么所以,Uo =Uoh=Ew引起输出电位转换的输入门限电位为Ui=EmEr当 Ui v Em 时，uo二Uoh =Ew 当 Ui > Em时，U=U OL调节冬或改变参考电位R2Er ,都能改变门限电位Em。当Em = 0时，贝U为过零电压比拟器。 此电路的优点是:输入电压的电压范围较宽，输出电阻较小。缺点是：输入电阻较低，需要接补偿电容，这样会降低响应速度。迟滞电压比拟器以上介绍的单限比拟器，在实际应用时，如果Ui的值恰好在门限电平附近，由于温漂或外界干扰的存在,将会使输出电压Uo

43、不断在高、低电平间跳变，这对于控制系统中的执行机构很不利。为解决此问题，可采用 具有迟滞传输特性的电压比拟器。具有迟滞输出特性的电压比拟器，叫迟滞电压比拟器，也称为回差电压比 较器。迟滞电压比拟器在信号发生和信号变换等电路中，应用非常广泛，是一种重要的根本电路。迟滞电压比拟器的输入输出特性如下图，是迟滞电压比拟器的输入输出特性曲线，其中图a是上行特性，图b是下行特性。迟滞电压比拟器具有两个门限电位，把数值大的门限电位EmH叫上门限电位，把数值小的门限电位EmL叫下门限电位，两者之差叫门限宽度，用-Em表示，-Em = EmH - EmL。迟滞电压比拟器的工作原理迟滞电压比拟器的共同特点是具有正

44、反响回路，从而获得迟滞特性，同时也加速了比拟器的转换过程。如图a所示，是具有下行特性的迟滞电压比拟器，如图b所示，是其传输特性。如图a所示，是具有上行特性的迟滞电压比拟器，如图b所示，是其传输特性。在此仅以图下行特性的比拟器为例进行分析。ui f-(a)Uo oDWiDW2+UzUoR1UzR1+R2R1Uz R1+R20-UzUi(b)(a)Uo+Uzi1 +UJR1/R2 u-UzRR210-Uz(b)分析步骤如下：1确定输出电压Uo在图a中，VDwi、VDw2为特性相同的相互对称的对接稳压管，并假设二者串联的稳压值为_Uz，比较器输出的上下电平为_UZ。由图a图可得Uo = U Z ，

45、U OH =U Z ， UolHZ ，2写出u .、U _的表达式由图a图可得R1R2U_ - Ui3求出门限电位EmL、EmH集成运放A由两个比拟电平，它们是由正反响网络和输出高、低电平来确定的将u =切7和u =-Uz分oZoZ别代入，得u 1飞畀R1R1R2(-Uz)假设u 二u _实际u .和u _相等时即发生输出状态的变化，求I出Ui的值，u,的值即为门限电位。因为uo有两个数值，U 即有两个表达式，所以可求出两个Ui的数值，数值较大的一个即为EmH，数值较小的一个即为EmL。在本例中，即由图a可得EmHURi 亠 R2EmLRi4判断是上行特性还是下行特性假设输入信号Ui从集成运放

46、的反相端输入，那么为下行特性；假设输入信号Ui从集成运放的同相端输入，那么为上行特性。在本例中，即在图a中，输入信号Ui从集成运放的反相端输入，所以为下行特性。5画出传输特性曲线求出了 U。、EmH、EmL的数值，判断出了是下行特性， 那么可以画出传输特性曲线。如图b图所示，是图a图的传输特性。由传输特性曲线即可分析迟滞电压比拟器的工作原理。开始时，输入电压Ui > EmH，那么运放的输出电压 U： V 0, VD W1正向导通，VDw2反向击穿，那么Uo=UZ。同 时，同相端反响电压为下门限电位 EmL。当输入电压下降，只要ui > EmH，比拟器输出将维持低电平。而当UiV E

47、mL时，A的输出电压Uo >0, VDwi反向击穿，VDw2正向导通，那么输出电压为咼电平，u： =，UZ，同时比拟电平转为上门限电位 EmH。这时只要输入电压保持 Ui V EmH，那么输出电压维持高电平，Uo = 。当输入电压上升到Ui > EmH时，U： V 0,贝y Uo为低电平，Uo=-UZ，同时比拟电平又转为下门限电位。当输入电 压在超越上、下限比拟电平作上升和下降变化时，将重复上述过程，比拟器的输出将按b所示的迟滞特性沿箭头方向进行高、低电平的转换。在图a中，VDwi、VDw2是特性相同的稳压值相等的两个稳压管，假设采用稳压值不相等的两个稳压管时，那么可构成非对称型的

48、迟滞电压比拟器。窗口电压比拟器窗口电压比拟器可以用来判断输入信号Ui是否位于两个指定电位之间，把其中较小的一个电位称为下门限电位EmL，较大的一个电位称为上门限电位EmH,二者之差称为门限宽度 ，Em。当输入信号Ui落入门限宽度厶Em之内或“窗口之内时，为一种逻辑电平如为高电平，而输入电压在“窗口之外时，为另一种逻辑电平如为低电平，具有这种传输特性的比拟器称为窗口电压比拟器。用集成运放实现的窗口比拟器如图a所示，是用集成运放实现的窗口比拟器，如图b所示，是其传输特性。UoUOH|AEm *-0 E mL IEmHU OL(b)UiF面分析此窗口比拟器的工作原理。在图a中，Eh -El >

49、 2U D 。当 Ui _El 时，VDi 导通，VD2 截止，U_：U , U = El，即 U v U .，所以Uo =U OH当 Ui _Eh 时，VDi 截止，VD2 导通，U_二 Eh , U.二Ui,即 U _v U .，所以 u°=UOH当El V Ui v Eh时，VDi、VD 2均导通，此时U_ > U十，所以 U°=UOL由此可见，Eh和El为该窗口比拟器的两个门限电位，EmH= Eh, EmL = El，门限宽度为乓=Eh - El ,所以满足窗口比拟器的特性，即卩当EmL V Ui V EmH时，输出是低电平，U。二U OL ；当Ui V Em

50、L或Ui > EmH时，输出是高电平， U =U OH 。0OH用专用电压比拟器构成的窗口比拟器如图a所示，是用专用电压比拟器构成的窗口比拟器，如图 b所示，是传输特性。Uo LJ0EmLe-mH(b)(a)在图a中，A. A2是专用电压比拟器 LM311。LM311的内部采用射极接地、集电极开路的三极管集电极 输出方式。在使用时，必须外接上拉电阻。这种电压比拟器允许输出端并接在一起。下面分析此窗口比拟器的工作原理。当输入电压Ui v EmL V EmH 时，比拟器 A1的输出管截止，而比拟器A2的输出管导通，此窗口比拟器的输出电平将由比拟器 A 2输出电平确定为地电平。当输入电压Ui

51、> EmH > EmL 时，比拟器 Ai的输出管导通，而比拟器A2的输出管截止，此窗口比拟器的输出电平将由比拟器 Ai输出电平确定为地电平。只有当输入电压处于窗口电压之内，即EmL V Ui V EmH时，比拟器Ai和人2输出管均截止，窗口比拟器输出电平是由上拉负载电阻拉向高电平。此窗口比拟器的传输特性如图b所示。电源 V电压值可根据数字电路要求来确定。采用绝对值变换器的窗口电压比拟器RA2相加点的电流iv是流经四个电阻的电流之和，即i、=ii i2 i3 i4在实际应用中，经常需要分别调节窗口宽度和窗口中心电平，这时可采用如下图的绝对值变换器构成 的窗口电压比拟器。下面分析此窗口电压比拟器的工作原理。首先分析运放 A2的工作状态。A2输出逻辑电平的上下将取决于相加点电流的方向。当k > 0时，其输出电平为低电平，U。=UD ;当K V 0时，其输出电平为高电平,2与输入电压Ui的传输特性的根底上得出。可见，窗口电压比拟器的传输特性，是在分析相加点电流F面再分三步分析:假设Um =0 , Ub = 0,贝