模拟集成电路的非线性应用

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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 3.1.1 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3.1 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

2、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，Ud100mV deSdUkTqII T以以298代入代入v热力学温度 又叫热力学标温，符号T，单位K（开尔文，简称开）。早在1787年法国物理学家查理（J.Charles）就发现，在压力一定时，温度每升高1，一定量气体的体积的增加值（膨胀率）是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系。以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.16。摄氏度为表示摄氏温度时代替开的一个专门名称。而水的三相点温度为0.01摄氏度。因此热力学温度T与

3、人们惯用的摄氏温度t的关系是Tt273.15。2.二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=RIS要选体电阻小要选体电阻小的二极管的二极管3.三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

4、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 Ui0,使用NPNUi0,使用PNP保护VT不被反向击穿4.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图3-1-4 补偿对放大器的实补偿对放大器的实际电路际电路输出电压输出电压为为)ln()1(cc1i543oVRURqkTRRU此部分大都此部分大都做在

5、了集成做在了集成电路内部电路内部3.1.2 指数器指数器beeSeUkTqII 由由 UoIeR 和和得得输出电压输出电压为为 ibeeeSSeoUkTqUkTqRIRIRIU1.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2.具有温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选正温度系数的选正温度系数的RT，可对环境温度引起可对环境温度引起的变化进行补偿。的变化进行补偿。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图图3-1-8 8048型集成化对数放

6、大器型集成化对数放大器 主要用于乘法、除法、平方、开方等运算及信号的压主要用于乘法、除法、平方、开方等运算及信号的压缩和放大电路中，还可用于产生锯齿波、阶梯波的电路中。缩和放大电路中，还可用于产生锯齿波、阶梯波的电路中。图图3-1-9 8049型集成化指数器型集成化指数器3.2 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3.2.1 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

7、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为为增益系数或标增益系数或标度因子度因子，单位为，单位为V-1。uo(t)Kux(t)uy(t)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v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。v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。v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

8、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。v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。四象限乘法器。3.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，或或Y=0时，时，X为任意值，为任意值，则输出则输出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

9、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 理想乘法器理想乘法器 四象限输出特性四象限输出特性图图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通常认为乘法器是一种非线性非线性器器件。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，则有常数，则有 理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于理想

10、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，在这里两个输入电压的性质，在这里“线性线性”的含义仅仅是的含义仅仅是非线性本质的特殊情况。非线性本质的特殊情况。3.2.2 乘法器的工作原理乘法器的工作原理v模拟乘法器有多种方法能实现，模拟乘法器有多种方法能实现，有对数有对数指数相指数相乘法、四分之一平方相乘法、三角波平均相乘法、乘法、四分之一平方相乘法、三角波平均相乘法、时间分割相乘法和时间分割相乘法和变跨导相乘法变跨导相乘法等。等。v其中其中变跨导乘法器变跨导乘法器便于集成，内部元件有较高便于集成，内部元件有较高 的的温度稳定性和运算精度，且运算速度较高，温度稳定性和运算精度，且运

11、算速度较高，v它的它的 3dB频率可达频率可达10MHz以上。以上。跨导跨导：一个电路单元的输出电流与该单元的输入电压的比值，：一个电路单元的输出电流与该单元的输入电压的比值，这个电路单元通常指放大器。这个电路单元通常指放大器。在在MOS管中，跨导的大小反映了栅源电压对漏极电流的管中，跨导的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，跨导为曲线的斜率。控制作用。在转移特性曲线上，跨导为曲线的斜率。单位是单位是 S（西门子），一般用（西门子），一般用mS。式中，式中，io输出电流，输出电流，ui输入电压，输入电压，gm跨导或称为跨导或称为OTA的增益。的增益。OTA的的传输特性传输

12、特性可表示为可表示为 io gmui1.跨导型集成运放简介跨导型集成运放简介跨导型集成运放跨导型集成运放(Operational Transconductance Amplifier 缩写为缩写为OTA)与一般集成运放区别是，与一般集成运放区别是，具有一个具有一个以偏置电流注入形式出现附加控制输入以偏置电流注入形式出现附加控制输入端端，这使，这使OTA特性及应用更加灵活；这种器件的特性及应用更加灵活；这种器件的输出输出不是一般集成运放中输出电阻趋于零的电压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源，而是具有极高输出电阻的电流源表示。表示。2.单片集成单片集成OTA

13、电路电路CA3038图图3-2-5 CA3038的内部电路的内部电路Ic=I4=i1+i2io=i8 i10=i1 i2Ic=I4=i1+i2io=i8 i10=i1 i2124Tth()2uuIU即即)2th(T21coUuuIithx是双曲正切函数，是双曲正切函数，thx=shx/chx，其中其中shx是双曲正弦函数是双曲正弦函数shx,chx是双曲余弦函数是双曲余弦函数输出电流输出电流为为icim21mo)2.19()(uIuguugi电压增益电压增益为为LTcLm21Lo21oU2RUIRguuRiuuuA在传输特性线性区，在传输特性线性区，T21co2UuuIiTc21om2)d(d

14、UIuuig常温时常温时 调整调整Ic，即可改变即可改变gm，故称为故称为可变跨导型可变跨导型。cc2.19mV262IIgm图图3-2-6 CA3038 的传输特性的传输特性3.F3038的主要性能指标的主要性能指标参参 数数 名名 称称典典 型型 值值单单 位位输入失调电压输入失调电压0.4mV输入失调电流输入失调电流0.12 Agm9.6mS峰值输出电压峰值输出电压RL=+13.514.4V电源电流电源电流1mA功耗功耗30mW共模拟制比共模拟制比110dB峰值输出电流峰值输出电流RL=0500 A共模输入电压共模输入电压+13.614.6V输入电阻输入电阻26k 在室温在室温25 C，

15、电源电压，电源电压15V及及IC=500 A 的条件下。的条件下。4、单片集成模拟乘法器、单片集成模拟乘法器 实用变跨导模拟乘法器由两个具有压控电流源的差分电路组成，称为双差分对模拟乘法器，也 称为双平衡模拟乘法器。属于这一类的单片集成模拟乘法器有MC1496、MC1595等。3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用电路一、基本运算电路一、基本运算电路1.平方运算平方运算2.除法运算器除法运算器3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用电路3.平方根运算平方根运算4.压控增益压控增益 改变直流电压UXQ的大小，就可以调节电路的增益。3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用

16、电路二、倍频、混频与鉴相二、倍频、混频与鉴相2.混频电路混频电路1.倍频电路倍频电路3.鉴相电路鉴相电路当两个输入信号为同频率的信号即可实现两倍频作用。模拟乘法器的输出为两个输入信号的和频和差频信号，即实现了混频作用，若用滤波器取出和频（或差频）号输出，就称为混频。鉴相电路用来比较两个输入信号的相位差，即它的输出电压与两输入信号之间的相位差成正比（1 1）锁相环的基本原理框图）锁相环的基本原理框图 基本锁相环基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器(PD)(PD)、低通滤波器低通滤波器(LPF)(LPF)及压控振荡器及压控振荡器(VCO)(VCO)三大部分组成

17、。三大部分组成。（1 1）鉴相器）鉴相器(PD(PD，又称相位比较器，又称相位比较器)。（2 2）低通滤波器）低通滤波器(LPF)(LPF)。（3 3）压控振荡器）压控振荡器(VCO)(VCO)。PD晶 振Ui(t)LPFVCOfrUd(t)Uc(t)Uo(t)fo什么是鉴相器？顾名思义，就是能够鉴别出输入信号相位差顾名思义，就是能够鉴别出输入信号相位差的器件。这里是输出信号的器件。这里是输出信号f f0 0和输入信号和输入信号f fi i的相的相位差，并将检测出的相位差信号转换为电压位差，并将检测出的相位差信号转换为电压信号输出。又叫相位比较器。信号输出。又叫相位比较器。小知识小知识三、调幅

18、与解调三、调幅与解调 用低频信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。经调幅后的高频信号称调幅信号，把没有调幅的等幅高频信号称为载波信号，它是运载低频信号的工具。由于载波本身不包含信息，为了提高设备的功率利用率，可以不传送载波而只传送两个边带信号，这种调制方式称为抑制载波双边带调幅，简称双边调幅，用DSB表示。由于上、下边频带中的任何一个边频带以及功能包含调制信号的全部信息，因此为了节省占有的频带、提高波段利用率，可以只传送两个边带信号中的任何一个，称为抑制载波单边带调幅，简称单边调幅，用SSB表示。3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用电路1.平衡调幅器平衡调幅器图图3-2-7 平衡调幅

19、器的组成方框图平衡调幅器的组成方框图设载波信号设载波信号 ux(t)=Uxm cosw wct 为大信号为大信号 使相应晶体管工作在开关状态，开关函数为使相应晶体管工作在开关状态，开关函数为sX(t)，对对sX(t)进行傅立叶分解，表达式可写为：进行傅立叶分解，表达式可写为：ttttsXwww5cos543cos34cos4)(调制信号调制信号uy(t)=U m cos t V为小信号。为小信号。得乘法器得乘法器输出电压输出电压为为c0XYY2()()()Ru tstutR式中，式中，Rc、RY是乘法器集成电路的内部电阻，是乘法器集成电路的内部电阻，其中其中RY 是反馈电阻，是反馈电阻，Rc

20、是集电极负载电阻。是集电极负载电阻。经滤波器滤除载波的谐波组合后，经滤波器滤除载波的谐波组合后，输出电压输出电压为为coFcY24()coscosmRu tA UttRw AF为带通滤波器传输系数为带通滤波器传输系数 cFccY4cos()cos()mR A UttRwwcXY2()cosmRstUtR图图3-2-8 平衡调幅的波形图平衡调幅的波形图输出电压中仅有输出电压中仅有上下边频分量上下边频分量)(cw不存在载频不存在载频w wc分量，分量，所以这种调制称为所以这种调制称为抑制载波的双边带调制，抑制载波的双边带调制，又称又称平衡调制。平衡调制。开关开关函数函数载波载波信号信号乘法器乘法器

21、输出输出抑制载抑制载波的双波的双边带输边带输出出调制信号为调制信号为1.6kHz，载波信号为载波信号为40kHz。14脚输出脚输出抑制载波抑制载波双边带信号。利用双边带信号。利用X失调电位器失调电位器RX，使输出产生载频使输出产生载频w wc信号，则可得到普信号，则可得到普通调幅波，通调幅波，调调RX 可用于改变调幅度可用于改变调幅度。图图3-2-9 平衡调幅器平衡调幅器2.乘积检波器乘积检波器用模拟乘法器组成的检波电路称为用模拟乘法器组成的检波电路称为乘积检波器，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。主要用于抑制载波的双边带或单边带信号的解调。如输入模拟乘法器的是抑制载波双

22、边带信号，即如输入模拟乘法器的是抑制载波双边带信号，即 ttUtucXmXcoscos)(w另一端输入与载波同频同相的高频信号，即另一端输入与载波同频同相的高频信号，即tUtucYmYcos)(w相乘后为相乘后为2oXYXmYmc()coscosu tKu uKUUttw ttUKUtUKUcYmXmYmXm2coscos2cos2w经低通滤波器滤除高频分量，经低通滤波器滤除高频分量，得得低频电压输出低频电压输出为为tAUKUtucos2)(FYmXmo式中，式中，K为乘法器标度因子，为乘法器标度因子，AF为低通滤波器的传输系数为低通滤波器的传输系数。图图3-2-10 用乘法器解调的方框图用乘

23、法器解调的方框图3.鉴频器鉴频器用用乘法器乘法器构成构成鉴频器的方框鉴频器的方框图图 利用在有用频带内电路的利用在有用频带内电路的幅度频率具有线性斜率幅度频率具有线性斜率这一这一特性制成的频率解调器。特性制成的频率解调器。鉴频器是使输出电压和输入信号频率相对应鉴频器是使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按的电路。按用途可分为两类。用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调第一类用于调频信号的解调。常见的有。常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于要求主要是非线性失真小，噪声门限低。

24、第二类用于频率频率误差测量误差测量，如用在，如用在自动频率控制自动频率控制环路中产生误差信号的鉴环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。噪声门限则要求不高。4.混频器混频器图图3-2-16 双平衡混频器双平衡混频器209MHz200MHz3.3 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3.3.1 二极管检波器二极管检波器3.3.2 绝对值检波电路绝对值检波电路 单向导电性广泛应用于整流、检波、限幅、钳位等技术单向导电性广泛应用于整流、检波、限幅、钳位等技术中。但因其有导通电压、非线

25、性特性及温度影响等，限制中。但因其有导通电压、非线性特性及温度影响等，限制了电路的灵敏度并引起电路的非线性失真，特别是对低电了电路的灵敏度并引起电路的非线性失真，特别是对低电平信号，非线性失真更为明显。平信号，非线性失真更为明显。若将二极管按一定的方式接到放大器反馈电路中，则上若将二极管按一定的方式接到放大器反馈电路中，则上述性能可以大大改善，最方便的是与集成运放连用可以获述性能可以大大改善，最方便的是与集成运放连用可以获得良好效果。得良好效果。3.3.1 二极管检波器二极管检波器1.理想二极管检波器理想二极管检波器图图3-3-1 理想二极管检波电路理想二极管检波电路工作原理：工作原理：当当u

26、i0时，时，VD1导通，导通，VD2截止，截止，DoUu0ouu当当ui 0时，时，VD1截止，截止，VD2导通，导通，ou0，i12ouRRui12DoDouRRUuUu图图3-3-2 理想二级管检理想二级管检波器的输入输出特性波器的输入输出特性以正弦输入电压为例以正弦输入电压为例可画出输入电压、输出电压的波形图。可画出输入电压、输出电压的波形图。图图3-3-3 输入为正弦时输入为正弦时 的的ui，uo波形图波形图有线性检波死区限制最有线性检波死区限制最小输入信号检波能力小输入信号检波能力3.3.2 绝对值检波电路绝对值检波电路1.反相型绝对值检波电路反相型绝对值检波电路图图3-3-4 反相

27、型绝对值检波电路反相型绝对值检波电路工作原理工作原理 55oiA24RRuuuRR 当当ui0时，时，VD1导通，导通，VD2 截止，由截止，由u_ u+0，uA 0得得输出电压输出电压为为 i25ouRRu0。当当ui0时，时，VD1截止，截止，VD2导通，导通，i13AuRRu得得输出电压输出电压为为 553ii241RRRuuRRR 52314i124()R R RR RuR R R当满足电阻匹配条件：当满足电阻匹配条件：R3R2=2R1R4，例如，例如选取选取 R1=R3，R4=0.5R2 时，时，得得i25ouRRu 0 不论输入电压不论输入电压ui极性极性如何，如何，uo 总为正值

28、总为正值:i25ouRRu 当取当取 R5=R2 时时图图3-3-5 反相型绝对反相型绝对值检波器的传输特性值检波器的传输特性即即52314oi124()R R RR RuuR R Ruo|ui|反相型反相型绝对值检波电路绝对值检波电路缺点缺点是：是：输入电阻较低输入电阻较低。图图3-3-6 同相型绝对值电路同相型绝对值电路当要求输入电阻较高时，可采用同相型电路：当要求输入电阻较高时，可采用同相型电路：同相型绝对值检波电路工作原理与反相型绝同相型绝对值检波电路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。对值检波电路工作原理的分析方法类似。2.增益可调的绝对值变换电路增益可调的绝对值变

29、换电路图图3-3-7 可调增益绝对值变换电路可调增益绝对值变换电路 此绝对值变此绝对值变换电路的增益换电路的增益调节范围可以调节范围可以从几到几十倍，从几到几十倍，且且具有较高的具有较高的输入阻抗。输入阻抗。3.4 限幅器限幅器3.4.1 二极管并联式限幅器二极管并联式限幅器3.4.2 二极管串联式限幅器二极管串联式限幅器 当输入信号电压在某一范围内时，电路处于线性放大状当输入信号电压在某一范围内时，电路处于线性放大状态，具有恒定的放大倍数；但当输入电压超出该范围时，输态，具有恒定的放大倍数；但当输入电压超出该范围时，输出电压将保持为某一固定值，不再跟随输入发生变化。出电压将保持为某一固定值，

30、不再跟随输入发生变化。这种非线性传输特性通常采用二极管和集成运放来实现，这种非线性传输特性通常采用二极管和集成运放来实现，叫限幅器。这类限幅器不仅能用于信号处理、信号运算、波叫限幅器。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，而且也广泛应用于过载保护电路中。形产生电路中，而且也广泛应用于过载保护电路中。取取UREF=3V，在输入端分，在输入端分别输入频率为别输入频率为1000 Hz，幅，幅值为值为3V和幅值为和幅值为5V的标准的标准正弦波信号，用双踪示波器正弦波信号，用双踪示波器同时观察输入、输出波形，同时观察输入、输出波形，并将其描绘下来，简单说明并将其描绘下来，简单说明其原理

31、并将结果填入表其原理并将结果填入表26中。中。输入信号输入信号输入波形输出波形原理f=1000HzUi=3Vf=1000HzUi=5V3.4.1 二极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二极管并联式限幅器二极管并联式限幅器当当 ui低于某一低于某一门限电压，即门限电压，即VD截止时：截止时：uiUim)1)(21DrefRRUU uA(Uref+UD)限幅器为反相器，其限幅器为反相器，其输出电压输出电压为为i213ouRRRu 传输特性的斜率为传输特性的斜率为2131RRRk 当当uiUim，即，即VD导通时，导通时，UA被箝位在被箝位在

32、(Uref+UD)电电平上，这时限幅器的输出平上，这时限幅器的输出电压不再随电压不再随ui变化，其变化，其输输出电压出电压为为)(Dref23omoUURRUu二极管并联式限二极管并联式限幅器的传输特性幅器的传输特性缺点：温度稳定性差缺点：温度稳定性差解决方法：采用温度补偿措施解决方法：采用温度补偿措施2.实际应用的二极管并联式限幅器实际应用的二极管并联式限幅器图图3-4-3 实际应实际应用的二极管并联用的二极管并联式限幅器式限幅器门限电压为门限电压为)1)(21be2be1refimRRUUUU 23be2be1refom)(RRUUUU 输出电压为输出电压为 v由以下两式可知，由由以下两式

33、可知，由于两个三极管结压降于两个三极管结压降互相抵消，所以实现互相抵消，所以实现了温度补偿。了温度补偿。图图3-4-4 双向限幅器的传输特性双向限幅器的传输特性v如果在输入端采用这两如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可种输入限幅方法，便可得到得到双向限幅器。双向限幅器。v如果如果将参考电压改变方将参考电压改变方向，二极管改变方向向，二极管改变方向，便可实现第二象限内传便可实现第二象限内传输特性。输特性。3、双向限幅器、双向限幅器3.4.2 二极管串联式限幅器二极管串联式限幅器工作原理工作原理 图图3-4-5 二极管串联式限幅器二极管串联式限幅器当当uAuD时，时，即即 2refA1AiRu

34、uRuu )(2ref2A1A1iRURURURu 所以所以 当输入电压低于某一门限电压时，可得当输入电压低于某一门限电压时，可得:ref21D21im)1(URRURRu VD截止，截止，IR1=IR2ref21A21)1(URRURR 这时这时uAR2 时，温度稳定性更差。时，温度稳定性更差。当输入电压等于或高于当输入电压等于或高于输入门限电压时，输入门限电压时，VD导通，导通，输出电压输出电压为为1fimi)(RRUu 在以上限幅电路的基础上，如果将参考电压改变在以上限幅电路的基础上，如果将参考电压改变方向，二极管改变方向，便可实现方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内的第二象限内的传

35、输特性。传输特性。如果在输入端采用这两种输入限幅方如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可得到法，便可得到区间限幅器。区间限幅器。图图3-4-7 二极管区间限幅器二极管区间限幅器图图3-4-8 区间限幅器区间限幅器 的传输特性的传输特性3.6 电压比较器及其应用电压比较器及其应用3.6.1 电压比较器的性能电压比较器的性能3.6.2 单限电压比较器单限电压比较器3.6.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器3.6.4 窗口电压比较器窗口电压比较器集成运放工作在非线性区的特点集成运放应用在非线性电路时，处于开环或正反馈状态下。非线性运用状态下，U+U，“”概念不再成立。当同相输入端信号电压U大于反相输

36、入端信号电压U时，输出端电压U0=UOM，当U小于U时，输出端电压U0=UOM。非线性应用下的运放虽然同相输入端和反相输入端信号电压不等，但由于其输入电阻很大，所以输入端的信号电流仍可视为零值。因此，非线性应用下的运放仍然具有“”的特点。非线性区的运放，输出电阻仍可以认为是零值。此时运放的输出量与输入量之间为非线性关系，输出端信号电压或为正饱和值，或为负饱和值。3.6.1 电压比较器的性能电压比较器的性能 电压比较器的基本功能是实现两个电压比较器的基本功能是实现两个模拟电压之模拟电压之间的电平比较，输出逻辑电平的高低。间的电平比较，输出逻辑电平的高低。它是模拟信它是模拟信号和数字信号的接口电路

37、。号和数字信号的接口电路。1.用开环状态下工作的集成运放实现。用开环状态下工作的集成运放实现。与其他部分电与其他部分电路统一，减少系统中的产品型号规格，使用灵活，路统一，减少系统中的产品型号规格，使用灵活，易产生各种逻辑电平，利于大信号比较，速度低，易产生各种逻辑电平，利于大信号比较，速度低，精度高。精度高。2.用专门设计的集成电压比较器实现。用专门设计的集成电压比较器实现。转化速度高，转化速度高，输出电平大小固定。（内部不但有模拟电路，还有输出电平大小固定。（内部不但有模拟电路，还有实现输出逻辑电平的数字电路）实现输出逻辑电平的数字电路）鉴别灵敏度鉴别灵敏度又称为分辨率或转换精度，它是又称为

38、分辨率或转换精度，它是指电压比较器的输出状态发生跳变所需要的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。输入模拟信号电压的最小变化量。响应速度响应速度是反映比较器从高电平转换到低电是反映比较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）。短（两者所需时间一般不等）。电压比较器主要性能指标有：电压比较器主要性能指标有：鉴别灵敏度、响应速度、带载能力等。鉴别灵敏度、响应速度、带载能力等。负载能力：负载能力：电压比较器的输出数字信号一般用电压比较器的输出数字信号一般用以带动门电路，因此以带动门电路，因

39、此带动负载能力带动负载能力的大小也是的大小也是评价电压比较器性能的一项重要指标。评价电压比较器性能的一项重要指标。表征这一指标的表征这一指标的主要参数是：主要参数是：输出电阻输出电阻Ro；输出高电平时的漏电流输出高电平时的漏电流IOR；输出端吸入电流输出端吸入电流Isink。Ro和和IOR 越小，越小，Isink 越大，则带动负越大，则带动负载的能力就越强。载的能力就越强。3.6.2 单限电压比较器单限电压比较器1.基本电路和输入输出特性基本电路和输入输出特性图图3-6-1 具有上行特性的单限具有上行特性的单限电压比较器及其输入输出特性电压比较器及其输入输出特性当当UiEm时，时，uO=UOL

40、；当当UiEm时，时，uO=UOH。外加外加门限电位门限电位Em这种特性称为这种特性称为上行特性上行特性 单门限电压比较器只有一个门单门限电压比较器只有一个门限电平，当输入电压达到此门限限电平，当输入电压达到此门限值时，输出状态立即发生跳变。值时，输出状态立即发生跳变。外加一个外加一个门限电位门限电位Em当当UiEm时，时，uO=UOL；当当UiEm时，时，uO=UOH。图图3-6-2 具有下行特性的单限具有下行特性的单限电压比较器及其输入输出特性电压比较器及其输入输出特性这种特性称为这种特性称为下行特性。下行特性。电压比较器应用实例 利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。UR=0 由于门限电

41、压等于由于门限电压等于0，因此，因此为过零电压比较器。为过零电压比较器。ui0tu00tUCMUCM 输入电压只要到达门限电输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生压值，输出电压即可发生跳变。跳变。2.输入箝位保护和输出箝位单限比较器输入箝位保护和输出箝位单限比较器图图3-6-3 输入箝位保护和输出箝位输入箝位保护和输出箝位单限比较器及其输入输出特性单限比较器及其输入输出特性当当UiEm时，时，当当UiEm时，时，uO=UOH=Em。输出也可以采用箝位，输出也可以采用箝位，这时它的输出高、低电这时它的输出高、低电位分别等于稳压管位分别等于稳压管VDw的的稳定电压和正向压降。稳定电压和正向压

42、降。uO=UOL=-UD；3.任意电平比较器任意电平比较器当当If=I1+Ir0,即即 时时，02r1i RERUr21iERRU 调节调节R1/R2或或Er，都能改变，都能改变Em。当当If=I1+Ir 0,即即 uO=UOL=-UD 时时，02r1i RERUr21iERRU uO=UOH参考电压和输入电压都从参考电压和输入电压都从反向端加入反向端加入传输过程中：当输入电压ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况下的门限电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状。具有迟滞输出特性的电压比较器，叫迟滞电压比较器，也称回差电压比较器。电路及曲线图如下所示：uiR1R4u0

43、R3R2DZUOMU0MUB1UB2当当ui等于或大于等于或大于UB1时时u0ui0门限电平值门限电平值当当ui小等于或小于小等于或小于UB2时时 滞回比较器可构成矩形波、锯齿波等非正弦信号发生器电路，也可以实现波形变换。3.6.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器图图 3-6-5 迟滞电压比较器的输入输出特性迟滞电压比较器的输入输出特性上门限电位上门限电位下门限电位下门限电位门限宽度或回差电门限宽度或回差电压，用压，用 Em表示，表示，Em=EmH EmL 2.迟滞电压比较器的工作原理迟滞电压比较器的工作原理具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性分析步骤

44、分析步骤如下如下(2)写出写出u+，u_的表达式的表达式o211uRRRu(3)求出门限电位求出门限电位EmL、EmH将将 uo=UZ分别代入上式中，得分别代入上式中，得Z2111URRRu)(Z2112URRRu(1)确定输出电压确定输出电压UOuo=UZUOH=UZ，UOL=-UZu-=ui假设假设u+=u-，求出，求出ui的值即为门限电位。的值即为门限电位。较大的一个即为较大的一个即为 EmH，较小的一个即为较小的一个即为 EmL。Z211mHURRRE Z211mLURRRE （4）判断是上行特性还是下行特性）判断是上行特性还是下行特性若若ui从从集成运放的集成运放的反相端反相端输入，

45、则为输入，则为下行下行特性；特性；若若ui从从集成运放的集成运放的同相端同相端输入，则为输入，则为上行上行特性。特性。（5）画出传输特性曲线）画出传输特性曲线由传输特性曲线即可分析迟滞由传输特性曲线即可分析迟滞电压比较器的工作原理。电压比较器的工作原理。滞回比较器的特点1、具有双门限UB1和UB2；2、电路具有正反馈环节；3、电路的抗干扰能力强。ui(V)t010-10tu0(V)07-7当门限电压为当门限电压为7V时时输入波形输入波形输出波形输出波形实现了波形的整形与变换滞回比较器应用实例窗口比较器电路图3.6.4 窗口电压比较器窗口电压比较器窗口比较器的工作原理 当uIUA时,uO1为高电平,VD1导通;uO2为低电平,VD2截止,即uO=uO1=UOH。这种比较器在输入电压的某一个范围（窗口）之内输出为一种状态，而在这个范围之外输出是另一种状态，所以称为窗口比较器。当uIUB时,uO1为低电平,VD1截止;uO2为高电平,VD2导通,即uO=uO2=UOH。当UBuIUA时,uO1=uO2=UOL,二极管VD1、VD2均截止,uO=0V,其传输特性如下图所示。本章结束本章结束