集成电路原理及应用第三章课件

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1、集成电路原理及应用集成电路原理及应用电子工业出版社电子工业出版社谭博学谭博学 主编主编第第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对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。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S(e1)DqUkTDIIIDP

2、N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，UD100mV DSeDqUkTII3.1.1 3.1.1 对数器对数器2.二极管对数放大器二极管对数放大器oDuU SeDqUkTDII由由 得得输出电压输出电压为为 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iiSS2.3ln()lg()oUUkTkT

3、UqRIqRI 表明输出电压正比于输入电压的对数。表明输出电压正比于输入电压的对数。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 为共基极

4、电路电流传输系数为共基极电路电流传输系数IE4.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(cc1i543oVRURqkTRRUVV1211121552121134lnlnln(1)BEBEiBETsccBETsisBEBETsccoVVVVVVVVI RVVVI RV R IVVVI RVRUVR 消除反向饱消除反向饱和电流和电流3.1.2 指数器指数器beeSeUkTqII 由由 UoIRR 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

5、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VT2 的集电极电流为的集电极电流为在在ui0时时RTi1Tln()c2oeoIRqkTukTqIRRII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()ReR

6、qukT RRIi1TToRbe2)ln(uRRRIIqkTU3.1.3 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在在雷达雷达、通信通信和遥测等系统中，接收机输入信号的动态和遥测等系统中，接收机输入信号的动态范围通常很宽，信号幅度常会在很短时间间隔内从几微伏范围通常很宽，信号幅度常会在很短时间间隔内从几微伏变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内。变化到几伏，但输出信号应保持在几十毫伏到几伏范围内。采用对数放大器可以满足这种要求，采用对数放大器可以满足这种要求，它能使弱信号得到高它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自

7、动降低增益，避免饱和增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免饱和。应用应用3.2 乘法器及其应用乘法器及其应用 模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件，模拟乘法器是实现两个模拟量相乘功能的器件，理想乘法器的输出电压与同一时刻两个输入电压瞬理想乘法器的输出电压与同一时刻两个输入电压瞬时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、时值的乘积成正比，而且输入电压的波形、幅度、极性和频率可以是任意的。模拟乘法器可根据其原极性和频率可以是任意的。模拟乘法器可根据其原理扩展到通信、无线电广播、电视、测量仪表等技理扩展到通信、无线电广播、电视、测量仪表等技术领域，进行模拟信号的处理与变换。术领域，进行模拟信

8、号的处理与变换。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)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，它由两乘法器有四个工作区，它由两个输入电压极性来确定。个输入电压极性

9、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，则输为任意值，则输出出Z=0；Y=0时，时，X为任意为任意值，则输出值，则输出Z=0。当当 X 等于某一常数时

10、，输等于某一常数时，输出出Z与与Y 成正比，成正比，Z与与Y的关的关系曲线称为系曲线称为四象限输出特性四象限输出特性。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，输出与输入的关系曲线称为的关系曲线称为平方率输平方率输出特性。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通常认为乘法器是一种非线性器件。乘法器是一种非线性器件。乘法器不能应用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，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，即又是线性器件，例如：一个输入电压为恒定值时，即X=常数，常数，Y=

11、V1+V2，则有，则有2121)(VKVKVVKKXYZKXK 式中式中 3.2.2 乘法器的工作原理乘法器的工作原理 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、时间分割相乘法和变跨导相乘法等。时间分割相乘法和变跨导相乘法等。其中其中变跨导乘法器变跨导乘法器便于集成，内部元件有较高的便于集成，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，它的温度稳定性和运算精度，且运算速度较高，它的 3dB频率可达频率可达10MHz以上。是模拟乘法器中产品以上。是模拟乘法器中产

12、品最多、发展最快、应用最广的一种。最多、发展最快、应用最广的一种。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的的传输特性传输特性可表示为可表示为 io gmui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以偏置电流注入形式出现附加控制输入出现附加控制输入端，这使端，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；这种器件的输出不是一般集成运放中输出电阻趋

13、于零的电压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。源，而是具有极高输出电阻的电流源表示。1.跨导型集成运放简介跨导型集成运放简介beeSEcUkTqIII22lnBETSiVVI1212idBEBEVVVuu2.单片集成单片集成OTA电路电路CA3038图图3-2-5 CA3038的内部电路的内部电路即即 乘法器基本工作原理乘法器基本工作原理Ic=I4=i1+i2io=i8 i10=i1 i2124Tth()2uuIU)2th(T21coUuuIi由由11lnBETSiVVI22lnBETSiVVI12lnTiVi12exp()idiViiV输出电流输出

14、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(dUIuuig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12T2uuU因此因此1212TTth()22uuuuUU3.2.3 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）基本运算电路平方运算和除法运算平方运算和除法运算（二）乘法器在调制与解调中的应用

15、（二）乘法器在调制与解调中的应用信息传输的基本概念信息传输的基本概念1.对信号进行调制的原因对信号进行调制的原因 基带信号基带信号易受外来干扰的影响，还受到设备元器件的易受外来干扰的影响，还受到设备元器件的限制，不能进行无线传输也不能实现多路复用。为了克服限制，不能进行无线传输也不能实现多路复用。为了克服以上缺点以上缺点,，通过调制技术就可以把基带信号，通过调制技术就可以把基带信号(也叫调制信也叫调制信号号)变为具有一定带宽的适合于信道传输的频带信号。调变为具有一定带宽的适合于信道传输的频带信号。调制的过程也就是对信号进行频谱搬移的过程。制的过程也就是对信号进行频谱搬移的过程。2.调制和解调调

16、制和解调 调制调制(Modulation)将低频信号装载于高频信号。将低频信号装载于高频信号。解调解调(Demodulation)将已调信号还原为低频信号。将已调信号还原为低频信号。3.调制调制(解调解调)的方式的方式调幅调幅 AM(检波检波)、调频、调频 FM(鉴频鉴频)、调相、调相 PM(鉴相鉴相)4.信息传输系统信息传输系统1.平衡调幅器平衡调幅器设载波信号设载波信号 ux(t)=Uxm cosw wct V 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：

17、ttttsXwww5cos543cos34cos4)(调制信号调制信号uy(t)=UW Wm cosW Wt V为小信号。为小信号。用低频信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。经调幅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。载波信号，它是运载低频信号的工具。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

18、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 UttRwWW 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 UttRwwWWWcXY2()cosmRst UtRWW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)(cWw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。应用：在很多场合都用到抑制

19、载应用：在很多场合都用到抑制载波的双边带调幅波，如波的双边带调幅波，如导频制调导频制调频立体声中的立体复合信号频立体声中的立体复合信号，以，以及及彩色电视中的色度信号彩色电视中的色度信号都采用都采用抑制载波的双边带调幅波。抑制载波的双边带调幅波。调制信号为调制信号为1.6kHz，载波信号为载波信号为40kHz。14脚输出抑制载波脚输出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实际电路实际电路2.乘积检

20、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。用集成模拟乘法器检波时，除了要解调的调幅用集成模拟乘法器检波时，除了要解调的调幅波外还要加入与波外还要加入与调幅波载波频率相同的正弦电压调幅波载波频率相同的正弦电压，由于此载波电压要另由由于此载波电压要另由发生器产生或由被解调的调发生器产生或由被解调的调幅波幅波形成，频率与被解调的调幅波的载波相等，故形成，频率与被解调的调幅波的载波相等，故称为称为同步检波同步检波。要加入的载波频率的正弦电压称为。要加入的载波频

21、率的正弦电压称为同步电压。同步电压。双边带和单边带信号中都双边带和单边带信号中都不含有载波频率分量不含有载波频率分量，因此同步检波所需同步信号必须由因此同步检波所需同步信号必须由载波发生器载波发生器产生。产生。其频率与相位均与相应的载波相同。其频率与相位均与相应的载波相同。如输入模拟乘法器的是如输入模拟乘法器的是抑制载波双边带信号抑制载波双边带信号，即，即 ttUtucXmXcoscos)(wW另一端输入与载波另一端输入与载波同频同相同频同相的高频信号，即的高频信号，即tUtucYmYcos)(w相乘后为相乘后为2oXYXmYmc()coscosu tKu uKUUttwW ttUKUtUKU

22、cYmXmYmXm2coscos2cos2wWW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tAUKUtuWcos2)(FYmXmo式中，式中，K为乘法器标度因子，为乘法器标度因子，AF为带通滤波器的传输系数为带通滤波器的传输系数。图图3-2-10利用乘法器对普通调幅器进行解调的方框图利用乘法器对普通调幅器进行解调的方框图图图3-2-11 MC1595构成的乘积检波器构成的乘积检波器设设 ttmUucmYcos)cos1(wWtUucXmXcosw得得乘法器输出电压乘法器输出电压为为ttmRRIUURuuRRIRuc2YX3mXmcYXYXOXco)co

23、scos1(22wWttmRRIUURtmRRIUURcYX3mXmCYX3mXmc2)coscos1()cos1(wWW调制低频信号调制低频信号为为 tmARRIUURtuWWcos)(FYX3mXmc3.鉴频器鉴频器 调频信号的解调称为鉴频，即鉴频是把调频信号调频信号的解调称为鉴频，即鉴频是把调频信号瞬瞬间频率间频率变化转换成变化转换成相应的电压变化相应的电压变化。常用的是常用的是相位鉴频器相位鉴频器，是把调频信号首先通过，是把调频信号首先通过线性线性相移网络相移网络把瞬时频率变化转换为瞬时相位的变化，然把瞬时频率变化转换为瞬时相位的变化，然后通过乘法器鉴相，再经低通滤波器取出与调频波频后

24、通过乘法器鉴相，再经低通滤波器取出与调频波频率变化成正比的低频电压。在一定条件下，只要相移率变化成正比的低频电压。在一定条件下，只要相移网络的相频特性是线性的；鉴相器也工作在鉴相范围网络的相频特性是线性的；鉴相器也工作在鉴相范围之内。输出电压就能正确反映调频波原调制信号的规之内。输出电压就能正确反映调频波原调制信号的规律。律。电压传输系数为电压传输系数为 1)(j1j20121.2.UwwwQLCQUUA式中式中)(1120CCLwLRQw在在f0附近得附近得 20212U)2(1ffQLCQAw)2arctg(20ffQ图图3-2-13 频相转移网络频相转移网络 0ww200022()1ff

25、wwww 在谐振点附近在谐振点附近 )2arctg(0ffQ在在0.5（即（即30）范围内，）范围内，002)2arctg(ffQffQ故得到故得到 022ffQ此式表示能完成此式表示能完成线性频相转换。线性频相转换。图图3-2-14 频相转移频相转移的的 网络的相频特性网络的相频特性 图中，经放大后的调频信号图中，经放大后的调频信号uY(t)加到乘法器加到乘法器的一个输入端，同时的一个输入端，同时uY(t)又经线性频相转换网络又经线性频相转换网络产生产生uX(t)加到乘法器的另一个输入端。加到乘法器的另一个输入端。乘法器完乘法器完成鉴相功能。成鉴相功能。图图3-2-15 用用MC1595构成

26、的鉴频器构成的鉴频器4.混频器混频器 乘法器除具有调制和解调的功能外，还可把乘法器除具有调制和解调的功能外，还可把信号从某一频率变换为另一频率。把信号从某一频率变换为另一频率。把高频信号经高频信号经过频率变换为中频信号过频率变换为中频信号。如果是已调的高频信号。如果是已调的高频信号则是把载波变为中频载波，而调制规律不变。具则是把载波变为中频载波，而调制规律不变。具有以上功能的电路称为混频电路。有以上功能的电路称为混频电路。4.混频器混频器图图3-2-16 双平衡混频器双平衡混频器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3.3.1 二极管检波器二极管检波器3.3.2 绝对值检

27、波电路绝对值检波电路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ui0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波形图波形图分析由分析

28、由Ad和二极管结和二极管结压降引起的误差：压降引起的误差：输出电压为输出电压为 uRRRuL2Lo集成运放的输出电压为集成运放的输出电压为 dDouA uuU 得得dD1AUuL2LdDo1RRRAUu得得输出电压输出电压为为 2.实际二极管检波特性实际二极管检波特性当当ui u_时，时，i10时，时，VD1导通，导通，VD2截止。截止。式中式中211RRRF有线性检有线性检波死区限波死区限制最小输制最小输入信号检入信号检波能力波能力。当当ui u_时，时，i10时，时，输出电压为输出电压为 uRRuRRu)1(12i12ouAUuudDoodDoAUuuFAUFAuRRudDdi12o1)1

29、11(得得输出电压输出电压 由由i10，VD1截止，截止，VD2导通。导通。为反馈系数为反馈系数 检波死区可通过选择检波死区可通过选择Ad很大，低失调，低漂移的集很大，低失调，低漂移的集成运放来克服。成运放来克服。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 反相型绝对值检波电路反相型绝对值检波电路 绝对值电路，就是输出电压正比于输入电压的幅度，而与输绝对值电路，就是输出电压正比于输入电压的幅度，而与输入电压的极性无关，即输入电压的极性改变时，输出电压的极入电压的极性无关，即输入电压的极性改变时，输出电压的极性不变。它是比较理想的全波整流电

30、路。性不变。它是比较理想的全波整流电路。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

31、正值总为正值:i25ouRRu 当取当取 R5=R2 时时即即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：可调增益绝对值变换电路可调增益绝对值变换电路当当ui0时，时，A1输出电压输出电压uo0，则，则VD1止，止，VD2通，通，A1输出端通过输出端通过VD2 构成闭环。构成闭环。A1反相端输入电压将跟反相端输入电压将跟踪输入电压，即踪输入电压，即u=uiA2 在在

32、u和和uo的作用下，的作用下，VD3通，通，VD4止。止。oiiio(1)uuuuum RmRm0 u端为虚地，端为虚地，R1为为uo的负载：的负载：2.增益可调的绝对值变换电路增益可调的绝对值变换电路当当ui0时，时，A1输出压输出压uo0，则，则VD1通，通，VD2截止，截止，A1输出端通过输出端通过VD1 构成闭环。构成闭环。muuio0 调节调节m 可调增益可调增益。同样，同样，A1反相端电压将跟反相端电压将跟踪输入电压，即踪输入电压，即u=ui。A2 在在u0的作用下，的作用下，VD4导通，导通，VD3截止。截止。若满足电阻匹配件：若满足电阻匹配件：R1=R则则输出电压输出电压为为m

33、RmumRmmuui)1()1()1(iii 从图中可以看出电位器从图中可以看出电位器(1m)R上上电流电流为为当当m0 或或 m1时，均会时，均会出现极大电流，这是不允出现极大电流，这是不允许的，为此需在电位器两许的，为此需在电位器两端各串入一个电阻。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此绝对值变换电路的增益调节范围可以从几到几十倍，且几到几十倍，且具有较高的输入阻抗。具有较高的输入阻抗。3.4 限幅器限幅器特点特点 当输入信号电压在某一范围内时，输出电压成比例当输入信号电压在某一范围内时，输出电压成比例的改变，而在超出该范围时，输出电压不再跟随输入信的改变，而在超出该范围

34、时，输出电压不再跟随输入信号变化，而保持在某一固定值上。号变化，而保持在某一固定值上。应用应用 信号处理、信号运算、波形产生电路及过载保护电信号处理、信号运算、波形产生电路及过载保护电路中。路中。3.4.1 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图图3-4-1 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2

35、131RRRk 当当uiUim，即，即VD导通时，导通时，UA被箝位在被箝位在(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图图3-4-2 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 由以下两式可知，由由以下

36、两式可知，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 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。如果将参考电压改变方如果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。3.4.2 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 2refA1AiRuuRuu )(2ref

37、2A1A1iRURURURu 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输特性。传输特性。如果

38、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3.4.3线性检波限幅器线性检波限幅器图图3-4-9 线性检波限幅器线性检波限幅器1ref2iRURui ref12URR当当iS S 0，即，即 ui 时时，VD2截止，截止，VD1导通。导通。23ref12o)(RRURRuui 输出电压输出电压 ui 时，时，ref12URRVD2导通，导通，VD1截止，截止，输出电压输出电压 uo =0。当当iS S 0，即，即 图图3-4-

39、10 线性检波限幅器的限幅特性线性检波限幅器的限幅特性门限电压门限电压为为 ref12imURRU此限幅器的此限幅器的优点优点是具有稳定的传是具有稳定的传输特性输特性。如果将两个二极管如果将两个二极管VD1、VD2 同时改同时改变方向，参考电压变方向，参考电压也改变方向，便可也改变方向，便可得到第二象限内限得到第二象限内限幅特性。幅特性。3.5 二极管函数变换器二极管函数变换器什么是函数变换电路？什么是函数变换电路？是指输入电压与输出电压之间保持某一特定关系的电路。是指输入电压与输出电压之间保持某一特定关系的电路。应用应用二极管与运放所组成的函数变换电路二极管与运放所组成的函数变换电路就是二极

40、管函数变就是二极管函数变换电路。换电路。函数变换电路原理函数变换电路原理 一个函数用图形表示就是一条曲线。一条曲线可以用折一个函数用图形表示就是一条曲线。一条曲线可以用折线来逼近。线来逼近。二极管限幅器的传输特性是一条折线二极管限幅器的传输特性是一条折线。用。用多个二多个二极管限幅器极管限幅器组合起来使其总的特性逼近某一预定的曲线，就组合起来使其总的特性逼近某一预定的曲线，就是函数变换电路组成的原理。是函数变换电路组成的原理。3.5.1 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图图3-5-1 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VD1限幅电路：限幅电路：DD151i

41、m1)(UUURRUVD3限幅电路：限幅电路：DD373im3)(UUURRU各串联限幅电路的各串联限幅电路的门限电压门限电压分别为分别为 各串联限幅电路的各串联限幅电路的门限电压门限电压分别为分别为 VD2限幅电路：限幅电路：DD262im2)(UUURRUVD4限幅电路：限幅电路：DD484im4)(UUURRU图图3-5-1 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假设假设Uim4Uim2Uim1Uim3，则二极管函数变换，则二极管函数变换器不同门限电压范围内器不同门限电压范围内输出电压输出电压分别为：分别为：当当ui Uim4时，只有时，只有VD2、VD4导通，导通，输出电

42、压为输出电压为 im44fim22fi420fo)111(URRURRuRRRRu当当Uim1 uiUim3时，只有时，只有VD1导通，输出电压为导通，输出电压为 im11fi10fo)11(URRuRRRu当当uiUim3时，只有时，只有VD1、VD3导通，输出电压为导通，输出电压为 im33fim11fi310fo)111(URRURRuRRRRu当当Uim4 ui Uim2时，只有时，只有VD2导通，导通，输出电压为输出电压为 im22fi20fo)11(URRuRRRu当当Uim2 ui Uim1 时，VD1VD4均截止，均截止，i0fouRRu3.5.2 并联限幅型二极管函数变换器并

43、联限幅型二极管函数变换器图图3-5-3 并联限幅型二极管函数变换器并联限幅型二极管函数变换器各并联限幅电路的各并联限幅电路的门限电压门限电压分别为分别为 VD1限幅电路：限幅电路：aUUUD1im1VD3限幅电路：限幅电路：cUUUD3im3VD2限幅电路：限幅电路：bUUUD2im2VD4限幅电路：限幅电路：dUUUD4im4假设假设Uim4Uim2Uim1Uim3，则二极管函数变换，则二极管函数变换 器不同门限电压范围内器不同门限电压范围内输出电压输出电压分别为分别为:当当ui Uim4时，只有时，只有VD2、VD4导通，输出电压为导通，输出电压为 im44fim22fi310fo)111

44、(URRURRuRRRRu当当Uim4 ui Uim2时，只有时，只有VD2导通，输出电压为导通，输出电压为 im22fi4310fo)1111(URRuRRRRRu当当Uim2 ui Uim1 时，VD1VD4均截止，均截止，i43210fo)11111(uRRRRRRu当当Uim1 ui Uim3时，只有时，只有VD1导通，输出电压为导通，输出电压为 im11fi4320fo)1111(URRuRRRRRu当当uiUim3时，只有时，只有VD1、VD3导通，输出电压为导通，输出电压为 im33fim11fi420fo)111(URRURRuRRRRu输出电压为输出电压为图图3-5-4 并联

45、限幅型二极管函数变换器的限幅特性并联限幅型二极管函数变换器的限幅特性并联限幅型二极管函数变换器输出电压的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。变化率是随输入电压增大而减小。3.5.3 线性检波型二极管函数变换器线性检波型二极管函数变换器图图3-5-5 线性检波型二极管检波变换器线性检波型二极管检波变换器每个线性检波电路的每个线性检波电路的转折电压分别为转折电压分别为,R5im1URRU R7im3URRU,R6im2URRU R8im4URRU 假设假设Uim4Uim2Uim1Uim3，当输入电压在不同范，当输入电压在不同范围时，各线性检波器的输出电压有以下几种情况

46、：围时，各线性检波器的输出电压有以下几种情况：由由A1引起的输出：引起的输出：当当uiUim1，uo1=0 当当uiUim1，fo3iim11()RuuUR由由A2引起的输出：引起的输出：当当uiUim2，uo2=0 当当uiUim2，)(im2i2fo2UuRRu由由A3引起的输出：引起的输出：当当uiUim3，uo3=0 当当uiUim3，)(im3i3fo3UuRRu由由A4引起的输出：引起的输出：当当uiUim4，uo4=0 当当uiUim4，)(im4i4fo4UuRRu输入电压输入电压ui通过电阻通过电阻R0引起的引起的输出电压输出电压为为i0fo0uRRu将上述各分量求和，则可将

47、上述各分量求和，则可得出得出总的输出电压总的输出电压为为40jojouu由上述分析结果，可按由上述分析结果，可按输入电压在不同的转折输入电压在不同的转折电压范围内得出总输出电压范围内得出总输出电压分别为电压分别为:当当ui Uim4时，时，uo1、uo3均为零，均为零，输出电压输出电压为为 o4o2o0ouuuu 当当Uim4 ui Uim2时，时，uo1、uo3、uo4均为零均为零，则，则 o2o0ouuu 当当Uim2uiUim1时时，uo1、uo2、uo3、uo4均为零均为零 i0fo0ouRRuu 则则im22fi02f)11(URRuRRR im44fim22fi024f)111(U

48、RRURRuRRRR 当当Uim1 uiUim3时，时，uo2、uo3、uo4均为零，均为零，则则 im11fi01fo1o0o)11(URRuRRRuuu 当当uiUim3时，时，uo2、uo4均为零，则均为零，则 o3o1o0ouuuu 420111 RRR 若若im33fim11fi031f)111(URRURRuRRRR 310111RRR 综上所述，综上所述，设计二极管设计二极管函数变换器步骤函数变换器步骤如下：如下：由函数关系表达式由函数关系表达式uo=f(ui)确定每段折线的转折电确定每段折线的转折电压和折线的斜率。压和折线的斜率。图图3-5-6 线性检波线性检波型二极管检波变换

49、型二极管检波变换器的限幅特性器的限幅特性用折线段来逼近已知函数；用折线段来逼近已知函数；根据对转折电压和斜率的根据对转折电压和斜率的要求设计每个线性检波器要求设计每个线性检波器电路的参数。电路的参数。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3.6.5 电压比较器的应用举例电压比较器的应用举例3.6.1 电压比较器的性能电压比较器的性能1.电压比较器的功能：电压比较器的功能：比较电压的大小。比较电压的大小。广泛用于各种报警电路。广

50、泛用于各种报警电路。输入电压输入电压是连续的模拟信号；是连续的模拟信号；输出电压输出电压表示比较的结果，表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。只有高电平和低电平两种情况。使使输出产生跃变输出产生跃变的输入电压称为的输入电压称为阈值电压。阈值电压。2.电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法:电压传输特性电压传输特性 uOf(ui)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压Em（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向3.几种常用的电压比较器几种常用的电压

51、比较器（1）单限比较器单限比较器：只有一个阈值电压：只有一个阈值电压（3）窗口比较器窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）迟滞电压迟滞电压比较器比较器：具有滞回特性：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压T2T1UUU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

52、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。对于集成运放构成的电压比较器，其响应短。对于集成运放构成的电压比较器，其响应速度通常由速度通常由转换速率转换速率SR表示。表示。4.电压比较器主要性能指标电压比较器主要性能指标电压比较器的输出数字信号一般用以带动门电电压比较器的输出数字信号一般用以带动门电路，因此路，因此带动负载能力带动负载能力的大小也是评价电压比的大小也是评价电压比较器性能的一项重要指标。较器性能的一项重要指

53、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，则带动负载的能越大，则带动负载的能力就越强。力就越强。5.5.集成运放的非线性工作区集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈集成运放工作在非线性区的特点集成运放工作在非线性区的特点1)净输入电流为净输入电流为02)uP uN时，时，uOUOM uP uN时，时，uOUOM3.6.2 单限电压比较器单限电压比较器1.基本电路和

54、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；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 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。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 输

55、入箝位保护和输出箝位单限输入箝位保护和输出箝位单限比较器及其输入输出特性比较器及其输入输出特性当当UiEm时，时，当当UiEm时，时，uO=UOH=UZuO=UOL=-UD 集成运放的净输入电集成运放的净输入电压等于输入电压，为保压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。需加输入端限幅电路。输出限幅电路输出限幅电路 为适应负载对电压幅为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限值的要求，输出端加限幅电路。幅电路。3.任意电平比较器任意电平比较器UiEm，uO=UOH=UZ UiEm，uO=UOL=-UD r21miERREU当当If=I1+Ir0,即即 时时，0

56、2r1i 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=UZ 输入门限电位：输入门限电位：电压比较器的分析方法：电压比较器的分析方法：（1 1）写出写出 u+、u-的表达式，的表达式，令令u+u-，求解出的求解出的 ui即即为为Em；（2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定决定输出电压输出电压的跃变方向

57、。的跃变方向。存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的单限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号是否达到：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法：采用具有迟：采用具有迟滞回线传输特性的比较器。滞回线传输特性的比较器。优点优点：灵敏度高。：灵敏度高。3.6.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器 具有迟滞输出特性的电压比较具有迟滞输出特性的电压比较器，叫迟滞电压比较器，器，叫迟滞电压比较器，也称回也称回差电压比较器。差电压比较器。产生矩形波、三角波和锯齿波，产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形

58、变换。或用于波形变换。抗干扰能力强抗干扰能力强。1.输入输出特性输入输出特性有两个门限电位，数值大有两个门限电位，数值大EmH叫叫上门限电位上门限电位，数值小数值小EmL叫叫下门限电位下门限电位，两者之两者之差叫差叫门限宽度，门限宽度，用用 Em表示，表示，Em=EmH EmL。-+uu1o12RuuRR（1）求阈值电压）求阈值电压iuu2.迟滞电压比较器的工作原理迟滞电压比较器的工作原理令令ZOHZOL UUUU1Z12mREURR 可得可得(2)工作原理及电压传输特性工作原理及电压传输特性 设设uiEm，则，则 u-u+，uo+UZ。此时。此时u+Em，增大增大 ui，直至，直至+Em，再

59、增大，再增大，uo才从才从+UZ跃变为跃变为 UZ。设设 ui+Em，则，则 u-u+，uoUZ。此时。此时u+Em，减小减小 ui，直至，直至 Em，再减小，再减小，uo才从才从UZ跃变为跃变为+UZ。3.6.4 窗口电压比较器窗口电压比较器 用来判断输入信号用来判断输入信号ui是否位于两个指定电位之间。是否位于两个指定电位之间。较较小小一个电位称为一个电位称为下门限电位下门限电位EmL，较较大大一个电位称为一个电位称为上门限电位上门限电位EmH，二者之差二者之差称为称为门限宽度门限宽度 Em。当当ui落入落入 Em之内或之内或“窗口窗口”之内时，为一种逻辑之内时，为一种逻辑电平（如为高电平

60、），电平（如为高电平），当当ui落入落入 Em之外或之外或“窗口窗口”之外时，为另一种逻之外时，为另一种逻辑电平（如为低电平），辑电平（如为低电平），具有这种传输特性比较器称为具有这种传输特性比较器称为窗口电压比较器。窗口电压比较器。(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工作原理工作原理 设设 EHEL2UD 当当uiEL时，时，VD1导通，导通，VD2截止截止U-Ui，U+=EL即即 U-U+，得得 uo o=UOH当当ui EH时，时，VD1止，止，VD2通通 当当ELUiEH时，时，U-EH，U+=Ui即即U-U+,得得 uo o=UOHVD1、VD2均导通均导通 U

61、-U+U-U+,得得 uo o=UOL由此可见由此可见 EmH=EH，EmL=EL，Em=EH EL所以满足窗口比较器的特性，即所以满足窗口比较器的特性，即当当EmL Ui EmH时，时，输出是低电平，输出是低电平，uo o=UOL当当UiEmL 或或Ui EmH时，时，输出是高电平，输出是高电平，uo o=UOH(2)用专用电压比较器用专用电压比较器(LM311)构成的窗口比较器构成的窗口比较器A1截止，截止，A2导通，导通，A2 输出为低电平。输出为低电平。当当Ui EmL 时，时，A1导通，导通，A2截止，截止，A1 输出为低电平。输出为低电平。当当Ui EmH 时时当当EmL Ui EmH时，时，A1和和A2均截止，输出均截止，输出电平是由上拉负载电电平是由上拉负载电阻拉向高电平。阻拉向高电平。3.6.5 电压比较器的应用举例电压比较器的应用举例1.电压比较器在时电压比较器在时延产生电路中应用延产生电路中应用图图3-6-12 时延产生电路时延产生电路图图3-6-13 时间波形图时间波形图OHR411d1UUCRTOHR311d2UUCRTOHR211d3UUCRT这三个这三个比较器比较器反相输反相输入端根入端根据时延据时延大小要大小要求加相求加相应基准应基准电压。电压。