模拟IC的非线性应用.ppt

2020年3月4日星期三 1 模拟集成电路的非线性应用 1对数器和指数器 2乘法器及其应用 3二极管检波器和绝对值变换器 4限幅器 5二极管函数变换器 6电压比较器及其应用 2020年3月4日星期三 2 3 1二极管检波器 1 理想二极管检波器 图3 1理想二极管检波电路 工作原理 当ui 0时 VD1导通 VD2截止 当ui 0时 VD1截止 VD2导通 0 2020年3月4日星期三 3 图3 2理想二级管检波器的输入输出特性 以正弦输入电压为例可画出输入电压 输出电压的波形图 图3 3输入为正弦时的ui uo波形图 2020年3月4日星期三 4 分析由Ad和二极管结压降引起的误差 输出电压为 集成运放的输出电压为 由以上两式得 得输出电压为 2 实际二极管检波特性 当ui u 时 i1 0时 VD1导通 VD2截止 2020年3月4日星期三 5 式中 有线性检波死区限制最小输入信号检波能力 有一个很小输入电压变化 当ui u 时 i1 0时 输出电压为 得输出电压 由 i1 0 VD1截止 VD2导通 为反馈系数 2020年3月4日星期三 6 3 2绝对值检波电路 1 反相型绝对值检波电路 图3 4反相型绝对值检波电路 2020年3月4日星期三 7 工作原理 当ui 0时 VD1导通 VD2截止 由u u 0 uA 0 得输出电压为 0 当ui 0时 VD1截止 VD2导通 得输出电压为 2020年3月4日星期三 8 当满足电阻匹配条件 R3R2 2R1R4 例如 选取R1 R3 R4 0 5R2时 得 0 不论输入电压ui极性如何 uo总为正值 当取R5 R2时 图3 5反相型绝对值检波器的传输特性 即 uo ui 2020年3月4日星期三 9 反相型绝对值检波电路缺点是 输入电阻较低 图3 6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 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 2020年3月4日星期三 10 2 增益可调的绝对值变换电路 图3 7可调增益绝对值变换电路 当ui 0时 A1输出电压uo 0 则VD1止 VD2通 A1输出端通过VD2构成闭环 A1反相端输入电压将跟踪输入电压 即u ui A2在u 和uo的作用下 VD3通 VD4止 0 u 端为虚地 R1为uo的负载 2020年3月4日星期三 11 当ui 0时 A1输出压uo 0 则VD1通 VD2截止 A1输出端通过VD1构成闭环 0 调节m可调增益 同样 A1反相端电压将跟踪输入电压 即u ui A2在u 0的作用下 VD4导通 VD3截止 若满足电阻匹配件 R1 R 则输出电压为 2020年3月4日星期三 12 从图中可以看出电位器 1 m R上电流为 当m 0或m 1时 均会出现极大电流 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 且具有较高的输入阻抗 2020年3月4日星期三 13 6电压比较器及其应用 6 1电压比较器的性能 6 2单限电压比较器 6 3迟滞电压比较器 6 4窗口电压比较器 6 5电压比较器的应用举例 2020年3月4日星期三 14 6 1电压比较器的性能 1 一般运放在使用时 往往是工作在闭环状态 多数应用中还要求运放工作在负反馈闭环状态 2 当用作电压比较器时 集成运放应处在开环工作状态 3 对于集成电压比较器性能要求 输入级与一般集成运放相同 而输出级与数字电路要求一致 4 电压比较器频带较宽 无需相位补偿 以便尽可能获得高速翻转 减小响应时间 2020年3月4日星期三 15 鉴别灵敏度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输入模拟信号电压的最小变化量 响应速度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短 两者所需时间一般不等 6 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 2020年3月4日星期三 16 电压比较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较器性能的一项重要指标 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 输出端吸入电流Isink Ro和IOR越小 Isink越大 则带动负载的能力就越强 2020年3月4日星期三 17 6 2单限电压比较器 1 基本电路和输入输出特性 图6 1具有上行特性的单限电压比较器及其输入输出特性 当Ui Em时 uO UOL 当Ui Em时 uO UOH 外加门限电位Em 这种特性称为上行特性 2020年3月4日星期三 18 外加一个门限电位Em 当Ui Em时 uO UOL 当Ui Em时 uO UOH 图6 2具有下行特性的单限电压比较器及其输入输出特性 这种特性称为下行特性 2020年3月4日星期三 19 2 输入箝位保护和输出箝位单限比较器 图6 3输入箝位保护和输出箝位单限比较器及其输入输出特性 当Ui Em时 当Ui Em时 uO UOH Em 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 uO UOL UD 2020年3月4日星期三 20 3 任意电平比较器 Ui Em uO UOH Em Ui Em uO UOL UD 当If I1 Ir 0 即 调节R1 R2或Er 都能改变Em 当If I1 Ir 0 即 uO UOL UD uO UOH Em 图6 4任意电平的单限比较器及其输入输出特性 2020年3月4日星期三 21 6 3迟滞电压比较器 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 1 输入输出特性 有两个门限电位 数值大EmH叫上门限电位 数值小EmL叫下门限电位 两者之差叫门限宽度 用 Em表示 Em EmH EmL 图6 5迟滞电压比较器的输入输出特性 2020年3月4日星期三 22 2 迟滞电压比较器的工作原理 迟滞电压比较器共同特点是具有正反馈回路 而获得迟滞特性 同时加速比较器转换过程 图6 6具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性 2020年3月4日星期三 23 分析步骤如下 2 写出u u 的表达式 3 求出门限电位EmL EmH 将uo UZ分别代入上式中 得 1 确定输出电压UO uo UZUOH UZ UOL UZ u ui 2020年3月4日星期三 24 假设u u 求出ui的值即为门限电位 较大的一个即为EmH 较小的一个即为EmL 4 判断是上行特性还是下行特性 若ui从集成运放的反相端输入 则为下行特性 若ui从集成运放的同相端输入 则为上行特性 5 画出传输特性曲线 由传输特性曲线即可分析迟滞电压比较器的工作原理 2020年3月4日星期三 25 6 4窗口电压比较器 用来判断输入信号ui是否位于两个指定电位之间 较小一个电位称为下门限电位EmL 较大一个电位称为上门限电位EmH 二者之差称为门限宽度 Em 当ui落入 Em之内或 窗口 之内时 为一种逻辑电平 如为高电平 当ui落入 Em之外或 窗口 之外时 为另一种逻辑电平 如为低电平 具有这种传输特性比较器称为窗口电压比较器 2020年3月4日星期三 26 1 用集成运放实现的窗口比较器 图6 8窗口比较器及其传输特性 工作原理 EH EL 2UD ui EL时 VD1导通 VD2截止 U Ui U EL 即U U 得uo UOH 2020年3月4日星期三 27 ui EH时 VD1止 VD2通 EL Ui EH时 由此可见EmH EH EmL EL DEm EH EL 所以满足窗口比较器的特性 即 当EmL Ui EmH时 输出是低电平 uo UOL U EH U Ui U U 得uo UOH VD1 VD2均导通 U U U U 得uo UOL 当Ui EmL或Ui EmH时 输出是高电平 uo UOH 2020年3月4日星期三 28 2 用专用电压比较器构成的窗口比较器 图6 9用专用电压比较器构成的窗口电压比较器及其传输特性 须外接上拉电阻 A1截止 A2导通 A2输出为低电平 当Ui EmL EmH 时 A1导通 A2截止 A1输出为低电平 当Ui EmH EmL 时 当EmL Ui EmH时 A1和A2均截止 输出电平是由上拉负载电阻拉向高电平 2020年3月4日星期三 29 3 采用绝对值变换器的窗口电压比较器 图6 10采用绝对值变换器的窗口电压比较器 2020年3月4日星期三 30 工作原理 首先分析A2工作状态 A2输出电平高低取决于相加点电流方向 i 0 uo UD i 0 uo UD A2相加点电流i i1 i2 i3 i4 分三步分析 1 假设Um 0 UB 0 则i3 0 i4 0 im 0 当ui 0时 当ui 0时 所以 i i1 i2 ui R 0 i i1 ui R 0 2020年3月4日星期三 31 图6 11绝对值变换器i ui和ui uo变换特性 2 假设Um 0 UB 0 则im 0 i4 0 所以i i1 i2 i3 2020年3月4日星期三 32 3 当Um 0 UB 0时 当i 0时 由上式可得 所以 窗口宽度为UB 中心电平为 Um 显然 只要分别调节UB和Um 即可分别调节窗口宽度和窗口中心电平 2020年3月4日星期三 33 6 5电压比较器的应用举例 1 电压比较器在时延产生电路中应用 图6 12时延产生电路 2020年3月4日星期三 34 图6 13时间波形图 这三个比较器反相输入端根据时延大小要求加相应基准电压 2020年3月4日星期三 35 2 电压比较器在精密压控振荡器中的应用 图6 14精密压控振荡器电路 由JO734电压比较器和集成运放组成的积分器构成的 其方波输出频率随着输入电压线性变化 2020年3月4日星期三 36 积分器的输出电压为 该电路输出脉冲的频率与输入电压的关系 由上式可知 输出方波信号的频率在R1 C1 UR一定时 随Ui增加而增加 完成了压控振荡功能 2020年3月4日星期三 37 3 电压比较器在峰值检波器中的应用 图6 15峰值检波器 图6 16峰值检波器的波形图 只有输入信号到达峰值的那一个时刻 比较器才有高电平输出 2020年3月4日星期三 38 本章结束