模擬IC的非線性應(yīng)用.ppt

2019年7月13日星期六,1,模擬集成電路的非線性應(yīng)用,1 對數(shù)器和指數(shù)器,2 乘法器及其應(yīng)用,3 二極管檢波器和絕對值變換器,4 限幅器,5 二極管函數(shù)變換器,6 電壓比較器及其應(yīng)用,2019年7月13日星期六,2,3. 1 二極管檢波器,1.理想二極管檢波器,圖3-1 理想二極管檢波電路,工作原理：,當(dāng)ui0時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，,當(dāng)ui 0時，VD1截止，VD2導(dǎo)通，,0 ，,2019年7月13日星期六,3,圖3-2 理想二級管檢波器的輸入輸出特性,以正弦輸入電壓為例 可畫出輸入電壓、輸出電壓的波形圖。,圖3-3 輸入為正弦時 的ui，uo波形圖,2019年7月13日星期六,4,分析由Ad和二極管結(jié)壓降引起的誤差：,輸出電壓為,集成運(yùn)放的輸出電壓為,由以上兩式得,得輸出電壓為,2.實(shí)際二極管檢波特性,當(dāng)ui u_時，i10時，,VD1導(dǎo)通，VD2截止。,2019年7月13日星期六,5,式中,有線性檢波死區(qū)限制最小輸入信號檢波能力 。,有一個很小輸入電壓變化，,當(dāng)ui u_時，i10時，,輸出電壓為,得輸出電壓,由,i10，VD1截止，VD2導(dǎo)通。,為反饋系數(shù)，,2019年7月13日星期六,6,3. 2 絕對值檢波電路,1.反相型絕對值檢波電路,圖3-4 反相型絕對值檢波電路,2019年7月13日星期六,7,工作原理,當(dāng)ui0時，VD1導(dǎo)通，VD2 截止，由u_=u+=0，uA=0,得輸出電壓為,0。,當(dāng)ui0時，VD1截止，VD2導(dǎo)通，,得輸出電壓為,2019年7月13日星期六,8,當(dāng)滿足電阻匹配條件：R3R2 = 2R1R4，例如,選取 R1 = R3， R4 = 0.5R2 時，得,0,不論輸入電壓ui極性如何，uo 總為正值:,當(dāng)取 R5 = R2 時,圖3-5 反相型絕對值檢波器的傳輸特性,即,uo = | ui |,2019年7月13日星期六,9,反相型絕對值檢波電路缺點(diǎn)是：輸入電阻較低。,圖3-6 同相型絕對值電路,當(dāng)要求輸入電阻較高時，可采用同相型電路：,同相型絕對值檢波電路工作原理與反相型絕對值檢波電路工作原理的分析方法類似。,2019年7月13日星期六,10,2.增益可調(diào)的絕對值變換電路,圖3-7 可調(diào)增益絕對值變換電路,當(dāng)ui0時，A1輸出電壓uo0，則VD1止，VD2通，A1輸出端通過VD2 構(gòu)成閉環(huán)。,A1反相端輸入電壓將跟蹤輸入電壓，即u=ui,A2 在u和uo的作用下，VD3通，VD4止。,0,u端為虛地，R1為uo的負(fù)載：,2019年7月13日星期六,11,當(dāng)ui0時，A1輸出壓uo0，則VD1通，VD2截止，A1輸出端通過VD1 構(gòu)成閉環(huán)。,0,調(diào)節(jié)m 可調(diào)增益 。,同樣，A1反相端電壓將跟蹤輸入電壓，即u= ui。,A2 在u0的作用下，VD4導(dǎo)通，VD3截止。,若滿足電阻匹配件：R1=R,則輸出電壓為,2019年7月13日星期六,12,從圖中可以看出電位器(1m)R上電流為,當(dāng)m0 或 m1時，均會出現(xiàn)極大電流，這是不允許的，為此需在電位器兩端各串入一個電阻。,此絕對值變換電路的增益調(diào)節(jié)范圍可以從幾到幾十倍，且具有較高的輸入阻抗。,2019年7月13日星期六,13,6 電壓比較器及其應(yīng)用,6.1 電壓比較器的性能,6.2 單限電壓比較器,6.3 遲滯電壓比較器,6.4 窗口電壓比較器,6.5 電壓比較器的應(yīng)用舉例,2019年7月13日星期六,14,6.1 電壓比較器的性能,1. 一般運(yùn)放在使用時，往往是工作在閉環(huán)狀態(tài)，多數(shù)應(yīng)用中還要求運(yùn)放工作在負(fù)反饋閉環(huán)狀態(tài)。 2. 當(dāng)用作電壓比較器時，集成運(yùn)放應(yīng)處在開環(huán)工作狀態(tài)。 3. 對于集成電壓比較器性能要求，輸入級與一般集成運(yùn)放相同，而輸出級與數(shù)字電路要求一致。 4. 電壓比較器頻帶較寬，無需相位補(bǔ)償，以便盡可能獲得高速翻轉(zhuǎn)，減小響應(yīng)時間。,2019年7月13日星期六,15,鑒別靈敏度又稱為分辨率或轉(zhuǎn)換精度，它是 指電壓比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生跳變所需要的 輸入模擬信號電壓的最小變化量。,響應(yīng)速度是反映比較器從高電平轉(zhuǎn)換到低電 平或從低電平跳變到高電平時所需時間的長 短（兩者所需時間一般不等）。,6.電壓比較器主要性能指標(biāo)有： 鑒別靈敏度、響應(yīng)速度、帶載能力等。,2019年7月13日星期六,16,電壓比較器的輸出數(shù)字信號一般用以帶動門電路，因此帶動負(fù)載能力的大小也是評價電壓比較器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。,表征這一指標(biāo)的主要參數(shù)是： 輸出電阻Ro； 輸出高電平時的漏電流IOR； 輸出端吸入電流Isink 。 Ro和IOR 越小，Isink 越大，則帶動負(fù)載的能力就越強(qiáng)。,2019年7月13日星期六,17,6.2 單限電壓比較器,1.基本電路和輸入輸出特性,圖6-1 具有上行特性的單限 電壓比較器及其輸入輸出特性,當(dāng)UiEm時，uO=UOL；,當(dāng)UiEm時，uO=UOH。,外加門限電位Em,這種特性稱為上行特性,2019年7月13日星期六,18,外加一個門限電位Em,當(dāng)UiEm時，uO=UOL；,當(dāng)UiEm時，uO=UOH。,圖6-2 具有下行特性的單限電壓比較器及其輸入輸出特性,這種特性稱為下行特性。,2019年7月13日星期六,19,2.輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器,圖6-3 輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器及其輸入輸出特性,當(dāng)UiEm時，,當(dāng)UiEm時，uO=UOH= Em 。,輸出也可以采用箝位，這時它的輸出高、低電 位分別等于穩(wěn)壓管VDw的穩(wěn)定電壓和正向壓降。,uO=UOL= -UD；,2019年7月13日星期六,20,3. 任意電平比較器,UiEm，uO=UOH= Em,UiEm，uO=UOL= -UD,當(dāng)If = I1 + Ir0 ,即,調(diào)節(jié)R1/R2或Er ，都能改變Em。,當(dāng)If = I1 + Ir 0 ,即,uO=UOL= -UD,uO=UOH= Em,圖 6-4 任意電平的單限比較器及其輸入輸出特性,2019年7月13日星期六,21,6.3 遲滯電壓比較器,具有遲滯輸出特性的電壓比較器，叫遲滯電壓比較器，也稱回差電壓比較器。,1. 輸入輸出特性,有兩個門限電位，數(shù)值大EmH叫上門限電位，數(shù)值小EmL叫下門限電位，兩者之差叫門限寬度，用Em表示，Em= EmH EmL 。,圖 6-5 遲滯電壓比較器的輸入輸出特性,2019年7月13日星期六,22,2.遲滯電壓比較器的工作原理,遲滯電壓比較器共同特點(diǎn)是具有正反饋回路，而獲得遲滯特性，同時加速比較器轉(zhuǎn)換過程。,圖6-6 具有下行特性的遲滯電壓比較器及其傳輸特性,2019年7月13日星期六,23,分析步驟如下,(2)寫出u+，u_的表達(dá)式,(3)求出門限電位EmL、 EmH,將 uo = UZ分別代入上式中，得,(1)確定輸出電壓UO,uo = UZ UOH = UZ， UOL = -UZ,u- = ui,2019年7月13日星期六,24,假設(shè)u+ = u- ，求出ui的值即為門限電位。,較大的一個即為 EmH ，較小的一個即為 EmL。,（4）判斷是上行特性還是下行特性,若ui從集成運(yùn)放的反相端輸入，則為下行特性；,若ui從集成運(yùn)放的同相端輸入，則為上行特性。,（5）畫出傳輸特性曲線,由傳輸特性曲線即可分析遲滯電壓比較器的工作原理。,2019年7月13日星期六,25,6.4 窗口電壓比較器,用來判斷輸入信號ui是否位于兩個指定電位之間。 較小一個電位稱為下門限電位EmL， 較大一個電位稱為上門限電位EmH， 二者之差稱為門限寬度Em 。 當(dāng)ui落入Em之內(nèi)或“窗口”之內(nèi)時，為一種邏輯電平（如為高電平）， 當(dāng)ui落入Em之外或“窗口”之外時，為另一種邏輯電平（如為低電平）， 具有這種傳輸特性比較器稱為窗口電壓比較器。,2019年7月13日星期六,26,1. 用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的窗口比較器,圖6-8 窗口比較器及其傳輸特性,工作原理,EHEL2UD,uiEL時: VD1導(dǎo)通， VD2截止,U-Ui， U+=EL,即 U- U+ ，,得 uo=UOH,2019年7月13日星期六,27,ui EH時: VD1止，VD2通,ELUiEH時:,由此可見 EmH=EH， EmL=EL， DEm=EH - EL,所以滿足窗口比較器的特性，即,當(dāng)EmL Ui EmH時，輸出是低電平， uo=UOL,U-EH， U+=Ui,U- U+, 得 uo=UOH,VD1、VD2均導(dǎo)通: U- U+,U-U+, 得 uo=UOL,當(dāng)UiEmL 或Ui EmH時，輸出是高電平，uo=UOH,2019年7月13日星期六,28,2.用專用電壓比較器構(gòu)成的窗口比較器,圖6-9 用專用電壓比較器構(gòu)成的 窗口電壓比較器及其傳輸特性,須外接上拉電阻。,A1截止，A2導(dǎo)通， A2 輸出為低電平。,當(dāng)Ui EmL (EmH)時，,A1導(dǎo)通，A2截止， A1 輸出為低電平。,當(dāng)Ui EmH (EmL )時,當(dāng)EmL Ui EmH時，A1和A2均截止，輸出電平是由上拉負(fù)載電阻拉向高電平。,2019年7月13日星期六,29,3、采用絕對值變換器的窗口電壓比較器,圖6-10 采用絕對值變換器的窗口電壓比較器,2019年7月13日星期六,30,工作原理,首先分析A2工作狀態(tài)：A2輸出電平高低取決于相加點(diǎn)電流方向。,i0， uo = -UD;,i0，uo = +UD,A2相加點(diǎn)電流 i = i1+ i2 + i3+ i4,分三步分析：,(1)假設(shè) Um = 0, UB = 0,則 i3= 0，i4= 0，im= 0,當(dāng)ui0時，,當(dāng)ui0時，,所以,i = i1+ i2 = -(ui/R)0,i = i1= (ui/R)0,2019年7月13日星期六,31,圖6-11 絕對值變換器i-ui和ui-uo變換特性,(2)假設(shè) Um 0, UB = 0,則 im 0，i4= 0,所以 i = i1+ i2 + i3,2019年7月13日星期六,32,(3)當(dāng)Um 0, UB 0時,當(dāng)i= 0 時，由上式可得,所以，窗口寬度為UB，中心電平為Um。顯然，只要分別調(diào)節(jié)UB和Um ，即可分別調(diào)節(jié)窗口寬度和窗口中心電平。,2019年7月13日星期六,33,6.5 電壓比較器 的應(yīng)用舉例,1. 電壓比較器在時延 產(chǎn)生電路中應(yīng)用,圖6-12 時延產(chǎn)生電路,2019年7月13日星期六,34,圖6-13 時間波形圖,這三個 比較器 反相輸 入端根 據(jù)時延 大小要 求加相 應(yīng)基準(zhǔn) 電壓。,2019年7月13日星期六,35,2.電壓比較器在精密壓控振蕩器中的應(yīng)用,圖6-14 精密壓控振蕩器電路,由JO734電壓比較器和集成運(yùn)放組成的積分器構(gòu) 成的