模擬集成電路的非線性應(yīng)用

第3章模擬集成電路的非線性應(yīng)用3.1對(duì)數(shù)器和指數(shù)器3.2乘法器及其應(yīng)用3.3二極管檢波器和絕對(duì)值變換器3.4限幅器3.5二極管函數(shù)變換器3.6電壓比較器及其應(yīng)用2/4/20231集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.1對(duì)數(shù)器和指數(shù)器

3.1.1對(duì)數(shù)器3.1.2指數(shù)器3.1.3集成化的對(duì)數(shù)器和指數(shù)器2/4/20232集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.1對(duì)數(shù)器和指數(shù)器對(duì)數(shù)器是實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓成對(duì)數(shù)關(guān)系的非線性模擬電路。1.PN結(jié)的伏安特性IdPN結(jié)的正向?qū)娏鱅SPN結(jié)的反向飽和電流，它隨溫度變化q電子電荷量，q=1.602×10-19Ck玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/oCT絕對(duì)溫度

t=25oC時(shí)，Ud＞100mV

2/4/20233集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.二極管對(duì)數(shù)放大器由得輸出電壓為式中，當(dāng)

t=25oC時(shí)，UT≈59mV。圖3-1-2二極管對(duì)數(shù)器的傳輸特性圖3-1-1二極管對(duì)數(shù)器Uk=RIS2/4/20234集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.三極管對(duì)數(shù)放大器圖3-1-3三極管對(duì)數(shù)放大電路在理想運(yùn)放的條件下輸出電壓為采用三極管作變換元件，可實(shí)現(xiàn)5～6個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍，而采用二極管可實(shí)現(xiàn)3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。二極管和三極管對(duì)數(shù)器明顯缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差。

2/4/20235集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院4.溫度補(bǔ)償對(duì)數(shù)器的實(shí)際電路圖3-1-4補(bǔ)償對(duì)放大器的實(shí)際電路輸出電壓為2/4/20236集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.1.2指數(shù)器由Uo=-IeR

和得輸出電壓為式中，當(dāng)t=25oC

時(shí)，

1.基本指數(shù)器圖3-1-5基本指數(shù)器圖3-1-6指數(shù)器的傳輸特性2/4/20237集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)用指數(shù)器圖3-1-7具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)用精密指數(shù)器2/4/20238集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院VT2

的集電極電流為在ui＜0時(shí)設(shè)得輸出電壓

選正溫度系數(shù)的RT，可對(duì)環(huán)境溫度引起的變化進(jìn)行補(bǔ)償。2/4/20239集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.1.3集成化的對(duì)數(shù)器和指數(shù)器圖3-1-88048型集成化對(duì)數(shù)放大器2/4/202310集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-1-98049型集成化指數(shù)器2/4/202311集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.2乘法器及其應(yīng)用3.2.1乘法器的基礎(chǔ)知識(shí)3.2.2乘法器的工作原理3.2.3模擬乘法器的應(yīng)用電路2/4/202312集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.2.1乘法器的基礎(chǔ)知識(shí)1.乘法器乘法器具有兩個(gè)輸入端（通常稱為X輸入端和Y輸入端）和一個(gè)輸出端（通常稱為Z輸出端）。圖3-2-1乘法器的符號(hào)輸出特性方程為或Z=KXYK為增益系數(shù)或標(biāo)度因子，單位為V-1。uo

(t)=Kux(t)uy(t)2/4/202313集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-2-2乘法器的工作象限2.乘法器的工作象限乘法器有四個(gè)工作區(qū)，它兩個(gè)輸入電壓極性來確定。兩個(gè)輸入端只能適應(yīng)單一極性乘法器稱為單象限乘法器。如果一個(gè)輸入端適應(yīng)正、負(fù)兩種極性，另一輸入端只能適應(yīng)單一極性乘法器稱為二象限乘法器。如果兩個(gè)輸入端均能適應(yīng)正、負(fù)極性的乘法器稱為四象限乘法器。2/4/202314集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.乘法器的基本性質(zhì)（1）乘法器的靜態(tài)特性①X=0時(shí)，Y為任意值，則輸出Z=0；Y=0時(shí)，X為任意值，則輸出Z=0。②當(dāng)X等于某一常數(shù)時(shí)，輸出Z與Y成正比，Z與Y的關(guān)系曲線稱為四象限輸出特性。③當(dāng)輸入幅值相等時(shí)，即X=Y或X=－Y，輸出與輸入的關(guān)系曲線稱為平方率輸出特性。圖3-2-3理想乘法器四象限輸出特性2/4/202315集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-2-4理想乘法器平方律輸出特性(2)乘法器的線性和非線性通常認(rèn)為乘法器是一種非線性器件。乘法器不能應(yīng)用線性系統(tǒng)中的疊加原理，但是乘法器在一定條件下，又是線性器件，例如：一個(gè)輸入電壓為恒定值時(shí)，即X=常數(shù)，Y=V1+V2，則有式中理想乘法器屬于非線性器件還是線性器件取決于兩個(gè)輸入電壓的性質(zhì)，在這里“線性”的含義僅僅是非線性本質(zhì)的特殊情況。2/4/202316集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.2.2乘法器的工作原理模擬乘法器有多種方法能實(shí)現(xiàn)，有對(duì)數(shù)—指數(shù)相乘法、四分之一平方相乘法、三角波平均相乘法、時(shí)間分割相乘法和變跨導(dǎo)相乘法等。其中變跨導(dǎo)乘法器便于集成，內(nèi)部元件有較高的溫度穩(wěn)定性和運(yùn)算精度，且運(yùn)算速度較高，它的-3dB頻率可達(dá)10MHz以上。2/4/202317集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院式中，

io—輸出電流，ui—輸入電壓，gm—跨導(dǎo)或稱為OTA的增益。

OTA的傳輸特性可表示為

io=gmui1.跨導(dǎo)型集成運(yùn)放簡(jiǎn)介跨導(dǎo)型集成運(yùn)放(OperationalTransconductanceAmplifier縮寫為OTA)與一般集成運(yùn)放區(qū)別是，具有一個(gè)以偏置電流注入形式出現(xiàn)附加控制輸入端，這使OTA特性及應(yīng)用更加靈活；這種器件的輸出不是一般集成運(yùn)放中輸出電阻趨于零電壓源，而是具有極高輸出電阻的電流源表示。2/4/202318集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.單片集成OTA電路CA3038圖3-2-5CA3038的內(nèi)部電路即乘法器基本工作原理Ic

=I4=i1+i2io

=i8–i10=i1–

i22/4/202319集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院輸出電流為電壓增益為在傳輸特性線性區(qū)，常溫時(shí)調(diào)整Ic，即可改變gm，故稱為可變跨導(dǎo)型。圖3-2-6CA3038

的傳輸特性2/4/202320集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.F3038的主要性能指標(biāo)參數(shù)名稱典型值單位輸入失調(diào)電壓0.4mV輸入失調(diào)電流0.12Agm9.6mS峰值輸出電壓RL=+13.5－14.4V電源電流1mA功耗30mW共模擬制比110dB峰值輸出電流RL=0500A共模輸入電壓+13.6－14.6V輸入電阻26k在室溫25C，電源電壓±15V及IC=500A

的條件下。2/4/202321集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.2.3模擬乘法器的應(yīng)用電路1.平衡調(diào)幅器圖3-2-7平衡調(diào)幅器的組成方框圖設(shè)載波信號(hào)ux(t)=Uxm

coswct

V為大信號(hào)使相應(yīng)晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)函數(shù)為sX(t)，對(duì)sX(t)進(jìn)行傅立葉分解，表達(dá)式可寫為：調(diào)制信號(hào)uy(t)=UWm

cosWt

V為小信號(hào)。2/4/202322集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院得乘法器輸出電壓為式中，Rc、RY是乘法器集成電路的內(nèi)部電阻，其中RY是反饋電阻，Rc

是集電極負(fù)載電阻。經(jīng)濾波器濾除載波的諧波組合后，輸出電壓為AF為帶通濾波器傳輸系數(shù)2/4/202323集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-2-8平衡調(diào)幅的波形圖輸出電壓中僅有上下邊頻分量不存在載頻c分量，所以這種調(diào)制稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)制，又稱平衡調(diào)制。

2/4/202324集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院調(diào)制信號(hào)為1.6kHz，載波信號(hào)為40kHz。14腳輸出抑制載波雙邊帶信號(hào)。利用X失調(diào)電位器RX，使輸出產(chǎn)生載頻c信號(hào)，則可得到普通調(diào)幅波，調(diào)RX

可用于改變調(diào)幅度。圖3-2-9平衡調(diào)幅器2/4/202325集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.乘積檢波器用模擬乘法器組成的檢波電路稱為乘積檢波器，主要用于抑制載波的雙邊帶或單邊帶信號(hào)的解調(diào)。

如輸入模擬乘法器的是抑制載波雙邊帶信號(hào)，即另一端輸入與載波同頻同相的高頻信號(hào)，即相乘后為2/4/202326集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得低頻電壓輸出為式中，K為乘法器標(biāo)度因子，AF為帶通濾波器的傳輸系數(shù)。圖3-2-10用乘法器解調(diào)的方框圖2/4/202327集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-2-11MC1595構(gòu)成的乘積檢波器2/4/202328集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院設(shè)得乘法器輸出電壓為調(diào)制低頻信號(hào)為2/4/202329集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.鑒頻器圖3-2-12用乘法器構(gòu)成鑒頻器的方框圖電壓傳輸系數(shù)為式中在f0附近得

2/4/202330集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院在±0.5（即±30o）范圍內(nèi)，故得到此式表示能完成線性頻相轉(zhuǎn)換。

圖3-2-14頻相轉(zhuǎn)移的網(wǎng)絡(luò)的相頻特性圖3-2-13頻相轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)

2/4/202331集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖中，經(jīng)放大后的調(diào)頻信號(hào)uY(t)

加到乘法器的一個(gè)輸入端，同時(shí)uY(t)又經(jīng)線性頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生uX(t)

加到乘法器的另一個(gè)輸入端。乘法器完成鑒相功能。

當(dāng)兩路輸入均為大信號(hào)時(shí)，乘法器具有三角形鑒相特性，線性鑒相范圍可達(dá)±(/2)。調(diào)頻波的解調(diào)輸出為Kd—鑒相靈敏度，f—調(diào)頻波瞬時(shí)頻率。Kf

=Kd

QDff

=(f–f0

),2/4/202332集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-2-15用MC1595構(gòu)成的鑒頻器2/4/202333集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院4.混頻器圖3-2-16雙平衡混頻器2/4/202334集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.3二極管檢波器和絕對(duì)值變換器3.3.1二極管檢波器3.3.2絕對(duì)值檢波電路2/4/202335集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.3.1二極管檢波器1.理想二極管檢波器圖3-3-1理想二極管檢波電路工作原理：當(dāng)ui＞0時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，當(dāng)ui

＜0時(shí)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，＞0，2/4/202336集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-3-2理想二級(jí)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3-3-3輸入為正弦時(shí)的ui，uo波形圖2/4/202337集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院分析由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(shí)，i1＞0時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止。

2/4/202338集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院式中有線性檢波死區(qū)限制最小輸入信號(hào)檢波能力。有一個(gè)很小輸入電壓變化，當(dāng)ui

＜u_時(shí)，i1＜0時(shí)，輸出電壓為得輸出電壓

由i1＜0，VD1截止，VD2導(dǎo)通。

為反饋系數(shù)，

2/4/202339集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.3.2絕對(duì)值檢波電路1.反相型絕對(duì)值檢波電路圖3-3-4

反相型絕對(duì)值檢波電路2/4/202340集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院工作原理當(dāng)ui＜0時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2

截止，由u_=u+=0，uA=0得輸出電壓為＞0。當(dāng)ui＞0時(shí)，VD1截止，VD2導(dǎo)通，得輸出電壓為2/4/202341集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院當(dāng)滿足電阻匹配條件：R3R2=2R1R4，例如選取

R1=R3，R4=0.5R2時(shí)，得＞0不論輸入電壓ui極性如何，uo

總為正值:當(dāng)取R5=R2時(shí)圖3-3-5反相型絕對(duì)值檢波器的傳輸特性即uo

=|ui

|2/4/202342集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院反相型絕對(duì)值檢波電路缺點(diǎn)是：輸入電阻較低。圖3-3-6同相型絕對(duì)值電路當(dāng)要求輸入電阻較高時(shí)，可采用同相型電路：同相型絕對(duì)值檢波電路工作原理與反相型絕對(duì)值檢波電路工作原理的分析方法類似。2/4/202343集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.增益可調(diào)的絕對(duì)值變換電路圖3-3-7可調(diào)增益絕對(duì)值變換電路當(dāng)ui＞0時(shí)，A1輸出電壓uo＞0，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－=uiA2

在u－和uo的作用下，VD3通，VD4止。＞0u－端為虛地，R1為uo的負(fù)載：2/4/202344集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院當(dāng)ui＜0時(shí)，A1輸出壓uo＜0，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u－＜0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2/4/202345集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院從圖中可以看出電位器(1－m)R上電流為當(dāng)m0或m1時(shí)，均會(huì)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(gè)電阻。此絕對(duì)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。2/4/202346集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.4限幅器3.4.1二極管并聯(lián)式限幅器3.4.2二極管串聯(lián)式限幅器2/4/202347集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.4.1二極管并聯(lián)式限幅器1.二極管并聯(lián)式限幅器的工作原理圖3-4-1二極管并聯(lián)式限幅器當(dāng)ui低于某一門限電壓，即VD截止時(shí)：ui＜UimuA＜(Uref

+UD)

2/4/202348集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院限幅器為反相器，其輸出電壓為傳輸特性的斜率為當(dāng)ui≥Uim

，即VD導(dǎo)通時(shí)，UA被箝位在(Uref+UD)

電平上，這時(shí)限幅器的輸出電壓不再隨ui變化，其輸出電壓為

圖3-4-2二極管并聯(lián)式限幅器的傳輸特性2/4/202349集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.實(shí)際應(yīng)用的二極管并聯(lián)式限幅器圖3-4-3實(shí)際應(yīng)用的二極管并聯(lián)式限幅器門限電壓為輸出電壓為由以下兩式可知，由于兩個(gè)三極管結(jié)壓降互相抵消，所以實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。2/4/202350集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-4-4雙向限幅器的傳輸特性如果在輸入端采用這兩種輸入限幅方法，便可得到雙向限幅器。如果將參考電壓改變方向，二極管改變方向，便可實(shí)現(xiàn)第二象限內(nèi)傳輸特性。2/4/202351集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.4.2二極管串聯(lián)式限幅器工作原理圖3-4-5二極管串聯(lián)式限幅器當(dāng)uA<uD時(shí)，即所以當(dāng)輸入電壓低于某一門限電壓時(shí)，可得:VD截止，IR1=IR22/4/202352集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院這時(shí)uA<uD

，二極管截止，其輸出電壓uo=0。圖3-4-6二極管串聯(lián)限幅器的傳輸特性缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性較差，尤其是當(dāng)R1>>R2

時(shí)，溫度穩(wěn)定性更差。當(dāng)輸入電壓等于或高于輸入門限電壓時(shí)，VD導(dǎo)通，輸出電壓為2/4/202353集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院在以上限幅電路的基礎(chǔ)上，如果將參考電壓改變方向，二極管改變方向，便可實(shí)現(xiàn)第二象限內(nèi)的傳輸特性。如果在輸入端采用這兩種輸入限幅方法，便可得到區(qū)間限幅器。圖3-4-7二極管區(qū)間限幅器圖3-4-8區(qū)間限幅器的傳輸特性2/4/202354集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.線性檢波限幅器圖3-4-9線性檢波限幅器當(dāng)iS

>0，即

ui

>時(shí)，VD2截止，VD1導(dǎo)通。

輸出電壓

ui＜時(shí)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，輸出電壓uo

＜0。當(dāng)iS

＜0，即

限幅特性見下頁(yè)圖2/4/202355集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-4-10線性檢波限幅器的限幅特性門限電壓為在下圖中此限幅器的優(yōu)點(diǎn)是具有穩(wěn)定的傳輸特性。如果將兩個(gè)二極管VD1、VD2同時(shí)改變方向，參考電壓也改變方向，便可得到第二象限內(nèi)限幅特性。2/4/202356集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.5二極管函數(shù)變換器3.5.1串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器3.5.2并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器3.5.3線性檢波型二極管函數(shù)變換器2/4/202357集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.5.1串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器圖3-5-1串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器VD1限幅電路：VD3限幅電路：各串聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為2/4/202358集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院各串聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為VD2限幅電路：VD4限幅電路：圖3-5-1串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器2/4/202359集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院假設(shè)Uim4＜Uim2＜Uim1＜Uim3，則二極管函數(shù)變換器不同門限電壓范圍內(nèi)輸出電壓分別為：當(dāng)ui≤Uim4時(shí)，只有VD2、VD4導(dǎo)通，輸出電壓為

當(dāng)Uim4

＜

ui≤Uim2時(shí)，只有VD2導(dǎo)通，輸出電壓為

當(dāng)Uim2

＜

ui

＜Uim1

時(shí)，VD1～VD4均截止，2/4/202360集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院當(dāng)Uim1≤

ui＜Uim3時(shí)，只有VD1導(dǎo)通，輸出電壓為

當(dāng)ui≥Uim3時(shí)，只有VD1、VD3導(dǎo)通，輸出電壓為

圖3-5-2串聯(lián)限幅二極管函數(shù)變換器的限幅特性2/4/202361集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.5.2并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器圖3-5-3并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器各并聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為VD1限幅電路：VD3限幅電路：VD2限幅電路：VD4限幅電路：2/4/202362集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院假設(shè)Uim4＜Uim2＜Uim1＜Uim3，則二極管函數(shù)變換器不同門限電壓范圍內(nèi)輸出電壓分別為:當(dāng)ui≤Uim4時(shí)，只有VD2、VD4導(dǎo)通，輸出電壓為

當(dāng)Uim4

＜

ui≤Uim2時(shí)，只有VD2導(dǎo)通，輸出電壓為

2/4/202363集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院當(dāng)Uim2＜

ui

＜Uim1

時(shí)，VD1～VD4均截止，當(dāng)Uim1

≤

ui＜Uim3時(shí)，只有VD1導(dǎo)通，輸出電壓為

當(dāng)ui≥Uim3時(shí)，只有VD1、VD3導(dǎo)通，輸出電壓為

輸出電壓為2/4/202364集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院圖3-5-4并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器的限幅特性并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器輸出電壓的變化率是隨輸入電壓增大而減小。2/4/202365集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.5.3線性檢波型二極管函數(shù)變換器圖3-5-5線性檢波型二極管檢波變換器2/4/202366集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院每個(gè)線性檢波電路的轉(zhuǎn)折電壓分別為

假設(shè)Uim4＜Uim2＜Uim1＜Uim3，當(dāng)輸入電壓在不同范圍時(shí)，各線性檢波器的輸出電壓有以下幾種情況：由A3引起的輸出：當(dāng)ui＜Uim3，uo3=0當(dāng)ui≥Uim3，

由A2引起的輸出：當(dāng)ui＞Uim2，uo2=0當(dāng)ui≤Uim2，

2/4/202367集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院由A3引起的輸出：當(dāng)ui＜Uim3，uo3=0當(dāng)ui≥Uim3，

由A4引起的輸出：當(dāng)ui＞Uim4，uo4=0當(dāng)ui≤Uim4，

輸入電壓ui通過電阻R0引起的輸出電壓為將上述各分量求和，則可得出總的輸出電壓為由上述分析結(jié)果，可按輸入電壓在不同的轉(zhuǎn)折電壓范圍內(nèi)得出總輸出電壓分別為:2/4/202368集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院當(dāng)ui≤Uim4時(shí)，uo1、uo3均為零，輸出電壓為

當(dāng)Uim4

＜

ui≤Uim2時(shí)，uo1、uo3

、uo4均為零，則

當(dāng)Uim2＜ui＜Uim1時(shí)，uo1、uo2、uo3、uo4均為零則2/4/202369集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院當(dāng)Uim1≤

ui＜Uim3時(shí)，uo2、uo3、uo4均為零，則當(dāng)ui≥Uim3時(shí)，uo2

、uo4均為零，則可得線性檢波型二極管函數(shù)變換器的函數(shù)變換特性曲線。2/4/202370集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院綜上所述，設(shè)計(jì)二極管函數(shù)變換器步驟如下：②由函數(shù)關(guān)系表達(dá)式uo=f(ui)

確定每段折線的轉(zhuǎn)折電壓和折線的斜率。圖3-5-6線性檢波型二極管檢波變換器的限幅特性①用折線段來逼近已知函數(shù)；③根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)折電壓和斜率的要求設(shè)計(jì)每個(gè)線性檢波器電路的參數(shù)。2/4/202371集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.6電壓比較器及其應(yīng)用3.6.1電壓比較器的性能3.6.2單限電壓比較器3.6.3遲滯電壓比較器3.6.4窗口電壓比較器3.6.5電壓比較器的應(yīng)用舉例2/4/202372集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.6.1電壓比較器的性能1.一般運(yùn)放在使用時(shí)，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(shí)，集成運(yùn)放應(yīng)處在開環(huán)工作狀態(tài)。3.對(duì)于集成電壓比較器性能要求，輸入級(jí)與一般集成運(yùn)放相同，而輸出級(jí)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(shí)間。2/4/202373集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院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(hào)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(shí)所需時(shí)間的長(zhǎng)短（兩者所需時(shí)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。2/4/202374集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院電壓比較器的輸出數(shù)字信號(hào)一般用以帶動(dòng)門電路，因此帶動(dòng)負(fù)載能力的大小也是評(píng)價(jià)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：

①輸出電阻Ro；

②輸出高電平時(shí)的漏電流IOR；

③輸出端吸入電流Isink

。

Ro和IOR

越小，Isink

越大，則帶動(dòng)負(fù)載的能力就越強(qiáng)。2/4/202375集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.6.2單限電壓比較器1.基本電路和輸入輸出特性圖3-6-1具有上行特性的單限電壓比較器及其輸入輸出特性當(dāng)Ui＜Em時(shí)，uO=UOL；

當(dāng)Ui＞Em時(shí)，uO=UOH。

外加門限電位Em這種特性稱為上行特性

2/4/202376集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院外加一個(gè)門限電位Em當(dāng)Ui＞Em時(shí)，uO=UOL；

當(dāng)Ui＜Em時(shí)，uO=UOH。

圖3-6-2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。

2/4/202377集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器圖3-6-3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)Ui＜Em時(shí)，當(dāng)Ui＞Em時(shí)，uO=UOH=Em

。

輸出也可以采用箝位，這時(shí)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；

2/4/202378集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.任意電平比較器Ui＜Em，uO=UOH=Em

Ui＞Em，uO=UOL=-UD

當(dāng)If=I1+Ir＞0,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3-6-4任意電平的單限比較器及其輸入輸出特性2/4/202379集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.6.3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(gè)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3-6-5遲滯電壓比較器的輸入輸出特性2/4/202380集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院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(shí)加速比較器轉(zhuǎn)換過程。圖3-6-6具有下行特性的遲滯電壓比較器及其傳輸特性2/4/202381集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院分析步驟如下(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UOuo=±UZUOH=UZ，UOL=-UZu-=ui2/4/202382集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院假設(shè)u+=u-，求出ui的值即為門限電位。

較大的一個(gè)即為

EmH

，較小的一個(gè)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。2/4/202383集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院3.6.4窗口電壓比較器用來判斷輸入信號(hào)ui是否位于兩個(gè)指定電位之間。較小一個(gè)電位稱為下門限電位EmL，較大一個(gè)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(shí)，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(shí)，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。2/4/202384集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院1.用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的窗口比較器圖3-6-8用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的窗口比較器及其傳輸特性工作原理EH?EL＞2UD

ui≤EL時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止U-≈Ui，U+=Ui即

U+＜

U-，得uo=UOH2/4/202385集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院ui≥EH時(shí)，VD1止，VD2通EL＜Ui＜EH時(shí)，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(shí)，輸出是低電平，

uo=UOLU-≈EH，U+=UiU-＜

U+,得uo=UOHVD1、VD2均導(dǎo)通U-

＞U+

U-＞U+,得uo=UOL當(dāng)Ui＜EmL

或Ui

＞EmH時(shí)，輸出是高電平，uo=UOH2/4/202386集成電路原理及應(yīng)用能源工程學(xué)院2.用專用電壓比較器構(gòu)成的窗口比較器圖3-6-9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

＜E