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(duì)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(duì)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(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，,當(dāng)ui 0時(shí)，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(jí)管檢波器的輸入輸出特性,以正弦輸入電壓為例 可畫(huà)出輸入電壓、輸出電壓的波形圖。,圖3-3 輸入為正弦時(shí) 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(shí)，i10時(shí)，,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(hào)檢波能力 。,有一個(gè)很小輸入電壓變化，,當(dāng)ui u_時(shí)，i10時(shí)，,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(duì)值檢波電路,1.反相型絕對(duì)值檢波電路,圖3-4 反相型絕對(duì)值檢波電路,2019年7月13日星期六,7,工作原理,當(dāng)ui0時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2 截止，由u_=u+=0，uA=0,得輸出電壓為,0。,當(dāng)ui0時(shí)，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(mǎn)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3-5 反相型絕對(duì)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(duì)值檢波電路缺點(diǎn)是：輸入電阻較低。,圖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(lèi)似。,2019年7月13日星期六,10,2.增益可調(diào)的絕對(duì)值變換電路,圖3-7 可調(diào)增益絕對(duì)值變換電路,當(dāng)ui0時(shí)，A1輸出電壓uo0，則VD1止，VD2通，A1輸出端通過(guò)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(shí)，A1輸出壓uo0，則VD1通，VD2截止，A1輸出端通過(guò)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(mǎn)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(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。,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(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(kāi)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(wú)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。,2019年7月13日星期六,15,鑒別靈敏度又稱(chēng)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。,2019年7月13日星期六,16,電壓比較器的輸出數(shù)字信號(hào)一般用以帶動(dòng)門(mén)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： 輸出電阻Ro； 輸出高電平時(shí)的漏電流IOR； 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)。,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(shí)，uO=UOL；,當(dāng)UiEm時(shí)，uO=UOH。,外加門(mén)限電位Em,這種特性稱(chēng)為上行特性,2019年7月13日星期六,18,外加一個(gè)門(mén)限電位Em,當(dāng)UiEm時(shí)，uO=UOL；,當(dāng)UiEm時(shí)，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(chēng)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(shí)，,當(dāng)UiEm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；,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(chēng)回差電壓比較器。,1. 輸入輸出特性,有兩個(gè)門(mén)限電位，數(shù)值大EmH叫上門(mén)限電位，數(shù)值小EmL叫下門(mén)限電位，兩者之差叫門(mén)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(shí)加速比較器轉(zhuǎn)換過(guò)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(xiě)出u+，u_的表達(dá)式,(3)求出門(mén)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(mén)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(huà)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(lái)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(chēng)為下門(mén)限電位EmL， 較大一個(gè)電位稱(chēng)為上門(mén)限電位EmH， 二者之差稱(chēng)為門(mén)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(chēng)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(shí): 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(shí): VD1止，VD2通,ELUiEH時(shí):,由此可見(jiàn) EmH=EH， EmL=EL， DEm=EH - EL,所以滿(mǎn)足窗口比較器的特性，即,當(dāng)EmL Ui EmH時(shí)，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(shí)，輸出是高電平，uo=UOH,2019年7月13日星期六,28,2.用專(zhuān)用電壓比較器構(gòu)成的窗口比較器,圖6-9 用專(zhuān)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(shí)，,A1導(dǎo)通，A2截止， A1 輸出為低電平。,當(dāng)Ui EmH (EmL )時(shí),當(dāng)EmL Ui EmH時(shí)，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(duì)值變換器的窗口電壓比較器,圖6-10 采用絕對(duì)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(shí)，,當(dāng)ui0時(shí)，,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(duì)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(shí),當(dāng)i= 0 時(shí)，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(shí)延 產(chǎn)生電路中應(yīng)用,圖6-12 時(shí)延產(chǎn)生電路,2019年7月13日星期六,34,圖6-13 時(shí)間波形圖,這三個(gè) 比較器 反相輸 入端根 據(jù)時(shí)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