第3章 模擬集成電路的非線性應(yīng)用

1、2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院1第第3章章 模擬集成電路的非線性應(yīng)用模擬集成電路的非線性應(yīng)用3.1 對數(shù)器和指數(shù)器對數(shù)器和指數(shù)器3.2 乘法器及其應(yīng)用乘法器及其應(yīng)用3.3 二極管檢波器和絕對值變換器二極管檢波器和絕對值變換器3.4 限幅器限幅器3.5 二極管函數(shù)變換器二極管函數(shù)變換器3.6 電壓比較器及其應(yīng)用電壓比較器及其應(yīng)用2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院23.1 對數(shù)器和指數(shù)器對數(shù)器和指數(shù)器 3.1.1 對數(shù)器對數(shù)器3.1.2 指數(shù)器指數(shù)器3.1.3 集成化的對數(shù)器和指數(shù)器集成化的對數(shù)器和指數(shù)器2022-5-27集成

2、電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院33.1 對數(shù)器和指數(shù)器對數(shù)器和指數(shù)器 對數(shù)器對數(shù)器是實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓成是實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓成對數(shù)關(guān)系的非線性模擬電路。對數(shù)關(guān)系的非線性模擬電路。 1.PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性) 1(edSdUkTqIIIdPN結(jié)的正向?qū)娏鹘Y(jié)的正向?qū)娏鱅SPN結(jié)的反向飽和電流，它隨溫度變化結(jié)的反向飽和電流，它隨溫度變化 q電子電荷量，電子電荷量，q = 1.602 10-19 C k玻爾茲曼常數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)，k = 1.38 10-23 J/ C T絕對溫度絕對溫度 mV26 qkTt = 25 C 時(shí)，時(shí)，Ud100mV deSdUkTq

3、II 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院42. 二極管對數(shù)放大器二極管對數(shù)放大器doUuddSeqUkTII由由 得得輸出電壓輸出電壓為為 odUU 式中，式中， qkTU3 . 2T當(dāng)當(dāng) t=25 C 時(shí)，時(shí)，UT59mV。圖圖3-1-2 二極管對數(shù)器二極管對數(shù)器 的傳輸特性的傳輸特性圖圖3-1-1 二極管對數(shù)器二極管對數(shù)器iS2.3lg()UkTqRI iTklg()UUU Uk=RIS2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院53. 三極管對數(shù)放大器三極管對數(shù)放大器圖圖3-1-3 三極管對數(shù)放大電路三極管對數(shù)放大電路在理想運(yùn)放的

4、條件下在理想運(yùn)放的條件下 beeSEcUkTqIII輸出電壓輸出電壓為為 iobeS2.3lg()UkTUUqRI 采用三極管作變換元件，可實(shí)現(xiàn)采用三極管作變換元件，可實(shí)現(xiàn)56個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范圍，而采用二極管可實(shí)現(xiàn)圍，而采用二極管可實(shí)現(xiàn)34個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范圍。個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范圍。 二極管和三極管對數(shù)器明顯缺點(diǎn)是二極管和三極管對數(shù)器明顯缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差。溫度穩(wěn)定性差。 iSlg()TUURI 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院64. 溫度補(bǔ)償對數(shù)器的實(shí)際電路溫度補(bǔ)償對數(shù)器的實(shí)際電路圖3-1-4 補(bǔ)償對放大器的實(shí)際電路補(bǔ)償對放大器的實(shí)際電路輸出電

5、壓輸出電壓為為 )ln()1 (cc1i543oVRURqkTRRU2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院73.1.2 指數(shù)器指數(shù)器beeSeUkTqII 由由 UoIeR 和和得得輸出電壓輸出電壓為為 ibeeeSSeoUkTqUkTqRIRIRIU式中，式中，當(dāng)當(dāng) t = 25 C 時(shí)，時(shí)， qkTU3 . 2T1.基本指數(shù)器基本指數(shù)器圖圖3-1-5 基本指數(shù)器基本指數(shù)器圖圖3-1-6 指數(shù)器的傳輸特性指數(shù)器的傳輸特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院82.具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)用指數(shù)器具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)用指數(shù)器圖圖3-1-7 具有溫

6、度補(bǔ)償?shù)膶?shí)用精密指數(shù)器具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)用精密指數(shù)器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院9VT2 的集電極電流為的集電極電流為在在ui0時(shí)時(shí)RTiO1Tln()c2oeIRqkTukTqIRRII設(shè)設(shè) 7 .161T1T RRRmV261kTqi10Rc2uII得得 輸出電壓輸出電壓 i105R5c2ouRIRIu選正溫度系數(shù)的選正溫度系數(shù)的RT，可對環(huán)境溫，可對環(huán)境溫度引起的變化進(jìn)度引起的變化進(jìn)行補(bǔ)償。行補(bǔ)償。RTo1Tln()()oeeiIRquIkT RRITi1T()ReRqukT RRIBE2eoc2UkTqIIi1TToRbe2)ln(uRRRIIqk

7、TU2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院103.1.3 集成化的對數(shù)器和指數(shù)器集成化的對數(shù)器和指數(shù)器圖圖3-1-8 8048型集成化對數(shù)放大器型集成化對數(shù)放大器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院11圖圖3-1-9 8049型集成化指數(shù)器型集成化指數(shù)器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院123.2 乘法器及其應(yīng)用乘法器及其應(yīng)用3.2.1 乘法器的基礎(chǔ)知識乘法器的基礎(chǔ)知識3.2.2 乘法器的工作原理乘法器的工作原理3.2.3 模擬乘法器的應(yīng)用電路模擬乘法器的應(yīng)用電路2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用

8、 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院133.2.1 乘法器的基礎(chǔ)知識乘法器的基礎(chǔ)知識1.乘法器乘法器乘法器乘法器具有兩個(gè)輸入端（通常稱為具有兩個(gè)輸入端（通常稱為X輸入端和輸入端和Y輸入端）和一個(gè)輸出端（通常稱為輸入端）和一個(gè)輸出端（通常稱為Z輸出端）。輸出端）。 圖圖3-2-1 乘法器的符號乘法器的符號輸出特性輸出特性方程為方程為 或或 Z = KXY K為增益系數(shù)或標(biāo)為增益系數(shù)或標(biāo)度因子，單位為度因子，單位為V-1。 uo (t) Kux(t) uy(t) 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院14圖圖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

9、限乘法器的工作象限 乘法器有四個(gè)工作區(qū)，它兩個(gè)乘法器有四個(gè)工作區(qū)，它兩個(gè)輸入電壓極性來確定。輸入電壓極性來確定。 兩個(gè)輸入端只能適應(yīng)單一極性兩個(gè)輸入端只能適應(yīng)單一極性乘法器稱為乘法器稱為單象限乘法器單象限乘法器。 如果一個(gè)輸入端適應(yīng)正、負(fù)兩如果一個(gè)輸入端適應(yīng)正、負(fù)兩種極性，另一輸入端只能適應(yīng)種極性，另一輸入端只能適應(yīng)單一極性乘法器稱為單一極性乘法器稱為二象限乘二象限乘法器法器。 如果兩個(gè)輸入端均能適應(yīng)正、負(fù)極性的乘如果兩個(gè)輸入端均能適應(yīng)正、負(fù)極性的乘法器稱為法器稱為四象限乘法器。四象限乘法器。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院153.乘法器的基本性質(zhì)乘法器的基

10、本性質(zhì)（1）乘法器的）乘法器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性X = 0時(shí)，時(shí)，Y為任意值，為任意值，則輸出則輸出Z = 0；Y = 0時(shí)，時(shí)，X為任意值，則輸出為任意值，則輸出Z = 0。當(dāng)當(dāng) X 等于某一常數(shù)時(shí)，等于某一常數(shù)時(shí)，輸出輸出Z與與Y 成正比，成正比，Z與與Y的關(guān)系曲線稱為的關(guān)系曲線稱為四象四象限輸出特性限輸出特性。 當(dāng)輸入幅值相等時(shí)，即當(dāng)輸入幅值相等時(shí)，即X = Y或或X = Y，輸出與輸入的關(guān)系曲線稱為輸出與輸入的關(guān)系曲線稱為平方率輸出特性。平方率輸出特性。 圖圖3-2-3 理想乘法器理想乘法器 四象限輸出特性四象限輸出特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院

11、16圖圖3-2-4 理想乘法器理想乘法器 平方律輸出特性平方律輸出特性(2) 乘法器的線性和非線性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，但是乘法器在一定的疊加原理，但是乘法器在一定條件下，又是線性器件，例如：條件下，又是線性器件，例如：一個(gè)輸入電壓為恒定值時(shí)，即一個(gè)輸入電壓為恒定值時(shí)，即X= 常數(shù)，常數(shù)，Y = V1+V2，則有，則有2121)(VKVKVVKKXYZKXK 式中式中 理想乘法器屬于非線性器件還是線性器件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)，在這里取

12、決于兩個(gè)輸入電壓的性質(zhì)，在這里“線性線性”的含義僅僅是非線性本質(zhì)的特殊情況。的含義僅僅是非線性本質(zhì)的特殊情況。 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院173.2.2 乘法器的工作原理乘法器的工作原理 模擬乘法器有多種方法能實(shí)現(xiàn)，模擬乘法器有多種方法能實(shí)現(xiàn)，有對數(shù)有對數(shù)指數(shù)相指數(shù)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、時(shí)間分割相乘法和變跨導(dǎo)相乘法等。時(shí)間分割相乘法和變跨導(dǎo)相乘法等。 其中其中變跨導(dǎo)乘法器變跨導(dǎo)乘法器便于集成，內(nèi)部元件有較高便于集成，內(nèi)部元件有較高 的的溫度穩(wěn)定性和運(yùn)算精度，且運(yùn)算速度較高，溫度穩(wěn)定性和

13、運(yùn)算精度，且運(yùn)算速度較高， 它的它的 3dB頻率可達(dá)頻率可達(dá)10MHz以上。以上。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院18式中，式中， io輸出電流，輸出電流，ui輸入電壓，輸入電壓，gm跨導(dǎo)或稱為跨導(dǎo)或稱為OTA的增益。的增益。 OTA的的傳輸特性傳輸特性可表示為可表示為 io gmui1.跨導(dǎo)型集成運(yùn)放簡介跨導(dǎo)型集成運(yùn)放簡介跨導(dǎo)型集成運(yùn)放跨導(dǎo)型集成運(yùn)放(Operational Transconductance Amplifier 縮寫為縮寫為OTA)與一般集成運(yùn)放區(qū)別是，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)附加控制輸入具有一個(gè)以偏置電流注入形

14、式出現(xiàn)附加控制輸入端，這使端，這使OTA特性及應(yīng)用更加靈活；這種器件的特性及應(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，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。而是具有極高輸出電阻的電流源表示。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院192. 單片集成單片集成OTA電路電路CA3038圖圖3-2-5 CA3038的內(nèi)部電路的內(nèi)部電路即即 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(T21coUuuIi202

15、2-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院20輸出電流輸出電流為為icim21mo)2 .19()(uIuguugi電壓增益電壓增益為為LTcLm21Lo21oU2RUIRguuRiuuuA在傳輸特性線性區(qū)，在傳輸特性線性區(qū)， T21co2UuuIiTc21om2)d(dUIuuig常溫時(shí)常溫時(shí) 調(diào)整調(diào)整Ic，即可改變即可改變gm，故稱為故稱為可變跨導(dǎo)型可變跨導(dǎo)型。cc2 .19mV262IIgm圖圖3-2-6 CA3038 的傳輸特性的傳輸特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院213. F3038的主要性能指標(biāo)的主要性能指標(biāo)參參 數(shù)數(shù) 名

16、名 稱稱典典 型型 值值單單 位位輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓0.4mV輸入失調(diào)電流輸入失調(diào)電流0.12 Agm9.6mS峰值輸出電壓峰值輸出電壓RL = +13.514.4V電源電流電源電流1mA功耗功耗30mW共模擬制比共模擬制比110dB峰值輸出電流峰值輸出電流RL = 0500 A共模輸入電壓共模輸入電壓+13.614.6V輸入電阻輸入電阻26k 在室溫在室溫25 C，電源電壓，電源電壓15V及及IC = 500 A 的條件下。的條件下。 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院223.2.3 模擬乘法器的應(yīng)用電路模擬乘法器的應(yīng)用電路1.平衡調(diào)幅器平衡調(diào)幅器圖圖

17、3-2-7 平衡調(diào)幅器的組成方框圖平衡調(diào)幅器的組成方框圖設(shè)載波信號設(shè)載波信號 ux(t)=Uxm cosw wct V 為大信號為大信號 使相應(yīng)晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)函數(shù)為使相應(yīng)晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)函數(shù)為sX(t)，對對sX(t)進(jìn)行傅立葉分解，表達(dá)式可寫為：進(jìn)行傅立葉分解，表達(dá)式可寫為： ttttsXwww5cos543cos34cos4)(調(diào)制信號調(diào)制信號uy(t)=U m cos t V為小信號。為小信號。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院23得乘法器得乘法器輸出電壓輸出電壓為為c0XYY2( )( )( )Ru tstutR式中，式中，Rc、

18、RY是乘法器集成電路的內(nèi)部電阻，是乘法器集成電路的內(nèi)部電阻，其中其中RY 是反饋電阻，是反饋電阻，Rc 是集電極負(fù)載電阻。是集電極負(fù)載電阻。經(jīng)濾波器濾除載波的諧波組合后，經(jīng)濾波器濾除載波的諧波組合后，輸出電壓輸出電壓為為coFcY24( )coscosmRu tA UttRw AF為帶通濾波器傳輸系數(shù)為帶通濾波器傳輸系數(shù) cFccY4cos()cos() mR A UttRwwcXY2( )cosmRst UtR2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院24圖圖3-2-8 平衡調(diào)幅的波形圖平衡調(diào)幅的波形圖輸出電壓中僅有輸出電壓中僅有上下邊頻分量上下邊頻分量)(cw不存

19、在載頻不存在載頻w wc分量，分量，所以這種調(diào)制稱為所以這種調(diào)制稱為抑制載波的雙邊帶調(diào)制，抑制載波的雙邊帶調(diào)制，又稱又稱平衡調(diào)制。平衡調(diào)制。 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院25調(diào)制信號為調(diào)制信號為1.6kHz，載波信號為載波信號為40kHz。14腳輸出抑制載波腳輸出抑制載波雙邊帶信號。利用雙邊帶信號。利用X失調(diào)電位器失調(diào)電位器RX，使輸出產(chǎn)生載頻使輸出產(chǎn)生載頻w wc信號，則可得到普信號，則可得到普通調(diào)幅波，通調(diào)幅波，調(diào)調(diào)RX 可用于改變調(diào)幅度。可用于改變調(diào)幅度。圖圖3-2-9 平衡調(diào)幅器平衡調(diào)幅器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電

20、子工程學(xué)院262.乘積檢波器乘積檢波器用模擬乘法器組成的檢波電路稱為用模擬乘法器組成的檢波電路稱為乘積檢波器，乘積檢波器，主要用于抑制載波的雙邊帶或單邊帶信號的解調(diào)。主要用于抑制載波的雙邊帶或單邊帶信號的解調(diào)。 如輸入模擬乘法器的是抑制載波雙邊帶信號，即如輸入模擬乘法器的是抑制載波雙邊帶信號，即 ttUtucXmXcoscos)(w另一端輸入與載波同頻同相的高頻信號，即另一端輸入與載波同頻同相的高頻信號，即tUtucYmYcos)(w相乘后為相乘后為2oXYXmYmc( )coscosu tKu uKUUttw ttUKUtUKUcYmXmYmXm2coscos2cos2w2022-5-27集

21、成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院27經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，得得低頻電壓輸出低頻電壓輸出為為tAUKUtucos2)(FYmXmo式中，式中，K為乘法器標(biāo)度因子，為乘法器標(biāo)度因子，AF為帶通濾波器的傳輸系數(shù)為帶通濾波器的傳輸系數(shù) 。圖圖3-2-10 用乘法器解調(diào)的方框圖用乘法器解調(diào)的方框圖2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院28圖圖3-2-11 MC1595構(gòu)成的乘積檢波器構(gòu)成的乘積檢波器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院29設(shè)設(shè) ttmUucmYcos)cos1 (wtUucXmXc

22、osw得得乘法器輸出電壓乘法器輸出電壓為為ttmRRIUURuuRRIRuc2YX3mXmcYXYXOXco)coscos1 (22wttmRRIUURtmRRIUURcYX3mXmCYX3mXmc2)coscos1 ()cos1 (w調(diào)制低頻信號調(diào)制低頻信號為為 tmARRIUURtucos)(FYX3mXmc2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院303.鑒頻器鑒頻器圖圖3-2-12 用用乘法器乘法器構(gòu)成鑒頻器的方框圖構(gòu)成鑒頻器的方框圖電壓傳輸系數(shù)為電壓傳輸系數(shù)為 1)(j1j20121.2.UwwwQLCQUUA式中式中 )(1120CCLwLRQw在在f0附

23、近得附近得 20212U)2(1ffQLCQAw)2arctg(20ffQ2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院31)2arctg(0ffQ在在0.5（即（即30）范圍內(nèi)，）范圍內(nèi)， 002)2arctg(ffQffQ故得到故得到 022ffQ此式表示能完成此式表示能完成線性頻相轉(zhuǎn)換。線性頻相轉(zhuǎn)換。 圖圖3-2-14 頻相轉(zhuǎn)移頻相轉(zhuǎn)移的的 網(wǎng)絡(luò)的相頻特性網(wǎng)絡(luò)的相頻特性圖圖3-2-13 頻相轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)頻相轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò) 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院32 圖中，經(jīng)放大后的調(diào)頻信號圖中，經(jīng)放大后的調(diào)頻信號uY(t) 加到乘法器加到乘法器的

24、一個(gè)輸入端，同時(shí)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)又經(jīng)線性頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生產(chǎn)生uX(t) 加到乘法器的另一個(gè)輸入端。加到乘法器的另一個(gè)輸入端。乘法器完乘法器完成鑒相功能。成鑒相功能。 當(dāng)兩路輸入均為大信號時(shí)，當(dāng)兩路輸入均為大信號時(shí)，乘法器具有三角乘法器具有三角形鑒相特性形鑒相特性，線性鑒相范圍可達(dá)，線性鑒相范圍可達(dá)( /2)。 調(diào)頻波的解調(diào)輸出調(diào)頻波的解調(diào)輸出為為 00do)()(ffKffQKtufKd鑒相靈敏度，鑒相靈敏度，f 調(diào)頻波瞬時(shí)頻率。調(diào)頻波瞬時(shí)頻率。Kf Kd Q ff ( (f f0 ), ),2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院

25、33圖圖3-2-15 用用MC1595構(gòu)成的鑒頻器構(gòu)成的鑒頻器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院344.混頻器混頻器圖圖3-2-16 雙平衡混頻器雙平衡混頻器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院353.3 二極管檢波器和絕對值變換器二極管檢波器和絕對值變換器3.3.1 二極管檢波器二極管檢波器3.3.2 絕對值檢波電路絕對值檢波電路2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院363.3.1 二極管檢波器二極管檢波器1.理想二極管檢波器理想二極管檢波器圖圖3-3-1 理想二極管檢波電路理想二極管檢波電路工作

26、原理：工作原理： 當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截止，截止， DoUu0ouu當(dāng)當(dāng)ui 0時(shí)，時(shí)，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通， ou0 ， i12ouRRui12DoDouRRUuUu2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院37圖圖3-3-2 理想二級管檢理想二級管檢波器的輸入輸出特性波器的輸入輸出特性以正弦輸入電壓為例以正弦輸入電壓為例可畫出輸入電壓、輸出電壓的波形圖。可畫出輸入電壓、輸出電壓的波形圖。 圖圖3-3-3 輸入為正弦時(shí)輸入為正弦時(shí) 的的ui，uo波形圖波形圖2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院38分

27、析由分析由Ad和二極管結(jié)和二極管結(jié)壓降引起的誤差：壓降引起的誤差： 輸出電壓為輸出電壓為 uRRRuL2Lo集成運(yùn)放的輸出電壓為集成運(yùn)放的輸出電壓為 DdoUuuAu由以上兩式得由以上兩式得dD1AUuL2LdDo1RRRAUu得得輸出電壓輸出電壓為為 2.實(shí)際二極管檢波特性實(shí)際二極管檢波特性當(dāng)當(dāng)ui u_時(shí)，時(shí)，i10時(shí)，時(shí)，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2截止。截止。 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院39式中式中211RRRFdDiAUu有線性檢有線性檢波死區(qū)限波死區(qū)限制最小輸制最小輸入信號檢入信號檢波能力波能力 。有一個(gè)很小輸入電壓變化，有一個(gè)很小輸入電壓變化

28、， 當(dāng)當(dāng)ui u_時(shí)，時(shí)，i10時(shí)，時(shí)，輸出電壓為輸出電壓為 uRRuRRu)1 (12i12ouAUuudDoodDoAUuuFAUFAuRRudDdi12o1)111 (得得輸出電壓輸出電壓 由由i10，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通。導(dǎo)通。 為反饋系數(shù)，為反饋系數(shù)， 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院403.3.2 絕對值檢波電路絕對值檢波電路1.反相型絕對值檢波電路反相型絕對值檢波電路圖圖3-3-4 反相型絕對值檢波電路反相型絕對值檢波電路2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院41工作原理工作原理 55oiA24RRuuuR

29、R 當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，VD1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD2 截止，由截止，由u_ u+ 0，uA 0得得輸出電壓輸出電壓為為 i25ouRRu0。當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，i13AuRRu得得輸出電壓輸出電壓為為 553ii241RRRuuRRR 52314i124()R R RR RuR R R2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院42當(dāng)滿足電阻匹配條件：當(dāng)滿足電阻匹配條件：R3R2 = 2R1R4，例如，例如選取選取 R1 = R3， R4 = 0.5R2 時(shí)，時(shí)，得得i25ouRRu 0 不論輸入電壓不論輸入電壓ui極性極性如何，如何，uo

30、總為正值總為正值:i25ouRRu 當(dāng)取當(dāng)取 R5 = R2 時(shí)時(shí)圖圖3-3-5 反相型絕對反相型絕對值檢波器的傳輸特性值檢波器的傳輸特性即即52314oi124()R R RR RuuR R Ruo | ui |2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院43反相型反相型絕對值檢波電路絕對值檢波電路缺點(diǎn)缺點(diǎn)是：是：輸入電阻較低輸入電阻較低。圖圖3-3-6 同相型絕對值電路同相型絕對值電路當(dāng)要求輸入電阻較高時(shí)，可采用同相型電路：當(dāng)要求輸入電阻較高時(shí)，可采用同相型電路： 同相型絕對值檢波電路工作原理與反相型絕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

31、方法類似。對值檢波電路工作原理的分析方法類似。 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院442.增益可調(diào)的絕對值變換電路增益可調(diào)的絕對值變換電路圖圖3-3-7 可調(diào)增益絕對值變換電路可調(diào)增益絕對值變換電路當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，A1輸出電壓輸出電壓uo0，則，則VD1止，止，VD2通，通，A1輸出端通過輸出端通過VD2 構(gòu)成閉環(huán)。構(gòu)成閉環(huán)。A1反相端輸入電壓將跟反相端輸入電壓將跟蹤輸入電壓，即蹤輸入電壓，即u=uiA2 在在u和和uo的作用下，的作用下，VD3通，通，VD4止。止。muuio 0 u端為虛地，端為虛地，R1為為uo的負(fù)載：的負(fù)載：2022-5-27集成電路

32、原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院45當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，A1輸出壓輸出壓uo0，則，則VD1通，通，VD2截止，截止，A1輸出端通過輸出端通過VD1 構(gòu)成閉環(huán)。構(gòu)成閉環(huán)。muuio0 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)m 可調(diào)增益可調(diào)增益 。同樣，同樣，A1反相端電壓將跟反相端電壓將跟蹤輸入電壓，即蹤輸入電壓，即u= ui。A2 在在u0的作用下，的作用下，VD4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD3截止。截止。若滿足電阻匹配件：若滿足電阻匹配件：R1=R則則輸出電壓輸出電壓為為2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院46mRmumRmmuui)1()1()1(iii 從圖中可以看出電位器從圖中可以看出

33、電位器(1m)R上上電流電流為為當(dāng)當(dāng)m0 或或 m1時(shí)，均會(huì)時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)極大電流，這是不允出現(xiàn)極大電流，這是不允許的，為此需在電位器兩許的，為此需在電位器兩端各串入一個(gè)電阻。端各串入一個(gè)電阻。 此絕對值變換電路的增益調(diào)節(jié)范圍可以從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?guī)椎綆资叮揖哂休^高的輸入阻抗。具有較高的輸入阻抗。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院473.4 限幅器限幅器3.4.1 二極管并聯(lián)式限幅器二極管并聯(lián)式限幅器3.4.2 二極管串聯(lián)式限幅器二極管串聯(lián)式限幅器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院483.4

34、.1 二極管并聯(lián)式限幅器二極管并聯(lián)式限幅器1.二極管并聯(lián)式限幅器的工作原理二極管并聯(lián)式限幅器的工作原理圖圖3-4-1 二極管并聯(lián)式限幅器二極管并聯(lián)式限幅器當(dāng)當(dāng) ui低于某一低于某一門限電壓，即門限電壓，即VD截止時(shí)：截止時(shí)：uiUim)1)(21DrefRRUU uA(Uref + UD) 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院49限幅器為反相器，其限幅器為反相器，其輸出電壓輸出電壓為為i213ouRRRu 傳輸特性的斜率為傳輸特性的斜率為2131RRRk 當(dāng)當(dāng)uiUim ，即，即VD導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，UA被箝位在被箝位在(Uref + UD) 電電平上，這時(shí)限幅器

35、的輸出平上，這時(shí)限幅器的輸出電壓不再隨電壓不再隨ui變化，其變化，其輸輸出電壓出電壓為為 )(Dref23omoUURRUu圖圖3-4-2 二極管并聯(lián)式限二極管并聯(lián)式限幅器的傳輸特性幅器的傳輸特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院502.實(shí)際應(yīng)用的二極管并聯(lián)式限幅器實(shí)際應(yīng)用的二極管并聯(lián)式限幅器圖圖3-4-3 實(shí)際應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的二極管并聯(lián)用的二極管并聯(lián)式限幅器式限幅器門限電壓為門限電壓為 )1)(21be2be1refimRRUUUU 23be2be1refom)(RRUUUU 輸出電壓為輸出電壓為 由以下兩式可知，由由以下兩式可知，由于兩個(gè)三極管結(jié)壓降于兩個(gè)三極

36、管結(jié)壓降互相抵消，所以實(shí)現(xiàn)互相抵消，所以實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。了溫度補(bǔ)償。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院51圖圖3-4-4 雙向限幅器的傳輸特性雙向限幅器的傳輸特性 如果在輸入端采用這兩如果在輸入端采用這兩種輸入限幅方法，便可種輸入限幅方法，便可得到得到雙向限幅器。雙向限幅器。 如果將參考電壓改變方如果將參考電壓改變方向，二極管改變方向，向，二極管改變方向，便可實(shí)現(xiàn)第二象限內(nèi)傳便可實(shí)現(xiàn)第二象限內(nèi)傳輸特性。輸特性。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院523.4.2 二極管串聯(lián)式限幅器二極管串聯(lián)式限幅器工作原理工作原理 圖圖3-4-5

37、 二極管串聯(lián)式限幅器二極管串聯(lián)式限幅器當(dāng)當(dāng)uAuD時(shí)，時(shí)，即即 2refA1AiRuuRuu )(2ref2A1A1iRURURURu 所以所以 當(dāng)輸入電壓低于某一門限電壓時(shí)，可得當(dāng)輸入電壓低于某一門限電壓時(shí)，可得 :ref21D21im)1(URRURRu VD截止，截止，IR1= IR2ref21A21)1(URRURR 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院53這時(shí)這時(shí)uAR2 時(shí)，溫度穩(wěn)定性更差。時(shí)，溫度穩(wěn)定性更差。 當(dāng)輸入電壓等于或高于當(dāng)輸入電壓等于或高于輸入門限電壓時(shí)，輸入門限電壓時(shí)，VD導(dǎo)通，導(dǎo)通，輸出電壓輸出電壓為為1fimi)(RRUu 2022

38、-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院54在以上限幅電路的基礎(chǔ)上，如果將參考電壓改變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)方向，二極管改變方向，便可實(shí)現(xiàn)第二象限內(nèi)的第二象限內(nèi)的傳輸特性。傳輸特性。如果在輸入端采用這兩種輸入限幅方如果在輸入端采用這兩種輸入限幅方法，便可得到法，便可得到區(qū)間限幅器。區(qū)間限幅器。 圖圖3-4-7 二極管區(qū)間限幅器二極管區(qū)間限幅器圖圖3-4-8 區(qū)間限幅器區(qū)間限幅器 的傳輸特性的傳輸特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院553.線性檢波限幅器線性檢波限幅器圖圖3-4-9 線性檢波

39、限幅器線性檢波限幅器1ref2iRURui ref12URR當(dāng)當(dāng)iS S 0，即，即 ui 時(shí)，時(shí)，VD2截止，截止，VD1導(dǎo)通。導(dǎo)通。 23ref12o)(RRURRuui 輸出電壓輸出電壓 ui 時(shí)，時(shí)，ref12URRVD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD1截止，截止，輸出電壓輸出電壓 uo 0。 當(dāng)當(dāng)iS S 0，即，即 限幅特性限幅特性見下頁圖見下頁圖2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院56圖圖3-4-10 線性檢波限幅器的限幅特性線性檢波限幅器的限幅特性門限電壓門限電壓為為 ref12imURRU在下圖中在下圖中此限幅器的此限幅器的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是具有穩(wěn)定的傳是具有穩(wěn)定的

40、傳輸特性輸特性。如果將兩個(gè)二極管如果將兩個(gè)二極管VD1、VD2 同時(shí)改同時(shí)改變方向，參考電壓變方向，參考電壓也改變方向，便可也改變方向，便可得到第二象限內(nèi)限得到第二象限內(nèi)限幅特性。幅特性。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院573.5 二極管函數(shù)變換器二極管函數(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)變換器線性檢波型二極管函數(shù)變換器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院583.5.1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換

41、器串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器圖圖3-5-1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器VD1限幅電路：限幅電路：DD151im1)(UUURRUVD3限幅電路：限幅電路：DD373im3)(UUURRU各串聯(lián)限幅電路的各串聯(lián)限幅電路的門限電壓門限電壓分別為分別為 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院59各串聯(lián)限幅電路的各串聯(lián)限幅電路的門限電壓門限電壓分別為分別為 VD2限幅電路：限幅電路：DD262im2)(UUURRUVD4限幅電路：限幅電路：DD484im4)(UUURRU圖圖3-5-1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器2022

42、-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院60假設(shè)假設(shè)Uim4Uim2Uim1Uim3，則二極管函數(shù)變換，則二極管函數(shù)變換器不同門限電壓范圍內(nèi)器不同門限電壓范圍內(nèi)輸出電壓輸出電壓分別為：分別為： 當(dāng)當(dāng)ui Uim4時(shí)，只有時(shí)，只有VD2、VD4導(dǎo)通，導(dǎo)通，輸出電壓為輸出電壓為 im44fim22fi420fo)111(URRURRuRRRRu當(dāng)當(dāng)Uim4 ui Uim2時(shí)，只有時(shí)，只有VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，輸出電壓為輸出電壓為 im22fi20fo)11(URRuRRRu當(dāng)當(dāng)Uim2 ui Uim1 時(shí)，VD1VD4均截止，均截止， i0fouRRu2022-5-27集成電路原理

43、及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院61當(dāng)當(dāng)Uim1 uiUim3時(shí)，只有時(shí)，只有VD1導(dǎo)通，輸出電壓為導(dǎo)通，輸出電壓為 im11fi10fo)11(URRuRRRu當(dāng)當(dāng)uiUim3時(shí)，只有時(shí)，只有VD1、VD3導(dǎo)通，輸導(dǎo)通，輸出電壓為出電壓為 im33fim11fi310fo)111(URRURRuRRRRu圖圖3-5-2 串聯(lián)限幅二極管串聯(lián)限幅二極管函數(shù)變換器的限幅特性函數(shù)變換器的限幅特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院623.5.2 并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器圖圖3-5-3 并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換

44、器各并聯(lián)限幅電路的各并聯(lián)限幅電路的門限電壓門限電壓分別為分別為 VD1限幅電路：限幅電路：aUUUD1im1VD3限幅電路：限幅電路：cUUUD3im3VD2限幅電路：限幅電路：bUUUD2im2VD4限幅電路：限幅電路：dUUUD4im42022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院63假設(shè)假設(shè)Uim4Uim2Uim1Uim3，則二極管函數(shù)變換，則二極管函數(shù)變換 器不同門限電壓范圍內(nèi)器不同門限電壓范圍內(nèi)輸出電壓輸出電壓分別為分別為 :當(dāng)當(dāng)ui Uim4時(shí)，只有時(shí)，只有VD2、VD4導(dǎo)通，輸出電壓為導(dǎo)通，輸出電壓為 im44fim22fi310fo)111(URRURRu

45、RRRRu當(dāng)當(dāng)Uim4 ui Uim2時(shí)，只有時(shí)，只有VD2導(dǎo)通，輸出電壓為導(dǎo)通，輸出電壓為 im22fi4310fo)1111(URRuRRRRRu2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院64當(dāng)當(dāng)Uim2 ui Uim1 時(shí)，VD1VD4均截止，均截止， i43210fo)11111(uRRRRRRu當(dāng)當(dāng)Uim1 ui Uim3時(shí)，只有時(shí)，只有VD1導(dǎo)通，輸出電壓為導(dǎo)通，輸出電壓為 im11fi4320fo)1111(URRuRRRRRu當(dāng)當(dāng)uiUim3時(shí)，只有時(shí)，只有VD1、VD3導(dǎo)通，輸出電壓為導(dǎo)通，輸出電壓為 im33fim11fi420fo)111(URR

46、URRuRRRRu輸出電壓為輸出電壓為2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院65圖圖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。變化率是隨輸入電壓增大而減小。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院663.5.3 線性檢波型二極管函數(shù)變換器線性檢波型二極管函數(shù)變換器圖圖3-5-5 線性檢波型二極管檢波變換器線性檢波型二極管檢波變換器2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)

47、院67每個(gè)線性檢波電路的每個(gè)線性檢波電路的轉(zhuǎn)折電壓分別為轉(zhuǎn)折電壓分別為 ,R5im1URRU R7im3URRU ,R6im2URRU R8im4URRU 假設(shè)假設(shè)Uim4Uim2Uim1Uim3，當(dāng)輸入電壓在不同范，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：圍時(shí)，各線性檢波器的輸出電壓有以下幾種情況：由由A3引起的輸出：引起的輸出：當(dāng)當(dāng)uiUim3，uo3= 0 當(dāng)當(dāng)uiUim3， )(im3i3fo3UuRRu由由A2引起的輸出：引起的輸出：當(dāng)當(dāng)uiUim2，uo2= 0 當(dāng)當(dāng)uiUim2， )(im2i2fo2UuRRu2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大

48、學(xué)電氣與電子工程學(xué)院68由由A3引起的輸出：引起的輸出：當(dāng)當(dāng)uiUim3，uo3= 0 當(dāng)當(dāng)uiUim3， )(im3i3fo3UuRRu由由A4引起的輸出：引起的輸出：當(dāng)當(dāng)uiUim4，uo4= 0 當(dāng)當(dāng)uiUim4， )(im4i4fo4UuRRu輸入電壓輸入電壓ui通過電阻通過電阻R0引起的引起的輸出電壓輸出電壓為為i0fo0uRRu將上述各分量求和，則可將上述各分量求和，則可得出得出總的輸出電壓總的輸出電壓為為40jojouu由上述分析結(jié)果，可按由上述分析結(jié)果，可按輸入電壓在不同的轉(zhuǎn)折輸入電壓在不同的轉(zhuǎn)折電壓范圍內(nèi)得出總輸出電壓范圍內(nèi)得出總輸出電壓分別為電壓分別為:2022-5-27集

49、成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院69 當(dāng)當(dāng)ui Uim4時(shí)，時(shí)，uo1、uo3均為零，均為零，輸出電壓輸出電壓為為 o4o2o0ouuuu 當(dāng)當(dāng)Uim4 ui Uim2時(shí)，時(shí)， uo1、uo3 、uo4均為零均為零，則，則 o2o0ouuu 當(dāng)當(dāng)Uim2uiUim1時(shí)時(shí)，uo1、uo2、uo3、uo4均為零均為零 i0fo0ouRRuu 則則im22fi02f)11(URRuRRR im44fim22fi024f)111(URRURRuRRRR 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院70 當(dāng)當(dāng)Uim1 uiUim3時(shí)，時(shí)，uo2、uo3、uo4均為

50、零，均為零， 則則 im11fi01fo1o0o)11(URRuRRRuuu 當(dāng)當(dāng)uiUim3時(shí)，時(shí)，uo2 、uo4均為零，則均為零，則 o3o1o0ouuuu 420111 RRR 若若可得線性檢波型二極管函數(shù)變換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。器的函數(shù)變換特性曲線。im33fim11fi031f)111(URRURRuRRRR 310111RRR 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院71綜上所述，綜上所述，設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)二極管函數(shù)變換器步驟函數(shù)變換器步驟如下：如下：由函數(shù)關(guān)系表達(dá)式由函數(shù)關(guān)系表達(dá)式uo=f(ui) 確定每段折線的轉(zhuǎn)折電確定

51、每段折線的轉(zhuǎn)折電壓和折線的斜率。壓和折線的斜率。圖圖3-5-6 線性檢波線性檢波型二極管檢波變換型二極管檢波變換器的限幅特性器的限幅特性用折線段來逼近已知函數(shù)；用折線段來逼近已知函數(shù)；根據(jù)對轉(zhuǎn)折電壓和斜率的根據(jù)對轉(zhuǎn)折電壓和斜率的要求設(shè)計(jì)每個(gè)線性檢波器要求設(shè)計(jì)每個(gè)線性檢波器電路的參數(shù)。電路的參數(shù)。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院723.6 電壓比較器及其應(yīng)用電壓比較器及其應(yīng)用3.6.1 電壓比較器的性能電壓比較器的性能3.6.2 單限電壓比較器單限電壓比較器3.6.3 遲滯電壓比較器遲滯電壓比較器3.6.4 窗口電壓比較器窗口電壓比較器3.6.5 電壓比較器的

52、應(yīng)用舉例電壓比較器的應(yīng)用舉例2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院733.6.1 電壓比較器的性能電壓比較器的性能1. 一般運(yùn)放一般運(yùn)放在使用時(shí)，往往是工作在閉環(huán)狀態(tài)，多在使用時(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)負(fù)反饋閉環(huán)狀態(tài)。2. 當(dāng)用作當(dāng)用作電壓比較器電壓比較器時(shí)，集成運(yùn)放應(yīng)處在時(shí)，集成運(yùn)放應(yīng)處在開環(huán)工作開環(huán)工作狀態(tài)狀態(tài)。3. 對于集成電壓比較器性能要求，輸入級與一般集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，而成運(yùn)放相同，而輸出級與數(shù)字電路要求一致輸出級與數(shù)字電路要求一致。4. 電壓比較器電壓

53、比較器頻帶較寬，無需相位補(bǔ)償，頻帶較寬，無需相位補(bǔ)償，以便盡可以便盡可能獲得高速翻轉(zhuǎn)，減小響應(yīng)時(shí)間。能獲得高速翻轉(zhuǎn)，減小響應(yīng)時(shí)間。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院74鑒別靈敏度鑒別靈敏度又稱為分辨率或轉(zhuǎn)換精度，它是又稱為分辨率或轉(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。輸入模擬信號電壓的最小變化量。 響應(yīng)速度響應(yīng)速度是反映比較器從高電平轉(zhuǎn)換到低電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)間的長平或從低電平跳變到高電平時(shí)所需時(shí)間的長短（兩者所需時(shí)間一般不等）。短（

54、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：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。鑒別靈敏度、響應(yīng)速度、帶載能力等。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院75電壓比較器的輸出數(shù)字信號一般用以帶動(dòng)電壓比較器的輸出數(shù)字信號一般用以帶動(dòng)門電路，因此門電路，因此帶動(dòng)負(fù)載能力帶動(dòng)負(fù)載能力的大小也是評的大小也是評價(jià)電壓比較器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。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)的表征這一指標(biāo)的主要參數(shù)是：主要參數(shù)是： 輸出電阻輸出電阻Ro； 輸出高電平時(shí)的漏電流輸出高電平時(shí)的漏電流IOR； 輸出端吸入電流輸出端吸入電流Isink 。

55、 Ro和和IOR 越小，越小，Isink 越大，則帶動(dòng)越大，則帶動(dòng)負(fù)載的能力就越強(qiáng)。負(fù)載的能力就越強(qiáng)。2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院763.6.2 單限電壓比較器單限電壓比較器1.基本電路和輸入輸出特性基本電路和輸入輸出特性圖圖3-6-1 具有上行特性的單限具有上行特性的單限電壓比較器及其輸入輸出特性電壓比較器及其輸入輸出特性當(dāng)當(dāng)UiEm時(shí)，時(shí)，uO=UOL； 當(dāng)當(dāng)UiEm時(shí)，時(shí)，uO=UOH。 外加外加門限電位門限電位Em這種特性稱為這種特性稱為上行特性上行特性 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院77外加一個(gè)外加一個(gè)門限

56、電位門限電位Em當(dāng)當(dāng)UiEm時(shí)，時(shí)，uO=UOL； 當(dāng)當(dāng)UiEm時(shí)，時(shí)，uO=UOH。 圖圖3-6-2 具有下行特性的單限具有下行特性的單限電壓比較器及其輸入輸出特性電壓比較器及其輸入輸出特性這種特性稱為這種特性稱為下行特性。下行特性。 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院782.輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器圖圖3-6-3 輸入箝位保護(hù)和輸出箝位輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器及其輸入輸出特性單限比較器及其輸入輸出特性當(dāng)當(dāng)UiEm時(shí)，時(shí)，當(dāng)當(dāng)UiEm時(shí)，時(shí)，uO=UOH= Em 。 輸出也可以采用箝位，輸出也可以采用箝位，這時(shí)

57、它的輸出高、低電這時(shí)它的輸出高、低電位分別等于穩(wěn)壓管位分別等于穩(wěn)壓管VDw的的穩(wěn)定電壓和正向壓降。穩(wěn)定電壓和正向壓降。 uO=UOL= -UD； 2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院793. 任意電平比較器任意電平比較器UiEm，uO=UOH= Em UiEm，uO=UOL= - -UD r21miERREU當(dāng)當(dāng)If = I1 + Ir0 ,即即 時(shí)時(shí)， 02r1i RERUr21iERRU 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R1/R2或或Er ，都能改變，都能改變Em。 當(dāng)當(dāng)If = I1 + Ir 0 ,即即 uO=UOL= - -UD 時(shí)時(shí)， 02r1i RERUr21iERRU

58、uO=UOH= Em 圖圖 3-6-4 任意電平任意電平的單限比較器及其的單限比較器及其輸入輸出特性輸入輸出特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院803.6.3 遲滯電壓比較器遲滯電壓比較器 具有遲滯輸出特性的電壓具有遲滯輸出特性的電壓比較器，叫遲滯電壓比較器，比較器，叫遲滯電壓比較器，也稱回差電壓比較器。也稱回差電壓比較器。 1. 輸入輸出特性輸入輸出特性有兩個(gè)門限電位，數(shù)值大有兩個(gè)門限電位，數(shù)值大EmH叫叫上門限電位上門限電位，數(shù)值小數(shù)值小EmL叫叫下門限電位下門限電位，兩者之兩者之差叫差叫門限寬度，門限寬度，用用 Em表示，表示， Em= EmH EmL

59、 。 圖圖 3-6-5 遲滯電壓比較器遲滯電壓比較器的輸入輸出特性的輸入輸出特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院812.遲滯電壓比較器的工作原理遲滯電壓比較器的工作原理 遲滯電壓比較器共同特點(diǎn)是具有遲滯電壓比較器共同特點(diǎn)是具有正反饋回路正反饋回路，而獲得遲滯特性，同時(shí)加速比較器轉(zhuǎn)換過程。而獲得遲滯特性，同時(shí)加速比較器轉(zhuǎn)換過程。圖圖3-6-6 具有下行特性的遲滯具有下行特性的遲滯電壓比較器及其傳輸特性電壓比較器及其傳輸特性2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院82分析步驟分析步驟如下如下(2)寫出寫出u+，u_的表達(dá)式的表達(dá)式o2

60、11uRRRu(3)求出門限電位求出門限電位EmL、 EmH將將 uo = UZ分別代入上式中，得分別代入上式中，得Z2111URRRu)(Z2112URRRu(1)確定輸出電壓確定輸出電壓UOuo = UZUOH = UZ， UOL = - -UZu- - = ui2022-5-27集成電路原理及應(yīng)用 山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院83假設(shè)假設(shè)u+ = u- - ，求出，求出ui的值即為門限電位。的值即為門限電位。 較大的一個(gè)即為較大的一個(gè)即為 EmH ，較小的一個(gè)即為較小的一個(gè)即為 EmL。Z211mHURRRE Z211mLURRRE （4）判斷是上行特性還是下行特性）判斷是上行特性還是