模拟集成电路的非线性应用.ppt

第3章 模拟集成电路的非线性应用,3.1 对数器和指数器,3.2 乘法器及其应用,3.3 二极管检波器和绝对值变换器,3.4 限幅器,3.6 电压比较器及其应用,3.1 对数器和指数器,3.1.1 对数器,3.1.2 指数器,3.1.3 集成化的对数器和指数器,3.1 对数器和指数器,对数器是实现输出电压与输入电压成对数关系的非线性模拟电路。,1.PN结的伏安特性,IdPN结的正向导通电流,ISPN结的反向饱和电流，它随温度变化,q电子电荷量，q = 1.602 10-19 C,k玻尔兹曼常数，k = 1.38 10-23 J/ C,T绝对温度,t = 25 C 时，,Ud100mV,T以298代入,热力学温度 又叫热力学标温，符号T，单位K（开尔文，简称开）。 早在1787年法国物理学家查理（J.Charles）就发现，在压力一定时，温度每升高1，一定量气体的体积的增加值（膨胀率）是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系。 以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.16。 摄氏度为表示摄氏温度时代替开的一个专门名称。而水的三相点温度为0.01摄氏度。因此热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是Tt273.15。,2. 二极管对数放大器,由,得输出电压为,式中，,当 t=25 C 时，UT59mV。,图3-1-2 二极管对数器 的传输特性,图3-1-1 二极管对数器,Uk=RIS,要选体电阻小的二极管,3. 三极管对数放大器,图3-1-3 三极管对数放大电路,在理想运放的条件下,输出电压为,采用三极管作变换元件，可实现56个数量级的动态范围，而采用二极管可实现34个数量级的动态范围。,二极管和三极管对数器明显缺点是温度稳定性差。,Ui0,使用NPN Ui0,使用PNP,保护VT不被反向击穿,4. 温度补偿对数器的实际电路,图3-1-4 补偿对放大器的实际电路,输出电压为,此部分大都做在了集成电路内部,3.1.2 指数器,由 Uo=-IeR 和,得输出电压为,1.基本指数器,图3-1-5 基本指数器,图3-1-6 指数器的传输特性,2.具有温度补偿的实用指数器,图3-1-7 具有温度补偿的实用精密指数器,选正温度系数的RT，可对环境温度引起的变化进行补偿。,3.1.3 集成化的对数器和指数器,图3-1-8 8048型集成化对数放大器,主要用于乘法、除法、平方、开方等运算及信号的压缩和放大电路中，还可用于产生锯齿波、阶梯波的电路中。,图3-1-9 8049型集成化指数器,3.2 乘法器及其应用,3.2.1 乘法器的基础知识,3.2.2 乘法器的工作原理,3.2.3 模拟乘法器的应用电路,3.2.1 乘法器的基础知识,1.乘法器,乘法器具有两个输入端（通常称为X输入端和 Y输入端）和一个输出端（通常称为Z输出端）。,图3-2-1 乘法器的符号,输出特性方程为,或 Z = KXY,K为增益系数或标 度因子，单位为V-1。,uo (t) =Kux(t) uy(t),图3-2-2 乘法器 的工作象限,2.乘法器的工作象限,乘法器有四个工作区，它两个输入电压极性来确定。 两个输入端只能适应单一极性乘法器称为单象限乘法器。 如果一个输入端适应正、负两种极性，另一输入端只能适应单一极性乘法器称为二象限乘法器。,如果两个输入端均能适应正、负极性的乘法器称为四象限乘法器。,3.乘法器的基本性质,（1）乘法器的静态特性,X = 0时，Y为任意值， 或Y = 0时，X为任意值，则输出Z = 0。,当 X 等于某一常数时，输出Z与Y 成正比，Z与Y的关系曲线称为四象限输出特性。,当输入幅值相等时，即X = Y或X = Y， 输出与输入的关系曲线称为平方率输出特性。,图3-2-3 理想乘法器 四象限输出特性,图3-2-4 理想乘法器 平方律输出特性,(2) 乘法器的线性和非线性,通常认为乘法器是一种非线性器件。乘法器不能应用线性系统中的叠加原理，但是乘法器在一定条件下，又是线性器件，例如：一个输入电压为恒定值时，即X= 常数，则有,理想乘法器属于非线性器件还是线性器件取决于两个输入电压的性质，在这里“线性”的含义仅仅是非线性本质的特殊情况。,3.2.2 乘法器的工作原理,模拟乘法器有多种方法能实现，有对数指数相乘法、四分之一平方相乘法、三角波平均相乘法、时间分割相乘法和变跨导相乘法等。 其中变跨导乘法器便于集成，内部元件有较高 的温度稳定性和运算精度，且运算速度较高， 它的-3dB频率可达10MHz以上。,跨导：一个电路单元的输出电流与该单元的输入电压的比值，这个电路单元通常指放大器。 在MOS管中，跨导的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，跨导为曲线的斜率。 单位是 S （西门子），一般用mS。,式中， io输出电流，ui输入电压，,gm跨导或称为OTA的增益。,OTA的传输特性可表示为 io=gmui,1.跨导型集成运放简介,跨导型集成运放(Operational Transconductance Amplifier 缩写为OTA)与一般集成运放区别是，具有一个以偏置电流注入形式出现附加控制输入端，这使OTA特性及应用更加灵活；这种器件的输出不是一般集成运放中输出电阻趋于零的电压源，而是具有极高输出电阻的电流源表示。,2. 单片集成OTA电路CA3038,图3-2-5 CA3038的内部电路,Ic = I4 = i1 + i2,io = i8 i10 = i1 i2,Ic = I4 = i1 + i2,io = i8 i10 = i1 i2,即,thx是双曲正切函数，thx=shx/chx， 其中shx是双曲正弦函数shx, chx是双曲余弦函数,输出电流为,电压增益为,在传输特性线性区，,常温时,调整Ic，即可改变gm，故称为可变跨导型。,图3-2-6 CA3038 的传输特性,3. F3038的主要性能指标,在室温25C，电源电压15V及IC = 500A 的条件下。,4、单片集成模拟乘法器,实用变跨导模拟乘法器由两个具有压控电流源的差分电路组成，称为双差分对模拟乘法器，也 称为双平衡模拟乘法器。属于这一类的单片集成模拟乘法器有MC1496、MC1595等。,3.2.3 模拟乘法器的应用电路,一、基本运算电路,1.平方运算,2.除法运算器,3.2.3 模拟乘法器的应用电路,3.平方根运算,4.压控增益,改变直流电压UXQ的大小，就可以调节电路的增益。,3.2.3 模拟乘法器的应用电路,二、倍频、混频与鉴相,2.混频电路,1.倍频电路,3.鉴相电路,当两个输入信号为同频率的信号即可实现两倍频作用。,模拟乘法器的输出为两个输入信号的和频和差频信号，即实现了混频作用，若用滤波器取出和频（或差频）号输出，就称为混频 。,鉴相电路用来比较两个输入信号的相位差，即它的输出电压与两输入信号之间的相位差成正比,（1）锁相环的基本原理框图,基本锁相环是个闭环相位负反馈环路，由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)及压控振荡器(VCO)三大部分组成。 （1）鉴相器(PD，又称相位比较器)。 （2）低通滤波器(LPF)。 （3）压控振荡器(VCO)。,什么是鉴相器？,顾名思义，就是能够鉴别出输入信号相位差的器件。这里是输出信号f0和输入信号fi的相位差，并将检测出的相位差信号转换为电压信号输出。又叫相位比较器。,小知识,三、调幅与解调,用低频信号去改变高频信号的幅度，称为调幅。经调幅后的高频信号称调幅信号，把没有调幅的等幅高频信号称为载波信号，它是运载低频信号的工具。,由于载波本身不包含信息，为了提高设备的功率利用率，可以不传送载波而只传送两个边带信号，这种调制方式称为抑制载波双边带调幅，简称双边调幅，用DSB表示。 由于上、下边频带中的任何一个边频带以及功能包含调制信号的全部信息，因此为了节省占有的频带、提高波段利用率，可以只传送两个边带信号中的任何一个，称为抑制载波单边带调幅，简称单边调幅，用SSB表示。,3.2.3 模拟乘法器的应用电路,1.平衡调幅器,图3-2-7 平衡调幅器的组成方框图,设载波信号,ux(t)=Uxm coswct 为大信号,使相应晶体管工作在开关状态，开关函数为sX(t)， 对sX(t)进行傅立叶分解，表达式可写为：,调制信号uy(t)=UWm cosWt V为小信号。,得乘法器输出电压为,式中，Rc、RY是乘法器集成电路的内部电阻， 其中RY 是反馈电阻，Rc 是集电极负载电阻。,经滤波器滤除载波的谐波组合后，输出电压为,AF为带通滤波器传输系数,图3-2-8 平衡调幅的波形图,输出电压中仅有 上下边频分量,不存在载频c分量，,所以这种调制称为 抑制载波的双边带调制， 又称平衡调制。,开关函数,载波信号,乘法器输出,抑制载波的双边带输出,调制信号为1.6kHz， 载波信号为40kHz。 14脚输出抑制载波 双边带信号。利用 X失调电位器RX， 使输出产生载频c 信号，则可得到普 通调幅波，调RX 可用于改变调幅度。,图3-2-9 平衡调幅器,2.乘积检波器,用模拟乘法器组成的检波电路称为乘积检波器， 主要用于抑制载波的双边带或单边带信号的解调。,如输入模拟乘法器的是抑制载波双边带信号，即,另一端输入与载波同频同相的高频信号，即,相乘后为,经低通滤波器滤除高频分量， 得低频电压输出为,式中，K为乘法器标度因子， AF为低通滤波器的传输系数 。,图3-2-10 用乘法器解调的方框图,3.鉴频器,用乘法器构成 鉴频器的方框图,利用在有用频带内电路的幅度频率具有线性斜率这一特性制成的频率解调器。 鉴频器是使输出电压和输入信号频率相对应的电路。按用途可分为两类。第一类用于调频信号的解调。常见的有斜率鉴频器、相位鉴频器、比例鉴频器等，对这类电路的要求主要是非线性失真小，噪声门限低。第二类用于频率误差测量，如用在自动频率控制环路中产生误差信号的鉴频器。对这类电路的零点漂移限制较严，对非线性失真和噪声门限则要求不高。,4.混频器,图3-2-16 双平衡混频器,209MHz,200MHz,3.3 二极管检波器和绝对值变换器,3.3.1 二极管检波器,3.3.2 绝对值检波电路,单向导电性广泛应用于整流、检波、限幅、钳位等技术中。但因其有导通电压、非线性特性及温度影响等，限制了电路的灵敏度并引起电路的非线性失真，特别是对低电平信号，非线性失真更为明显。 若将二极管按一定的方式接到放大器反馈电路中，则上述性能可以大大改善，最方便的是与集成运放连用可以获得良好效果。,3.3.1 二极管检波器,1.理想二极管检波器,图3-3-1 理想二极管检波电路,工作原理：,当ui0时，VD1导通，VD2截止，,当ui 0时，VD1截止，VD2导通，,0 ，,图3-3-2 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3-3-3 输入为正弦时 的ui，uo波形图,有线性检波死区限制最小输入信号检波能力,3.3.2 绝对值检波电路,1.反相型绝对值检波电路,图3-3-4 反相型绝对值检波电路,工作原理,当ui0时，VD1导通，VD2 截止，由u_=u+=0，uA=0,得输出电压为,0。,当ui0时，VD1截止，VD2导通，,得输出电压为,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3-3-5 反相型绝对值检波器的传输特性,即,uo = | ui |,反相型绝对值检波电路缺点是：输入电阻较低。,图3-3-6 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。,2.增益可调的绝对值变换电路,图3-3-7 可调增益绝对值变换电路,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。,3.4 限幅器,3.4.1 二极管并联式限幅器,3.4.2 二极管串联式限幅器,当输入信号电压在某一范围内时，电路处于线性放大状态，具有恒定的放大倍数；但当输入电压超出该范围时，输出电压将保持为某一固定值，不再跟随输入发生变化。 这种非线性传输特性通常采用二极管和集成运放来实现，叫限幅器。这类限幅器不仅能用于信号处理、信号运算、波形产生电路中，而且也广泛应用于过载保护电路中。,取UREF=3V，在输入端分别输入频率为1000 Hz，幅值为3V和幅值为5V的标准正弦波信号，用双踪示波器同时观察输入、输出波形，并将其描绘下来，简单说明其原理并将结果填入表26中。,3.4.1 二极管并联式限幅器,1.二极管并联式限幅器的工作原理,二极管并联式限幅器,当 ui低于某一门限电压，即VD截止时：,uiUim,uA(Uref + UD),限幅器为反相器，其输出电压为,传输特性的斜率为,二极管并联式限幅器的传输特性,缺点：温度稳定性差 解决方法：采用温度补偿措施,2.实际应用的二极管并联式限幅器,图3-4-3 实际应用的二极管并联式限幅器,门限电压为,输出电压为,由以下两式可知，由于两个三极管结压降互相抵消，所以实现了温度补偿。,图3-4-4 双向限幅器的传输特性,如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可得到双向限幅器。,如果将参考电压改变方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内传输特性。,3、双向限幅器,3.4.2 二极管串联式限幅器,工作原理,图3-4-5 二极管串联式限幅器,当uAuD时，,即,所以,当输入电压低于某一门限电压时，可得 :,VD截止，IR1= IR2,这时uAuD ，二极管截止，其输出电压 uo=0。,图3-4-6 二极管串联限幅器的传输特性,缺点：温度稳定性较差，尤其是当R1R2 时，温度稳定性更差。,当输入电压等于或高于输入门限电压时，VD导通，输出电压为,在以上限幅电路的基础上，如果将参考电压改变 方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内的 传输特性。如果在输入端采用这两种输入限幅方 法，便可得到区间限幅器。,图3-4-7 二极管区间限幅器,图3-4-8 区间限幅器 的传输特性,3.6 电压比较器及其应用,3.6.1 电压比较器的性能,3.6.2 单限电压比较器,3.6.3 迟滞电压比较器,3.6.4 窗口电压比较器,集成运放的非线性应用,集成运放工作在非线性区的特点,集成运放应用在非线性电路时，处于开环或正反馈状态下。,非线性运用状态下，U+ U，“虚短”概念不再成立。当同 相输入端信号电压U大于反相输入端信号电压U时，输出 端电压U0=UOM，当U小于U时，输出端电压U0=UOM。,非线性应用下的运放虽然同相输入端和反相输入端信号电压 不等，但由于其输入电阻很大，所以输入端的信号电流仍可视 为零值。因此，非线性应用下的运放仍然具有“虚断”的特点。,非线性区的运放，输出电阻仍可以认为是零值。此时运放的输出量与输入量之间为非线性关系，输出端信号电压或为正饱和值，或为负饱和值。,3.6.1 电压比较器的性能,电压比较器的基本功能是实现两个模拟电压之间的电平比较，输出逻辑电平的高低。它是模拟信号和数字信号的接口电路。 1. 用开环状态下工作的集成运放实现。与其他部分电路统一，减少系统中的产品型号规格，使用灵活， 易产生各种逻辑电平，利于大信号比较，速度低，精度高。 2. 用专门设计的集成电压比较器实现。转化速度高，输出电平大小固定。（内部不但有模拟电路，还有实现输出逻辑电平的数字电路）,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）。,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。,负载能力：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。,3.6.2 单限电压比较器,1.基本电路和输入输出特性,图3-6-1 具有上行特性的单限 电压比较器及其输入输出特性,外加门限电位Em,这种特性称为上行特性,特点:运放处于 开环状态,单门限电压比较器只有一个门限电平，当输入电压达到此门限值时，输出状态立即发生跳变。,外加一个门限电位Em,当UiEm时，uO=UOL；,当UiEm时，uO=UOH。,图3-6-2 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。,特点:运放处于 开环状态,电压比较器应用实例,利用电压比较器可以把正弦波变换成方波。,UR=0,由于门限电压等于0，因此为过零电压比较器。,UCM,UCM,输入电压只要到达门限电压值，输出电压即可发生跳变。,2.输入箝位保护和输出箝位单限比较器,图3-6-3 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UiEm时，,当UiEm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；,3. 任意电平比较器,当If = I1 + Ir0 ,即,调节R1/R2或Er ，都能改变Em。,当If = I1 + Ir 0 ,即,uO=UOL= -UD,uO=UOH,参考电压和输入电压都从反向端加入,传输过程中：当输入电压ui从小逐渐增大，或者ui从大逐渐减小时，两种情况下的门限电平是不相同的，由此电压传输特性呈现“滞回”曲线的形状。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。电路及曲线图如下所示：,