集成电路原理3.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 5二极管函数变换器 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 Id PN结的正向导通电流 IS PN结的反向饱和电流 它随温度变化 q 电子电荷量 q 1 602 10 19C k 玻尔兹曼常数 k 1 38 10 23J C T 绝对温度 t 25 C时 Ud 100mV 2 二极管对数放大器 由 得输出电压为 式中 当t 25 C时 UT 59mV 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 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5 6个数量级的动态范围 而采用二极管可实现3 4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 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 3 1 2指数器 由Uo IeR和 得输出电压为 式中 当t 25 C时 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 VT2的集电极电流为 在ui 0时 设 得 输出电压 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 88048型集成化对数放大器 图3 1 98049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 则输出Z 0 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 Y V1 V2 则有 式中 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 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 OperationalTransconductanceAmplifier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 5CA3038的内部电路 即 乘法器基本工作原理 Ic I4 i1 i2 io i8 i10 i1 i2 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 6CA3038的传输特性 3 F3038的主要性能指标 在室温25 C 电源电压 15V及IC 500 A的条件下 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 UxmcoswctV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 UWmcosWtV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 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为带通滤波器的传输系数 图3 2 10用乘法器解调的方框图 图3 2 11MC1595构成的乘积检波器 设 得乘法器输出电压为 调制低频信号为 3 鉴频器 图3 2 12用乘法器构成鉴频器的方框图 电压传输系数为 式中 在f0附近得 在 0 5 即 30 范围内 故得到 此式表示能完成线性频相转换 图3 2 14频相转移的网络的相频特性 图3 2 13频相转移网络 图中 经放大后的调频信号uY t 加到乘法器的一个输入端 同时uY t 又经线性频相转换网络产生uX t 加到乘法器的另一个输入端 乘法器完成鉴相功能 当两路输入均为大信号时 乘法器具有三角形鉴相特性 线性鉴相范围可达 2 调频波的解调输出为 Kd 鉴相灵敏度 f 调频波瞬时频率 Kf KdQ Dff f f0 图3 2 15用MC1595构成的鉴频器 4 混频器 图3 2 16双平衡混频器 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 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ui 0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 分析由Ad和二极管结压降引起的误差 输出电压为 集成运放的输出电压为 由以上两式得 得输出电压为 2 实际二极管检波特性 当ui u 时 i1 0时 VD1导通 VD2截止 式中 有线性检波死区限制最小输入信号检波能力 有一个很小输入电压变化 当ui u 时 i1 0时 输出电压为 得输出电压 由 i1 0 VD1截止 VD2导通 为反馈系数 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ui 0时 VD1导通 VD2截止 由u u 0 uA 0 得输出电压为 0 当ui 0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 当ui 0时 A1输出电压uo 0 则VD1止 VD2通 A1输出端通过VD2构成闭环 A1反相端输入电压将跟踪输入电压 即u ui A2在u 和uo的作用下 VD3通 VD4止 0 u 端为虚地 R1为uo的负载 当ui 0时 A1输出压uo 0 则VD1通 VD2截止 A1输出端通过VD1构成闭环 0 调节m可调增益 同样 A1反相端电压将跟踪输入电压 即u ui A2在u 0的作用下 VD4导通 VD3截止 若满足电阻匹配件 R1 R 则输出电压为 从图中可以看出电位器 1 m R上电流为 当m 0或m 1时 均会出现极大电流 这是不允许的 为此需在电位器两端各串入一个电阻 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 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 图3 4 1二极管并联式限幅器 当ui低于某一门限电压 即VD截止时 ui Uim uA Uref UD 限幅器为反相器 其输出电压为 传输特性的斜率为 当ui Uim 即VD导通时 UA被箝位在 Uref UD 电平上 这时限幅器的输出电压不再随ui变化 其输出电压为 图3 4 2二极管并联式限幅器的传输特性 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 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uA uD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uA uD 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R1 R2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 线性检波限幅器 图3 4 9线性检波限幅器 当iS 0 即ui 时 VD2截止 VD1导通 输出电压 ui 时 VD2导通 VD1截止 输出电压uo 0 当iS 0 即 限幅特性见下页图 图3 4 10线性检波限幅器的限幅特性 门限电压为 在下图中 此限幅器的优点是具有稳定的传输特性 如果将两个二极管VD1 VD2同时改变方向 参考电压也改变方向 便可得到第二象限内限幅特性 3 5二极管函数变换器 3 5 1串联限幅型二极管函数变换器 3 5 2并联限幅型二极管函数变换器 3 5 3线性检波型二极管函数变换器 3 5 1串联限幅型二极管函数变换器 图3 5 1串联限幅型二极管函数变换器 VD1限幅电路 VD3限幅电路 各串联限幅电路的门限电压分别为 各串联限幅电路的门限电压分别为 VD2限幅电路 VD4限幅电路 图3 5 1串联限幅型二极管函数变换器 假设Uim4 Uim2 Uim1 Uim3 则二极管函数变换器不同门限电压范围内输出电压分别为 当ui Uim4时 只有VD2 VD4导通 输出电压为 当Uim4 ui Uim2时 只有VD2导通 输出电压为 当Uim2 ui Uim1时 VD1 VD4均截止 当Uim1 ui Uim3时 只有VD1导通 输出电压为 当ui Uim3时 只有VD1 VD3导通 输出电压为 图3 5 2串联限幅二极管函数变换器的限幅特性 3 5 2并联限幅型二极管函数变换器 图3 5 3并联限幅型二极管函数变换器 各并联限幅电路的门限电压分别为 VD1限幅电路 VD3限幅电路 VD2限幅电路 VD4限幅电路 假设Uim4 Uim2 Uim1 Uim3 则二极管函数变换器不同门限电压范围内输出电压分别为 当ui Uim4时 只有VD2 VD4导通 输出电压为 当Uim4 ui Uim2时 只有VD2导通 输出电压为 当Uim2 ui Uim1时 VD1 VD4均截止 当Uim1 ui Uim3时 只有VD1导通 输出电压为 当ui Uim3时 只有VD1 VD3导通 输出电压为 输出电压为 图3 5 4并联限幅型二极管函数变换器的限幅特性 并联限幅型二极管函数变换器输出电压的变化率是随输入电压增大而减小 3 5 3线性检波型二极管函数变换器 图3 5 5线性检波型二极管检波变换器 每个线性检波电路的转折电压分别为 假设Uim4 Uim2 Uim1 Uim3 当输入电压在不同范围时 各线性检波器的输出电压有以下几种情况 由A3引起的输出 当ui Uim3 uo3 0 当ui Uim3 由A2引起的输出 当ui Uim2 uo2 0 当ui Uim2 由A3引起的输出 当ui Uim3 uo3 0 当ui Uim3 由A4引起的输出 当ui Uim4 uo4 0 当ui Uim4 输入电压ui通过电阻R0引起的输出电压为 将上述各分量求和 则可得出总的输出电压为 由上述分析结果 可按输入电压在不同的转折电压范围内得出总输出电压分别为 当ui Uim4时 uo1 uo3均为零 输出电压为 当Uim4 ui Uim2时 uo1 uo3 uo4均为零 则 当Uim2 ui Uim1时 uo1 uo2 uo3 uo4均为零 则 当Uim1 ui Uim3时 uo2 uo3 uo4均为零 则 当ui Uim3时 uo2 uo4均为零 则 可得线性检波型二极管函数变换器的函数变换特性曲线 综上所述 设计二极管函数变换器步骤如下 由函数关系表达式uo f ui 确定每段折线的转折电压和折线的斜率 图3 5 6线性检波型二极管检波变换器的限幅特性 用折线段来逼近已知函数 根据对转折电压和斜率的 要求设计每个线性检波器电路的参数 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 3 6 5电压比较器的应用举例 3 6 1电压比较器的性能 1 一般运放在使用时 往往是工作在闭环状态 多数应用中还要求运放工作在负反馈闭环状态 2 当用作电压比较器时 集成运放应处在开环工作状态 3 对于集成电压比较器性能要求 输入级与一般集成运放相同 而输出级与数字电路要求一致 4 电压比较器频带较宽 无需相位补偿 以便尽可能获得高速翻转 减小响应时间 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 6 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 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 当Ui Em时 uO UOL 当Ui Em时 uO UOH 外加门限电位Em 这种特性称为上行特性 外加一个门限电位Em 当Ui Em时 uO UOL 当Ui Em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 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Ui Em时 当Ui Em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 Ir 0 即 调节R1 R2或Er 都能改变Eom 当If I1 Ir 0 即 uO UOL UD uO UOH Eom 图3 6 4任意电平的单限比较器及其输入输出特性 3 任意电平比较器 图3 6 4任意电平的单限比较器及其输入输出特性 3 6 3迟滞电压比较器 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 1 输入输出特性 有两个门限电位 数值大EmH叫上门限电位 数值小EmL叫下门限电位 两者之差叫门限宽度 回差电压 用 Em表示 Em EmH EmL 图3 6 5迟滞电压比较器的输入输出特性 2 迟滞电压比较器的工作原理 迟滞电压比较器共同特点是具有正反馈回路 而获得迟滞特性 同时加速比较器转换过程 图3 6 6具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性 分析步骤如下 2 写出u u 的表达式 3 求出门限电位EmL EmH 将uo UZ分别代入上式中 得 1 确定输出电压UO uo UZUOH UZ UOL UZ u ui 假设u u 求出ui的值即为门限电位 较大的一个即为EmH 较小的一个即为EmL 4 判断是上行特性还是下行特性 若ui从集成运放的反相端输入 则为下行特性 若ui从集成运放的同相端输入 则为上行特性 5 画出传输特性曲线 由传输特性曲线即可分析迟滞电压比较器的工作原理 3 6 4窗口电压比较器 用来判断输入信号ui是否位于两个指定电位之间 较小一个电位称为下门限电位EmL 较大一个电位称为上门限电位EmH 二者之差称为门限宽度 Em 当ui落入 Em之内或 窗口 之内时 为一种逻辑电平 如为高电平 当ui落入 Em之外或 窗口 之外时 为另一种逻辑电平 如为低电平 具有这种传输特性比较器称为窗口电压比较器 1 用集成运放实现的窗口比较器 图3 6 8用集成运放实现的窗口比较器及其传输特性 工作原理 当ui EL时 VD1导通 VD2截止 U Ui U EL 即U U 得uo UOH 当EL Ui EH时 由此可见两门限电位分别为EmH EH EmL EL DEm EH EL 所以满足窗口比较器的特性 即 当EmL Ui EmH时 输出是低电平 uo UOL U EH U Ui U U 得uo UOH VD1 VD2均导通 U U U U 得uo UOL 当Ui Em