模拟集成电路的非线性应用

模拟集成电路的非线性应用1对数器和指数器2乘法器及其应用3二极管检波器和绝对值变换器4限幅器5二极管函数变换器6电压比较器及其应用7/7/202313.1二极管检波器1.理想二极管检波器图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，＞0，7/7/20232图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输入为正弦时的ui，uo波形图7/7/20233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。7/7/20234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，

7/7/202353.2绝对值检波电路1.反相型绝对值检波电路图3-4反相型绝对值检波电路7/7/20236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7/7/20237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3-5反相型绝对值检波器的传输特性即uo=|ui|7/7/20238反相型绝对值检波电路缺点是：输入电阻较低。图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。7/7/202392.增益可调的绝对值变换电路图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－=uiA2

在u－和uo的作用下，VD3通，VD4止。＞0u－端为虚地，R1为uo的负载：7/7/202310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7/7/202311从图中可以看出电位器(1－m)R上电流为当m0或m1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。7/7/2023126电压比较器及其应用6.1电压比较器的性能6.2单限电压比较器6.3迟滞电压比较器6.4窗口电压比较器6.5电压比较器的应用举例7/7/2023136.1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。7/7/202314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。7/7/202315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：

①输出电阻Ro；

②输出高电平时的漏电流IOR；

③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。7/7/2023166.2单限电压比较器1.基本电路和输入输出特性图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7/7/202317外加一个门限电位Em当Ui＞Em时，uO=UOL；

当Ui＜Em时，uO=UOH。

图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。7/7/2023182.输入箝位保护和输出箝位单限比较器图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；

7/7/2023193.任意电平比较器Ui＜Em，uO=UOH=Em

Ui＞Em，uO=UOL=-UD

当If=I1+Ir＞0,即调节R1/R2或Er

，都能改变Em。当If=I1+Ir＜0,即uO=UOL=-UD

uO=UOH=Em

图6-4任意电平的单限比较器及其输入输出特性7/7/2023206.3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，用Em表示，Em=EmH

EmL

。图6-5迟滞电压比较器的输入输出特性7/7/2023212.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6-6具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性7/7/202322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UOuo=±UZUOH=UZ，UOL=-UZu-=ui7/7/202323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。7/7/2023246.4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。7/7/2023251.用集成运放实现的窗口比较器图6-8窗口比较器及其传输特性工作原理EH−EL＞2UD

ui≤EL时:VD1导通，VD2截止U-≈Ui，U+=EL即

U-＜

U+，得uo=UOH7/7/202326ui≥EH时:VD1止，VD2通EL＜Ui＜EH时:由此可见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=UOLU-≈EH，U+=UiU-＜

U+,得uo=UOHVD1、VD2均导通:U-

＞U+

U-＞U+,得uo=UOL当Ui＜EmL

或Ui

＞EmH时，输出是高电平，uo=UOH7/7/2023272.用专用电压比较器构成的窗口比较器图6-9用专用电压比较器构成的窗口电压比较器及其传输特性须外接上拉电阻。A1截止，A2导通，A2

输出为低电平。当Ui

＜EmL

(＜EmH)时，A1导通，A2截止，A1

输出为低电平。

当Ui

＞EmH(＞EmL

)时当EmL

＜

Ui

＜EmH时，A1和A2均截止，输出电平是由上拉负载电阻拉向高电平。7/7/2023283、采用绝对值变换器的窗口电压比较器图6-10采用绝对值变换器的窗口电压比较器7/7/202329工作原理首先分析A2工作状态：A2输出电平高低取决于相加点电流方向。

i＞0，uo

=-UD;

i＜0，uo

=+UDA2相加点电流

i=i1+i2+i3+i4分三步分析：(1)假设Um=0,UB=0则i3=0，i4=0，im=0当ui＞0时，当ui＜0时，所以i=i1+i2=-(ui/R)＜0i=i1=(ui/R)＜07/7/202330图6-11绝对值变换器iΣ-ui和ui-uo变换特性(2)假设Um

≠0,UB=0则im≠0，i4=0所以

i=i1+i2+i37/7/202331(3)当Um

≠