模擬集成電路的非線性應(yīng)用答辯課件

1、模擬集成電路的非線性應(yīng)用答辯課件模擬集成電路的非線性應(yīng)用答辯課件11 九月 202223.1 對(duì)數(shù)器和指數(shù)器 3.1.1 對(duì)數(shù)器3.1.2 指數(shù)器09 九月 202243.1 對(duì)數(shù)器和指數(shù)器 3.1.1 11 九月 202233.1.1 對(duì)數(shù)器 對(duì)數(shù)器是實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓成對(duì)數(shù)關(guān)系的非線性模擬電路。 1.PN結(jié)的伏安特性IdPN結(jié)的正向?qū)娏鱅SPN結(jié)的反向飽和電流，它隨溫度變化 q電子電荷量，q = 1.602 10-19 C k玻爾茲曼常數(shù)，k = 1.38 10-23 J/ C T熱力學(xué)溫度 t = 25 C 時(shí)，Ud100mV 09 九月 202253.1.1 對(duì)數(shù)器 對(duì)11 九

2、月 202242. 二極管對(duì)數(shù)放大器由 得輸出電壓為 式中， 當(dāng) t=25 C 時(shí)，UT59mV。Uk=RIS09 九月 202262. 二極管對(duì)數(shù)放大器由 得輸出電壓為11 九月 202253. 三極管對(duì)數(shù)放大器圖3-1-3 三極管對(duì)數(shù)放大電路在理想運(yùn)放的條件下 輸出電壓為 采用三極管作變換元件，可實(shí)現(xiàn)56個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍，而采用二極管可實(shí)現(xiàn)34個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。 09 九月 202273. 三極管對(duì)數(shù)放大器圖3-1-3 11 九月 202263.1.2 指數(shù)器由 Uo=-IeR 和得輸出電壓為 圖中，當(dāng) t = 25 C 時(shí)， 圖3-1-5 基本指數(shù)器圖3-1-6 指數(shù)器的傳輸特性Uk

3、=RIS09 九月 202283.1.2 指數(shù)器由 Uo=-IeR11 九月 2022集成電路原理及應(yīng)用 能源工程學(xué)院73.3 二極管檢波器和絕對(duì)值變換器3.3.1 二極管檢波器3.3.2 絕對(duì)值檢波電路09 九月 2022集成電路原理及應(yīng)用 能源工程11 九月 202283.3.1 二極管檢波器1.理想二極管檢波器圖3-3-1 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 ， 09 九月 2022103.3.1 二極管檢波器1.理想二11 九月 20229圖3-3-2 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出輸入

4、電壓、輸出電壓的波形圖。 圖3-3-3 輸入為正弦時(shí) 的ui，uo波形圖09 九月 202211圖3-3-2 理想二級(jí)管檢波器的輸11 九月 202210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。 09 九月 202212分析由Ad和二極管結(jié)壓降引起的誤差：11 九月 202211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)， 09 九月 202

5、213式中有線性檢波死區(qū)限制最小輸入信號(hào)檢11 九月 2022123.3.2 絕對(duì)值檢波電路1.反相型絕對(duì)值檢波電路圖3-3-4 反相型絕對(duì)值檢波電路09 九月 2022143.3.2 絕對(duì)值檢波電路1.反相11 九月 2022集成電路原理及應(yīng)用 能源工程學(xué)院13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 09 九月 2022集成電路原理及應(yīng)用 能源工程11 九月 202214當(dāng)滿足電阻匹配條件：R3R2 = 2R1R4，例如選取 R1 = R3， R4 = 0.5R2 時(shí)，得0 不論輸入電壓ui

6、極性如何，uo 總為正值:當(dāng)取 R5 = R2 時(shí)圖3-3-5 反相型絕對(duì)值檢波器的傳輸特性即uo = | ui |09 九月 202216當(dāng)滿足電阻匹配條件：R3R2 = 211 九月 2022153.4 限幅器3.4.1 二極管并聯(lián)式限幅器3.4.2 二極管串聯(lián)式限幅器09 九月 2022173.4 限幅器3.4.1 二極管11 九月 2022163.4.1 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圖3-4-1 二極管并聯(lián)式限幅器當(dāng) ui低于某一門限電壓，即VD截止時(shí)：uiUimuA(Uref + UD) 09 九月 2022183.4.1 二極管并聯(lián)式限幅器1.11 九月 20

7、2217限幅器為反相器，其輸出電壓為傳輸特性的斜率為當(dāng)uiUim ，即VD導(dǎo)通時(shí)，UA被箝位在(Uref + UD) 電平上，這時(shí)限幅器的輸出電壓不再隨ui變化，其輸出電壓為 圖3-4-2 二極管并聯(lián)式限幅器的傳輸特性09 九月 202219限幅器為反相器，其輸出電壓為傳輸特性11 九月 2022183.4.2 二極管串聯(lián)式限幅器工作原理 圖3-4-5 二極管串聯(lián)式限幅器當(dāng)uAuD時(shí)，即 所以 當(dāng)輸入電壓低于某一門限電壓時(shí)，可得 :VD截止，IR1= IR209 九月 2022203.4.2 二極管串聯(lián)式限幅器工作11 九月 202219這時(shí)uAR2 時(shí)，溫度穩(wěn)定性更差。 當(dāng)輸入電壓等于或高于

8、輸入門限電壓時(shí)，VD導(dǎo)通，輸出電壓為09 九月 202221這時(shí)uA0，即 ui 時(shí)，VD2截止，VD1導(dǎo)通。 輸出電壓 ui 時(shí)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，輸出電壓 uo 0。 當(dāng)iS 0，即 限幅特性見(jiàn)下頁(yè)圖09 九月 2022223.線性檢波限幅器圖3-4-9 線11 九月 202221圖3-4-10 線性檢波限幅器的限幅特性門限電壓為 在下圖中此限幅器的優(yōu)點(diǎn)是具有穩(wěn)定的傳輸特性。如果將兩個(gè)二極管VD1、VD2 同時(shí)改變方向，參考電壓也改變方向，便可得到第二象限內(nèi)限幅特性。09 九月 202223圖3-4-10 線性檢波限幅器的限11 九月 2022223.5 二極管函數(shù)變換器3.5.1

9、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3.5.3 線性檢波型二極管函數(shù)變換器09 九月 2022243.5 二極管函數(shù)變換器3.5.111 九月 2022233.5.1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器圖3-5-1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器VD1限幅電路：VD3限幅電路：各串聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為 09 九月 2022253.5.1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變11 九月 202224各串聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為 VD2限幅電路：VD4限幅電路：圖3-5-1 串聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器09 九月 202226各串聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為 VD11 九月 202225假設(shè)

10、Uim4Uim2Uim1Uim3，則二極管函數(shù)變換器不同門限電壓范圍內(nèi)輸出電壓分別為： 當(dāng)ui Uim4時(shí)，只有VD2、VD4導(dǎo)通，輸出電壓為 當(dāng)Uim4 ui Uim2時(shí)，只有VD2導(dǎo)通，輸出電壓為 當(dāng)Uim2 ui Uim1 時(shí)，VD1VD4均截止， 09 九月 202227假設(shè)Uim4Uim2Uim1U11 九月 202226當(dāng)Uim1 uiUim3時(shí)，只有VD1導(dǎo)通，輸出電壓為 當(dāng)uiUim3時(shí)，只有VD1、VD3導(dǎo)通，輸出電壓為 圖3-5-2 串聯(lián)限幅二極管函數(shù)變換器的限幅特性09 九月 202228當(dāng)Uim1 uiUim3時(shí)，只有11 九月 2022273.5.2 并聯(lián)限幅型二極管

11、函數(shù)變換器圖3-5-3 并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變換器各并聯(lián)限幅電路的門限電壓分別為 VD1限幅電路：VD3限幅電路：VD2限幅電路：VD4限幅電路：09 九月 2022293.5.2 并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)變11 九月 202228假設(shè)Uim4Uim2Uim1Uim3，則二極管函數(shù)變換 器不同門限電壓范圍內(nèi)輸出電壓分別為 :當(dāng)ui Uim4時(shí)，只有VD2、VD4導(dǎo)通，輸出電壓為 當(dāng)Uim4 ui Uim2時(shí)，只有VD2導(dǎo)通，輸出電壓為 09 九月 202230假設(shè)Uim4Uim2Uim1U11 九月 202229當(dāng)Uim2 ui Uim1 時(shí)，VD1VD4均截止， 當(dāng)Uim1 ui Uim3時(shí)，只

12、有VD1導(dǎo)通，輸出電壓為 當(dāng)uiUim3時(shí)，只有VD1、VD3導(dǎo)通，輸出電壓為 輸出電壓為09 九月 202231當(dāng)Uim2 ui Uim1 時(shí)，11 九月 202230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)變換器輸出電壓的變化率是隨輸入電壓增大而減小。09 九月 202232圖3-5-4 并聯(lián)限幅型二極管函數(shù)11 九月 2022313.6 電壓比較器及其應(yīng)用3.6.1 電壓比較器的性能3.6.2 單限電壓比較器3.6.3 遲滯電壓比較器3.6.4 窗口電壓比較器3.6.5 電壓比較器的應(yīng)用舉例09 九月 2022333.6 電壓比較器及其應(yīng)用3.6.11 九月

13、 2022323.6.1 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)或正反饋狀態(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。09 九月 2022343.6.1 電壓比較器的性能1. 11 九月 202233鑒別靈敏度又稱為分辨率或轉(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

14、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）。5.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。09 九月 202235鑒別靈敏度又稱為分辨率或轉(zhuǎn)換精度，它11 九月 202234電壓比較器的輸出數(shù)字信號(hào)一般用以帶動(dòng)門電路，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)。09 九月 202236電壓比較器的輸出數(shù)字信號(hào)一般用以帶動(dòng)11 九月 2022353.6.2 單限電壓比較器1.基本電路和

15、輸入輸出特性圖3-6-1 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。 外加門限電位Em這種特性稱為上行特性 09 九月 2022373.6.2 單限電壓比較器1.基本11 九月 202236外加一個(gè)門限電位Em當(dāng)UiEm時(shí)，uO=UOL； 當(dāng)UiEm時(shí)，uO=UOH。 圖3-6-2 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為下行特性。 09 九月 202238外加一個(gè)門限電位Em當(dāng)UiEm時(shí)，11 九月 2022372.輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器圖3-6-3 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)UiE

16、m時(shí)，當(dāng)UiEm時(shí)，uO=UOH。 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； 09 九月 2022392.輸入箝位保護(hù)和輸出箝位單限比較器11 九月 2022383. 任意電平比較器UiEm，uO=UOH 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 圖 3-6-4 任意電平的單限比較器及其輸入輸出特性09 九月 2022403. 任意電平比較器UiEm，uO11 九月 2022393.

17、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，也稱回差電壓比較器。 1. 輸入輸出特性有兩個(gè)門限電位，數(shù)值大EmH叫上門限電位，數(shù)值小EmL叫下門限電位，兩者之差叫門限寬度，用Em表示，Em= EmH EmL 。 圖 3-6-5 遲滯電壓比較器的輸入輸出特性09 九月 2022413.6.3 遲滯電壓比較器 11 九月 2022402.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3-6-6 具有下行特性的遲滯電壓比較器及其傳輸特性09 九月 2022422.遲滯電壓比較器的工作原理 11 九月 20224

18、1分析步驟如下(2)寫出u+，u_的表達(dá)式(3)求出門限電位EmL、 EmH將 uo = UZ分別代入上式中，得(1)確定輸出電壓UOuo = UZUOH = UZ， UOL = -UZu- = ui09 九月 202243分析步驟如下(2)寫出u+，u_的表11 九月 202242假設(shè)u+ = u- ，求出ui的值即為門限電位。 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。09 九月 202244假設(shè)u+ = u- ，求出ui的值即11 九月 2022433.6.4 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)電位稱為下門限電位EmL，較大一個(gè)電位稱為上門限電位EmH，二者之差稱為門限寬度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