集成电路原理精选文档.ppt

《集成电路原理精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成电路原理精选文档.ppt（98页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、集成电路原理本讲稿第一页，共九十八页3.1 对数器和指数器对数器和指数器 3.1.1 对数器对数器3.1.2 指数器指数器3.1.3 集成化的对数器和指数器集成化的对数器和指数器本讲稿第二页，共九十八页3.1 对数器和指数器对数器和指数器 对数器对数器是实现输出电压与输入电压成对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。数关系的非线性模拟电路。1.PN结的伏安特性结的伏安特性IdPN结的正向导通电流结的正向导通电流ISPN结的反向饱和电流，它随温度变化结的反向饱和电流，它随温度变化 q电子电荷量，电子电荷量，q=1.602 10-19 C k玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，k=1.38

2、10-23 J/C T绝对温度绝对温度 t=25 C 时，时，Ud100mV 本讲稿第三页，共九十八页2.二极管对数放大器二极管对数放大器由由 得得输出电压输出电压为为 式中，式中，当当 t=25 C 时，时，UT59mV。图图3-1-2 二极管对数器二极管对数器 的传输特性的传输特性图图3-1-1 二极管对数器二极管对数器Uk=RIS本讲稿第四页，共九十八页3.三极管对数放大器三极管对数放大器图图3-1-3 三极管对数放大电路三极管对数放大电路在理想运放的条件下在理想运放的条件下 输出电压输出电压为为 采用三极管作变换元件，可实现采用三极管作变换元件，可实现56个数量级的动态范围，个数量级的

3、动态范围，而采用二极管可实现而采用二极管可实现34个数量级的动态范围。个数量级的动态范围。二极管和三极管对数器明显缺点是二极管和三极管对数器明显缺点是温度稳定性差。温度稳定性差。本讲稿第五页，共九十八页4.温度补偿对数器的实际电路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补偿对放大器的实际电路输出电压输出电压为为 本讲稿第六页，共九十八页3.1.2 指数器指数器由由 Uo=IeR 和和得得输出电压输出电压为为 式中，式中，当当 t=25 C 时，时，1.基本指数器基本指数器图图3-1-5 基本指数器基本指数器图图3-1-6 指数器的传输特性指数器的传输特性本讲稿第七页，共九十

4、八页2.具有温度补偿的实用指数器具有温度补偿的实用指数器图图3-1-7 具有温度补偿的实用精密指数器具有温度补偿的实用精密指数器本讲稿第八页，共九十八页VT2 的集电极电流为的集电极电流为在在ui0时时设设 得得 输出电压输出电压 选正温度系数的选正温度系数的RT，可对环境温度，可对环境温度引起的变化进行补引起的变化进行补偿。偿。本讲稿第九页，共九十八页3.1.3 集成化的对数器和指数器集成化的对数器和指数器图图3-1-8 8048型集成化对数放大器型集成化对数放大器本讲稿第十页，共九十八页图图3-1-9 8049型集成化指数器型集成化指数器本讲稿第十一页，共九十八页3.2 乘法器及其应用乘法

5、器及其应用3.2.1 乘法器的基础知识乘法器的基础知识3.2.2 乘法器的工作原理乘法器的工作原理3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用电路本讲稿第十二页，共九十八页3.2.1 乘法器的基础知识乘法器的基础知识1.乘法器乘法器乘法器乘法器具有两个输入端（通常称为具有两个输入端（通常称为X输入端和输入端和Y输入端）和一个输出端（通常称为输入端）和一个输出端（通常称为Z输出端）。输出端）。图图3-2-1 乘法器的符号乘法器的符号输出特性输出特性方程为方程为 或或 Z=KXY K为增益系数或标为增益系数或标度因子，单位为度因子，单位为V-1。uo(t)=Kux(t)uy(t)本讲稿第十三页

6、，共九十八页图图3-2-2 乘法器乘法器 的工作象限的工作象限2.乘法器的工作象限乘法器的工作象限乘法器有四个工作区，它两个乘法器有四个工作区，它两个输入电压极性来确定。输入电压极性来确定。两个输入端只能适应单一极性两个输入端只能适应单一极性乘法器称为乘法器称为单象限乘法器单象限乘法器。如果一个输入端适应正、负两如果一个输入端适应正、负两种极性，另一输入端只能适应种极性，另一输入端只能适应单一极性乘法器称为单一极性乘法器称为二象限乘二象限乘法器法器。如果两个输入端均能适应正、负极性的乘如果两个输入端均能适应正、负极性的乘法器称为法器称为四象限乘法器。四象限乘法器。本讲稿第十四页，共九十八页3.

7、乘法器的基本性质乘法器的基本性质（1）乘法器的）乘法器的静态特性静态特性X=0时，时，Y为任意值，则为任意值，则输出输出Z=0；Y=0时，时，X为任为任意值，则输出意值，则输出Z=0。当当 X 等于某一常数时，等于某一常数时，输出输出Z与与Y 成正比，成正比，Z与与Y的关系曲线称为的关系曲线称为四象限输四象限输出特性出特性。当输入幅值相等时，即当输入幅值相等时，即X=Y或或X=Y，输出与输入的关系曲线称为输出与输入的关系曲线称为平方率输出特性。平方率输出特性。图图3-2-3 理想乘法器理想乘法器 四象限输出特性四象限输出特性本讲稿第十五页，共九十八页图图3-2-4 理想乘法器理想乘法器 平方律

8、输出特性平方律输出特性(2)乘法器的线性和非线性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。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：一个输入电压为恒线性器件，例如：一个输入电压为恒定值时，即定值时，即X=常数，常数，Y=V1+V2，则有，则有式中式中 理想乘法器属于非线性器件还是线性器件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，在这里取决于两个输入电压的性质，在这里“线性线性”的含义仅仅是非线性本质的特殊情况。的含义仅仅是非线性本质

9、的特殊情况。本讲稿第十六页，共九十八页3.2.2 乘法器的工作原理乘法器的工作原理模拟乘法器有多种方法能实现，模拟乘法器有多种方法能实现，有对数有对数指数相乘法、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。乘法和变跨导相乘法等。其中其中变跨导乘法器变跨导乘法器便于集成，内部元件有较高便于集成，内部元件有较高 的温度的温度稳定性和运算精度，且运算速度较高，稳定性和运算精度，且运算速度较高，它的它的 3dB频率可达频率可达10MHz以上。以上。本讲稿第十七页，共九十八页式中，式中，io输出电流，输出电流，ui输入

10、电压，输入电压，gm跨导或称为跨导或称为OTA的增益。的增益。OTA的的传输特性传输特性可表示为可表示为 io=gmui1.跨导型集成运放简介跨导型集成运放简介跨导型集成运放跨导型集成运放(Operational Transconductance Amplifier 缩写为缩写为OTA)与一般集成运放区别是，具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，有一个以偏置电流注入形式出现附加控制输入端，这使这使OTA特性及应用更加灵活；这种器件的输出不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，而是具是一般集成运放中输出电阻趋于零电压源，而是具有

11、极高输出电阻的电流源表示。有极高输出电阻的电流源表示。本讲稿第十八页，共九十八页2.单片集成单片集成OTA电路电路CA3038图图3-2-5 CA3038的内部电路的内部电路即即 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 i2本讲稿第十九页，共九十八页输出电流输出电流为为电压增益电压增益为为在传输特性线性区，在传输特性线性区，常温时常温时 调整调整Ic，即可改变即可改变gm，故称为故称为可变跨导型可变跨导型。图图3-2-6 CA3038 的传输特性的传输特性本讲稿第二十页，共九十八页3.F3038的主要性能指标的主要性能指标参参 数数 名名 称称典典

12、型型 值值单单 位位输入失调电压输入失调电压0.4mV输入失调电流输入失调电流0.12 Agm9.6mS峰值输出电压峰值输出电压RL=+13.514.4V电源电流电源电流1mA功耗功耗30mW共模拟制比共模拟制比110dB峰值输出电流峰值输出电流RL=0500 A共模输入电压共模输入电压+13.614.6V输入电阻输入电阻26k 在室温在室温25 C，电源电压，电源电压15V及及IC=500 A 的条件下。的条件下。本讲稿第二十一页，共九十八页3.2.3 模拟乘法器的应用电路模拟乘法器的应用电路1.平衡调幅器平衡调幅器图图3-2-7 平衡调幅器的组成方框图平衡调幅器的组成方框图设载波信号设载波

13、信号 ux(t)=Uxm cos ct V 为大信号为大信号 使相应晶体管工作在开关状态，开关函数为使相应晶体管工作在开关状态，开关函数为sX(t)，对对sX(t)进行傅立叶分解，表达式可写为：进行傅立叶分解，表达式可写为：调制信号调制信号uy(t)=U m cos t V为小信号。为小信号。本讲稿第二十二页，共九十八页得乘法器得乘法器输出电压输出电压为为式中，式中，Rc、RY是乘法器集成电路的内部电阻，是乘法器集成电路的内部电阻，其中其中RY 是反馈电阻，是反馈电阻，Rc 是集电极负载电阻。是集电极负载电阻。经滤波器滤除载波的谐波组合后，经滤波器滤除载波的谐波组合后，输出电压输出电压为为AF

14、为带通滤波器传输系数为带通滤波器传输系数 本讲稿第二十三页，共九十八页图图3-2-8 平衡调幅的波形图平衡调幅的波形图输出电压中仅有输出电压中仅有上下边频分量上下边频分量不存在载频不存在载频 c分量，分量，所以这种调制称为所以这种调制称为抑制载波的双边带调制，抑制载波的双边带调制，又称又称平衡调制。平衡调制。本讲稿第二十四页，共九十八页调制信号为调制信号为1.6kHz，载波信号为载波信号为40kHz。14脚输出抑制载波脚输出抑制载波双边带信号。利用双边带信号。利用X失调电位器失调电位器RX，使输出产生载频使输出产生载频 c信号，则可得到普信号，则可得到普通调幅波，通调幅波，调调RX 可用于改变

15、调幅度。可用于改变调幅度。图图3-2-9 平衡调幅器平衡调幅器本讲稿第二十五页，共九十八页2.乘积检波器乘积检波器用模拟乘法器组成的检波电路称为用模拟乘法器组成的检波电路称为乘积检波器，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。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，即另一端输入与载波同频同相的高频信号，即相乘后为相乘后为本讲稿第二十六页，共九十八页经低通滤波器滤除高频分量，经低通滤波器滤除高频分量，得得低频电压输出低频电压输出为为式中，式中，K为乘法器标

16、度因子，为乘法器标度因子，AF为带通滤波器的传输系数为带通滤波器的传输系数。图图3-2-10 用乘法器解调的方框图用乘法器解调的方框图本讲稿第二十七页，共九十八页图图3-2-11 MC1595构成的乘积检波器构成的乘积检波器本讲稿第二十八页，共九十八页设设 得得乘法器输出电压乘法器输出电压为为调制低频信号调制低频信号为为 本讲稿第二十九页，共九十八页3.鉴频器鉴频器图图3-2-12 用用乘法器乘法器构成鉴频器的方框图构成鉴频器的方框图电压传输系数为电压传输系数为 式中式中 在在f0附近得附近得 本讲稿第三十页，共九十八页在在0.5（即（即30）范围内，）范围内，故得到故得到 此式表示能完成此式

17、表示能完成线性频相转换。线性频相转换。图图3-2-14 频相转移频相转移的的 网络的相频特性网络的相频特性图图3-2-13 频相转移网络频相转移网络 本讲稿第三十一页，共九十八页 图中，经放大后的调频信号图中，经放大后的调频信号uY(t)加到乘法器的一加到乘法器的一个输入端，同时个输入端，同时uY(t)又经线性频相转换网络产生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。加到乘法器的另一个输入端。乘法器完成鉴相功能。乘法器完成鉴相功能。当两路输入均为大信号时，当两路输入均为大信号时，乘法器具有三角形鉴相乘法器具有三角形鉴相特性特性，线性鉴相范围可达，线性鉴相范围可达(/2)。调频

18、波的解调输出调频波的解调输出为为 Kd鉴相灵敏度，鉴相灵敏度，f 调频波瞬时频率。调频波瞬时频率。Kf =Kd Q ff =(=(f f0),),本讲稿第三十二页，共九十八页图图3-2-15 用用MC1595构成的鉴频器构成的鉴频器本讲稿第三十三页，共九十八页4.混频器混频器图图3-2-16 双平衡混频器双平衡混频器本讲稿第三十四页，共九十八页3.3 二极管检波器和绝对值变换器二极管检波器和绝对值变换器3.3.1 二极管检波器二极管检波器3.3.2 绝对值检波电路绝对值检波电路本讲稿第三十五页，共九十八页3.3.1 二极管检波器二极管检波器1.理想二极管检波器理想二极管检波器图图3-3-1 理

19、想二极管检波电路理想二极管检波电路工作原理：工作原理：当当ui0时，时，VD1导通，导通，VD2截止，截止，当当ui 0时，时，VD1截止，截止，VD2导通，导通，0，本讲稿第三十六页，共九十八页图图3-3-2 理想二级管检波理想二级管检波器的输入输出特性器的输入输出特性以正弦输入电压为例以正弦输入电压为例可画出输入电压、输出电压的波形图。可画出输入电压、输出电压的波形图。图图3-3-3 输入为正弦时输入为正弦时 的的ui，uo波形图波形图本讲稿第三十七页，共九十八页分析由分析由Ad和二极管结压和二极管结压降引起的误差：降引起的误差：输出电压为输出电压为 集成运放的输出电压为集成运放的输出电压

20、为 由以上两式得由以上两式得得得输出电压输出电压为为 2.实际二极管检波特性实际二极管检波特性当当ui u_时，时，i10时，时，VD1导通，导通，VD2截止。截止。本讲稿第三十八页，共九十八页式中式中有线性检有线性检波死区限波死区限制最小输制最小输入信号检入信号检波能力波能力。有一个很小输入电压变化，有一个很小输入电压变化，当当ui u_时，时，i10时，时，输出电压为输出电压为 得得输出电压输出电压 由由i10，VD1截止，截止，VD2导通。导通。为反馈系数，为反馈系数，本讲稿第三十九页，共九十八页3.3.2 绝对值检波电路绝对值检波电路1.反相型绝对值检波电路反相型绝对值检波电路图图3-

21、3-4 反相型绝对值检波电路反相型绝对值检波电路本讲稿第四十页，共九十八页工作原理工作原理 当当ui0时，时，VD1导通，导通，VD2 截止，由截止，由u_=u+=0，uA=0得得输出电压输出电压为为 0。当当ui0时，时，VD1截止，截止，VD2导通，导通，得得输出电压输出电压为为 本讲稿第四十一页，共九十八页当满足电阻匹配条件：当满足电阻匹配条件：R3R2=2R1R4，例如，例如选取选取 R1=R3，R4=0.5R2 时，得时，得0 不论输入电压不论输入电压ui极性如何，极性如何，uo 总为正值总为正值:当取当取 R5=R2 时时图图3-3-5 反相型绝对值反相型绝对值检波器的传输特性检波

22、器的传输特性即即uo=|ui|本讲稿第四十二页，共九十八页反相型反相型绝对值检波电路绝对值检波电路缺点缺点是：是：输入电阻较低输入电阻较低。图图3-3-6 同相型绝对值电路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：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。电路工作原理的分析方法类似。本讲稿第四十三页，共九十八页2.增益可调的绝对值变换电路增益可调的绝对值变换电路图图3-3-7 可调增益绝对值变换电路可调增益绝对值变换电路当当ui0时，时，A1输出电压输出电压uo0

23、，则，则VD1止，止，VD2通，通，A1输出端通过输出端通过VD2 构成闭构成闭环。环。A1反相端输入电压将跟踪反相端输入电压将跟踪输入电压，即输入电压，即u=uiA2 在在u和和uo的作用下，的作用下，VD3通，通，VD4止。止。0 u端为虚地，端为虚地，R1为为uo的负载：的负载：本讲稿第四十四页，共九十八页当当ui0时，时，A1输出压输出压uo0，则，则VD1通，通，VD2截截止，止，A1输出端通过输出端通过VD1 构构成闭环。成闭环。0 调节调节m 可调增益可调增益。同样，同样，A1反相端电压将跟反相端电压将跟踪输入电压，即踪输入电压，即u=ui。A2 在在u0的作用下，的作用下，VD

24、4导通，导通，VD3截止。截止。若满足电阻匹配件：若满足电阻匹配件：R1=R则则输出电压输出电压为为本讲稿第四十五页，共九十八页从图中可以看出电位器从图中可以看出电位器(1m)R上上电流电流为为当当m0 或或 m1时，均会出时，均会出现极大电流，这是不允许现极大电流，这是不允许的，为此需在电位器两端的，为此需在电位器两端各串入一个电阻。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此绝对值变换电路的增益调节范围可以从几到几十倍，且十倍，且具有较高的输入阻抗。具有较高的输入阻抗。本讲稿第四十六页，共九十八页3.4 限幅器限幅器3.4.1 二极管并联式限幅器二极管并联式限幅器3.4.2

25、 二极管串联式限幅器二极管串联式限幅器本讲稿第四十七页，共九十八页3.4.1 二极管并联式限幅器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的工作原理图图3-4-1 二极管并联式限幅器二极管并联式限幅器当当 ui低于某一低于某一门限电压，即门限电压，即VD截止时：截止时：uiUimuA(Uref+UD)本讲稿第四十八页，共九十八页限幅器为反相器，其限幅器为反相器，其输出电压输出电压为为传输特性的斜率为传输特性的斜率为当当uiUim，即，即VD导通时，导通时，UA被箝位在被箝位在(Uref+UD)电平电平上，这时限幅器的输出电压不上，这时限幅器的输出电压不再随再随ui变化

26、，其变化，其输出电压输出电压为为 图图3-4-2 二极管并联式限幅器二极管并联式限幅器的传输特性的传输特性本讲稿第四十九页，共九十八页2.实际应用的二极管并联式限幅器实际应用的二极管并联式限幅器图图3-4-3 实际应用实际应用的二极管并联式的二极管并联式限幅器限幅器门限电压为门限电压为 输出电压为输出电压为 由以下两式可知，由于由以下两式可知，由于两个三极管结压降互相两个三极管结压降互相抵消，所以实现了温度抵消，所以实现了温度补偿。补偿。本讲稿第五十页，共九十八页图图3-4-4 双向限幅器的传输特性双向限幅器的传输特性如果在输入端采用这两如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可种输入限幅方法，

27、便可得到得到双向限幅器。双向限幅器。如果将参考电压改变方如果将参考电压改变方向，二极管改变方向，向，二极管改变方向，便可实现第二象限内传便可实现第二象限内传输特性。输特性。本讲稿第五十一页，共九十八页3.4.2 二极管串联式限幅器二极管串联式限幅器工作原理工作原理 图图3-4-5 二极管串联式限幅器二极管串联式限幅器当当uAuD时，时，即即 所以所以 当输入电压低于某一门限电压时，可得当输入电压低于某一门限电压时，可得:VD截止，截止，IR1=IR2本讲稿第五十二页，共九十八页这时这时uAR2 时，温度稳定性更差。时，温度稳定性更差。当输入电压等于或高于输当输入电压等于或高于输入门限电压时，入

28、门限电压时，VD导通，导通，输出电压输出电压为为本讲稿第五十三页，共九十八页在以上限幅电路的基础上，如果将参考电压改变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，便可实现方向，二极管改变方向，便可实现第二象限内的第二象限内的传输特性。传输特性。如果在输入端采用这两种输入限幅方如果在输入端采用这两种输入限幅方法，便可得到法，便可得到区间限幅器。区间限幅器。图图3-4-7 二极管区间限幅器二极管区间限幅器图图3-4-8 区间限幅器区间限幅器 的传输特性的传输特性本讲稿第五十四页，共九十八页3.线性检波限幅器线性检波限幅器图图3-4-9 线性检波限幅器线性检波限幅器当当i 0，即

29、，即 ui 时，时，VD2截止，截止，VD1导通。导通。输出电压输出电压 ui 时，时，VD2导通，导通，VD1截止，截止，输出电压输出电压 uo =0。当当i 0，即，即 限幅特性见限幅特性见下页图下页图本讲稿第五十五页，共九十八页图图3-4-10 线性检波限幅器的限幅特性线性检波限幅器的限幅特性门限电压门限电压为为 在下图中在下图中此限幅器的此限幅器的优点是优点是具有稳定的传输具有稳定的传输特性特性。如果将两个二极管如果将两个二极管VD1、VD2 同时改变同时改变方向，参考电压也改方向，参考电压也改变方向，便可得到第变方向，便可得到第二象限内限幅特性。二象限内限幅特性。本讲稿第五十六页，共

30、九十八页3.5 二极管函数变换器二极管函数变换器3.5.1 串联限幅型二极管函数变换器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线性检波型二极管函数变换器本讲稿第五十七页，共九十八页3.5.1 串联限幅型二极管函数变换器串联限幅型二极管函数变换器图图3-5-1 串联限幅型二极管函数变换器串联限幅型二极管函数变换器VD1限幅电路：限幅电路：VD3限幅电路：限幅电路：各串联限幅电路的各串联限幅电路的门限电压门限电压分别为分别为 本讲稿第五十八页，共九十八页各串联限幅电路的各串联限幅电路的门限电压门限电压分别为分别

31、为 VD2限幅电路：限幅电路：VD4限幅电路：限幅电路：图图3-5-1 串联限幅型二极管函数变换器串联限幅型二极管函数变换器本讲稿第五十九页，共九十八页假设假设Uim4Uim2Uim1Uim3，则二极管函数变换器不，则二极管函数变换器不同门限电压范围内同门限电压范围内输出电压输出电压分别为：分别为：当当ui Uim4时，只有时，只有VD2、VD4导通，导通，输出电压为输出电压为 当当Uim4 ui Uim2时，只有时，只有VD2导通，导通，输出电压为输出电压为 当当Uim2 ui Uim1 时，VD1VD4均截止，均截止，本讲稿第六十页，共九十八页当当Uim1 uiUim3时，只有时，只有VD

32、1导通，输出电压为导通，输出电压为 当当uiUim3时，只有时，只有VD1、VD3导通，输出电导通，输出电压为压为 图图3-5-2 串联限幅二极管串联限幅二极管函数变换器的限幅特性函数变换器的限幅特性本讲稿第六十一页，共九十八页3.5.2 并联限幅型二极管函数变换器并联限幅型二极管函数变换器图图3-5-3 并联限幅型二极管函数变换器并联限幅型二极管函数变换器各并联限幅电路的各并联限幅电路的门限电压门限电压分别为分别为 VD1限幅电路：限幅电路：VD3限幅电路：限幅电路：VD2限幅电路：限幅电路：VD4限幅电路：限幅电路：本讲稿第六十二页，共九十八页假设假设Uim4Uim2Uim1Uim3，则二

33、极管函数变换，则二极管函数变换 器不同器不同门限电压范围内门限电压范围内输出电压输出电压分别为分别为:当当ui Uim4时，只有时，只有VD2、VD4导通，输出电压为导通，输出电压为 当当Uim4 ui Uim2时，只有时，只有VD2导通，输出电压为导通，输出电压为 本讲稿第六十三页，共九十八页当当Uim2 ui Uim1 时，VD1VD4均截止，均截止，当当Uim1 ui Uim3时，只有时，只有VD1导通，输出电压为导通，输出电压为 当当uiUim3时，只有时，只有VD1、VD3导通，输出电压为导通，输出电压为 输出电压为输出电压为本讲稿第六十四页，共九十八页图图3-5-4 并联限幅型二极

34、管函数变换器的限幅特性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。率是随输入电压增大而减小。本讲稿第六十五页，共九十八页3.5.3 线性检波型二极管函数变换器线性检波型二极管函数变换器图图3-5-5 线性检波型二极管检波变换器线性检波型二极管检波变换器本讲稿第六十六页，共九十八页每个线性检波电路的每个线性检波电路的转折电压分别为转折电压分别为 假设假设Uim4Uim2Uim1Uim3，当输入电压在不同范围，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：时，各线性检波器的输出电压有以

35、下几种情况：由由A3引起的输出：引起的输出：当当uiUim3，uo3=0 当当uiUim3，由由A2引起的输出：引起的输出：当当uiUim2，uo2=0 当当uiUim2，本讲稿第六十七页，共九十八页由由A3引起的输出：引起的输出：当当uiUim3，uo3=0 当当uiUim3，由由A4引起的输出：引起的输出：当当uiUim4，uo4=0 当当uiUim4，输入电压输入电压ui通过电阻通过电阻R0引引起的起的输出电压输出电压为为将上述各分量求和，则可得出将上述各分量求和，则可得出总的输出电压总的输出电压为为由上述分析结果，可按输入由上述分析结果，可按输入电压在不同的转折电压范围电压在不同的转折

36、电压范围内得出总输出电压分别为内得出总输出电压分别为:本讲稿第六十八页，共九十八页 当当ui Uim4时，时，uo1、uo3均为零，均为零，输出电压输出电压为为 当当Uim4 ui Uim2时，时，uo1、uo3、uo4均为零，则均为零，则 当当Uim2uiUim1时时，uo1、uo2、uo3、uo4均为零均为零 则则本讲稿第六十九页，共九十八页 当当Uim1 uiUim3时，时，uo2、uo3、uo4均为零，均为零，则则 当当uiUim3时，时，uo2、uo4均为零，则均为零，则 可得线性检波型二极管函数变换器的可得线性检波型二极管函数变换器的函数变换特性曲线。函数变换特性曲线。本讲稿第七十

37、页，共九十八页综上所述，综上所述，设计二极管函设计二极管函数变换器步骤数变换器步骤如下：如下：由函数关系表达式由函数关系表达式uo=f(ui)确定每段折线的转折电压确定每段折线的转折电压和折线的斜率。和折线的斜率。图图3-5-6 线性检波型线性检波型二极管检波变换器的二极管检波变换器的限幅特性限幅特性用折线段来逼近已知函数；用折线段来逼近已知函数；根据对转折电压和斜率的根据对转折电压和斜率的要求设计每个线性检波器电路要求设计每个线性检波器电路的参数。的参数。本讲稿第七十一页，共九十八页3.6 电压比较器及其应用电压比较器及其应用3.6.1 电压比较器的性能电压比较器的性能3.6.2 单限电压比

38、较器单限电压比较器3.6.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器3.6.4 窗口电压比较器窗口电压比较器3.6.5 电压比较器的应用举例电压比较器的应用举例本讲稿第七十二页，共九十八页3.6.1 电压比较器的性能电压比较器的性能1.一般运放一般运放在使用时，往往是工作在闭环状态，多数应用在使用时，往往是工作在闭环状态，多数应用中还要求运放工作在中还要求运放工作在负反馈闭环状态负反馈闭环状态。2.当用作当用作电压比较器电压比较器时，集成运放应处在时，集成运放应处在开环工作状态开环工作状态。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，而相同，

39、而输出级与数字电路要求一致输出级与数字电路要求一致。4.电压比较器电压比较器频带较宽，无需相位补偿，频带较宽，无需相位补偿，以便尽可能获以便尽可能获得高速翻转，减小响应时间。得高速翻转，减小响应时间。本讲稿第七十三页，共九十八页鉴别灵敏度鉴别灵敏度又称为分辨率或转换精度，它是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。输入模拟信号电压的最小变化量。响应速度响应速度是反映比较器从高电平转换到低电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平或从低电平跳变到高电平时所需时间的长短（两者

40、所需时间一般不等）。短（两者所需时间一般不等）。6.电压比较器主要性能指标有：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。鉴别灵敏度、响应速度、带载能力等。本讲稿第七十四页，共九十八页电压比较器的输出数字信号一般用以带动门电电压比较器的输出数字信号一般用以带动门电路，因此路，因此带动负载能力带动负载能力的大小也是评价电压比较的大小也是评价电压比较器性能的一项重要指标。器性能的一项重要指标。表征这一指标的表征这一指标的主要参数是：主要参数是：输出电阻输出电阻Ro；输出高电平时的漏电流输出高电平时的漏电流IOR；输出端吸入电流输出端吸入电流Isink。Ro和和IOR 越小，越小，I

41、sink 越大，则带动越大，则带动负载的能力就越强。负载的能力就越强。本讲稿第七十五页，共九十八页3.6.2 单限电压比较器单限电压比较器1.基本电路和输入输出特性基本电路和输入输出特性图图3-6-1 具有上行特性的单限具有上行特性的单限电压比较器及其输入输出特性电压比较器及其输入输出特性当当UiEm时，时，uO=UOL；当当UiEm时，时，uO=UOH。外加外加门限电位门限电位Em这种特性称为这种特性称为上行特性上行特性 本讲稿第七十六页，共九十八页外加一个外加一个门限电位门限电位Em当当UiEm时，时，uO=UOL；当当UiEm时，时，uO=UOH。图图3-6-2 具有下行特性的单限电具有

42、下行特性的单限电压比较器及其输入输出特性压比较器及其输入输出特性这种特性称为这种特性称为下行特性。下行特性。本讲稿第七十七页，共九十八页2.输入箝位保护和输出箝位单限比较器输入箝位保护和输出箝位单限比较器图图3-6-3 输入箝位保护和输出箝位输入箝位保护和输出箝位单限比较器及其输入输出特性单限比较器及其输入输出特性当当UiEm时，时，当当UiEm时，时，uO=UOH=Em。输出也可以采用箝位，这输出也可以采用箝位，这时它的输出高、低电时它的输出高、低电位分别等于稳压管位分别等于稳压管VDw的稳的稳定电压和正向压降。定电压和正向压降。uO=UOL=-UD；本讲稿第七十八页，共九十八页3.任意电平

43、比较器任意电平比较器当当If=I1+Ir0,即即 调节调节R1/R2或或Er，都能改变，都能改变Eom。当当If=I1+Ir 0,即即 uO=UOL=-UD uO=UOH=Eom 图图 3-6-4 任意电平的单限比较器任意电平的单限比较器及其输入输出特性及其输入输出特性本讲稿第七十九页，共九十八页3.任意电平比较器任意电平比较器图图 3-6-4 任意电平的单限比较任意电平的单限比较器及其输入输出特性器及其输入输出特性uO=UOL=-UD UiEm，uO=UOH=Eom UiEm，本讲稿第八十页，共九十八页3.6.3 迟滞电压比较器迟滞电压比较器 具有迟滞输出特性的电压比具有迟滞输出特性的电压比

44、较器，叫迟滞电压比较器，较器，叫迟滞电压比较器，也称也称回差电压比较器。回差电压比较器。1.输入输出特性输入输出特性有两个门限电位，数值大有两个门限电位，数值大EmH叫叫上门限电位上门限电位，数值小数值小EmL叫叫下门限下门限电位电位，两者之差叫两者之差叫门限宽度门限宽度(回差回差电压电压)，用用 Em表示，表示，Em=EmH EmL。图图 3-6-5 迟滞电压比较器的输迟滞电压比较器的输入输出特性入输出特性本讲稿第八十一页，共九十八页2.迟滞电压比较器的工作原理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迟滞电压比较器共同特点是具有正反馈回路正反馈回路，而获而获得迟滞特性，同时加速

45、比较器转换过程。得迟滞特性，同时加速比较器转换过程。图图3-6-6 具有下行特性的迟滞电压具有下行特性的迟滞电压比较器及其传输特性比较器及其传输特性本讲稿第八十二页，共九十八页分析步骤分析步骤如下如下(2)写出写出u+，u_的表达式的表达式(3)求出门限电位求出门限电位EmL、EmH将将 uo=UZ分别代入上式中，得分别代入上式中，得(1)确定输出电压确定输出电压UOuo=UZUOH=UZ，UOL=-UZu-=ui本讲稿第八十三页，共九十八页假设假设u+=u-，求出，求出ui的值即为门限电位。的值即为门限电位。较大的一个即为较大的一个即为 EmH，较小的一个即为较小的一个即为 EmL。（4）判

46、断是上行特性还是下行特性）判断是上行特性还是下行特性若若ui从从集成运放的集成运放的反相端反相端输入，则为输入，则为下行下行特性；特性；若若ui从从集成运放的集成运放的同相端同相端输入，则为输入，则为上行上行特性。特性。（5）画出传输特性曲线）画出传输特性曲线由传输特性曲线即可分析迟滞电压由传输特性曲线即可分析迟滞电压比较器的工作原理。比较器的工作原理。本讲稿第八十四页，共九十八页3.6.4 窗口电压比较器窗口电压比较器用来判断输入信号用来判断输入信号ui是否位于两个指定电位之间。是否位于两个指定电位之间。较较小小一个电位称为一个电位称为下门限电位下门限电位EmL，较较大大一个电位称为一个电位

47、称为上门限电位上门限电位EmH，二者之差二者之差称为称为门限宽度门限宽度 Em。当当ui落入落入 Em之内或之内或“窗口窗口”之内时，为一种逻辑电平之内时，为一种逻辑电平（如为高电平），（如为高电平），当当ui落入落入 Em之外或之外或“窗口窗口”之外时，为另一种逻辑电平之外时，为另一种逻辑电平（如为低电平），（如为低电平），具有这种传输特性比较器称为具有这种传输特性比较器称为窗口电压比较器。窗口电压比较器。本讲稿第八十五页，共九十八页1.用集成运放实现的窗口比较器用集成运放实现的窗口比较器图图 3-6-8 用集成运放实现的窗口用集成运放实现的窗口比较器及其传输特性比较器及其传输特性工作原理工

48、作原理 当当 uiEL时，时，VD1导通，导通，VD2截止截止U-Ui，U+=EL 即即 U+U-，得得 uo o=UOHEHEL2UD 应满足应满足本讲稿第八十六页，共九十八页当当ELUiEH时，时，由此可见由此可见 两门限电位分别为两门限电位分别为EmH=EH，EmL=EL，Em=EH EL所以满足窗口比较器的特性，即所以满足窗口比较器的特性，即当当EmL Ui EmH时，时，输出是低电平，输出是低电平，uo o=UOLU-=EH，U+UiU-U+,得得 uo o=UOHVD1、VD2均导通均导通，U-U+U-U+,得得 uo o=UOL当当UiEmL 或或Ui EmH时，时，输出是高电平

49、，输出是高电平，uo o=UOH当当ui EH时，时，VD1截止，截止，VD2导通导通本讲稿第八十七页，共九十八页2.用专用电压比较器构成的窗口比较器用专用电压比较器构成的窗口比较器图图3-6-9 用专用电压比较器构成的用专用电压比较器构成的 窗口电压比较器及其传输特性窗口电压比较器及其传输特性须外须外接上接上拉电拉电阻。阻。A1截止，截止，A2导通，导通，A2 输出为低电平。输出为低电平。当当Ui EmL(EmH)时，时，A1导通，导通，A2截止，截止，A1 输出为低电平。输出为低电平。当当Ui EmH(EmL)时时当当EmL Ui EmH时，时，A1和和A2均截止，输出电均截止，输出电平是

50、由上拉负载电阻拉平是由上拉负载电阻拉向高电平。向高电平。本讲稿第八十八页，共九十八页3 3、采用绝对值变换器的窗口电压比较器、采用绝对值变换器的窗口电压比较器图图3-6-10 采用绝对值变换器的窗口电压比较器采用绝对值变换器的窗口电压比较器本讲稿第八十九页，共九十八页工作原理工作原理 首先分析首先分析A2工作工作状态：状态：A2输出电输出电平高低取决于相平高低取决于相加点电流方向。加点电流方向。i 0，uo=UD;i 0，uo=+=+UDA2相加点电流相加点电流 i =i1+i2+i3+i4分三步分析：分三步分析：(1)假设假设 Um=0,=0,UB=0=0则则 i3=0，i4=0，im=0当