模拟集成电路的非线性应用.ppt
2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,1,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,2,3.1 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,3,3.1 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,4,2.二极管对数放大器,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,5,3.三极管对数放大器,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,6,4.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,7,3.1.2 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,8,2.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,9,VT2 的集电极电流为,在ui0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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,10,3.1.3 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,11,图3-1-9 8049型集成化指数器,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,12,3.2 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,13,3.2.1 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),2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,14,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,15,3.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,16,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,17,3.2.2 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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,18,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电压源，而是具有极高输出电阻的电流源表示。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,19,2.单片集成OTA电路CA3038,图3-2-5 CA3038的内部电路,即,乘法器基本工作原理,Ic=I4=i1+i2,io=i8 i10=i1 i2,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,20,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,21,3.F3038的主要性能指标,在室温25C，电源电压15V及IC=500A 的条件下。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,22,3.2.3 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 V 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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,23,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,24,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,25,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,26,2.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,27,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,28,图3-2-11 MC1595构成的乘积检波器,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,29,设,得乘法器输出电压为,调制低频信号为,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,30,3.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,31,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,32,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=Kd Q,Dff=(f f0),2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,33,图3-2-15 用MC1595构成的鉴频器,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,34,4.混频器,图3-2-16 双平衡混频器,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,35,3.3 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,36,3.3.1 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，,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,37,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,38,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，i10时，,VD1导通，VD2截止。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,39,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，i10时，,输出电压为,得输出电压,由,i10，VD1截止，VD2导通。,为反馈系数，,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,40,3.3.2 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,41,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,42,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|,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,43,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,44,2.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ui0时，A1输出电压uo0，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：,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,45,当ui0时，A1输出压uo0，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u0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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,46,从图中可以看出电位器(1m)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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,47,3.4 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,48,3.4.1 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：,uiUim,uA(Uref+UD),2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,49,限幅器为反相器，其输出电压为,传输特性的斜率为,当uiUim，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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,50,2.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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,51,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,52,3.4.2 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=IR2,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,53,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,54,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,55,3.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,56,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,57,3.5 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,58,3.5.1 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,59,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,60,假设Uim4Uim2Uim1Uim3，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，VD1VD4均截止，,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,61,当Uim1 uiUim3时，只有VD1导通，输出电压为,当uiUim3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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,62,3.5.2 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：,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,63,假设Uim4Uim2Uim1Uim3，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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,64,当Uim2 ui Uim1 时，VD1VD4均截止，,当Uim1 ui Uim3时，只有VD1导通，输出电压为,当uiUim3时，只有VD1、VD3导通，输出电压为,输出电压为,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,65,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,66,3.5.3 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,67,每个线性检波电路的转折电压分别为,假设Uim4Uim2Uim1Uim3，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uiUim3，uo3=0,当uiUim3，,由A2引起的输出：,当uiUim2，uo2=0,当uiUim2，,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,68,由A3引起的输出：,当uiUim3，uo3=0,当uiUim3，,由A4引起的输出：,当uiUim4，uo4=0,当uiUim4，,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:,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,69,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Uim2uiUim1时，uo1、uo2、uo3、uo4均为零,则,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,70,当Uim1 uiUim3时，uo2、uo3、uo4均为零，则,当uiUim3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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,71,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,72,3.6 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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,73,3.6.1 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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,74,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,75,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,76,3.6.2 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UiEm时，uO=UOL；,当UiEm时，uO=UOH。,外加门限电位Em,这种特性称为上行特性,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,77,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,78,2.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；,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,79,3.任意电平比较器,UiEm，uO=UOH=Em,UiEm，uO=UOL=-UD,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=Em,图 3-6-4 任意电平的单限比较器及其输入输出特性,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,80,3.6.3 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，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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,81,2.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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,82,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,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,83,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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,84,3.6.4 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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,85,1.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,EHEL2UD,uiEL时，VD1导通，VD2截止,U-Ui，U+=Ui,即 U+U-，,得 uo=UOH,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,86,ui EH时，VD1止，VD2通,ELUiEH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=UOL,U-EH，U+=Ui,U-U+,得 uo=UOH,VD1、VD2均导通 U-U+,U-U+,得 uo=UOL,当UiEmL 或Ui EmH时，输出是高电平，uo=UOH,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,87,2.用专用电压比较器构成的窗口比较器,图3-6-9 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。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,88,3、采用绝对值变换器的窗口电压比较器,图3-6-10 采用绝对值变换器的窗口电压比较器,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,89,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。,i0，uo=-UD;,i0，uo=+UD,A2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ui0时，,当ui0时，,所以,i=i1+i2=-(ui/R)0,i=i1=(ui/R)0,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,90,图3-6-11 绝对值变换器i-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+i3,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,91,(3)当Um 0,UB 0时,当i=0 时，由上式可得,所以，窗口宽度为UB，中心电平为Um。显然，只要分别调节UB和Um，即可分别调节窗口宽度和窗口中心电平。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,92,3.6.5 电压比较器 的应用举例,1.电压比较器在时延 产生电路中应用,图3-6-12 时延产生电路,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,93,图3-6-13 时间波形图,这三个比较器反相输入端根据时延大小要求加相应基准电压。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,94,2.电压比较器在精密压控振荡器中的应用,图3-6-14 精密压控振荡器电路,由JO734电压比较器和集成运放组成的积分器构成的。其方波输出频率随着输入电压线性变化。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,95,积分器的输出电压为,该电路输出脉冲的频率与输入电压的关系,由上式可知，输出方波信号的频率在R1、C1、UR一定时，随Ui增加而增加，完成了压控振荡功能。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,96,3.电压比较器在峰值检波器中的应用,图3-6-15 峰值检波器,图3-6-16 峰值检波器的波形图,只有输入信号到达峰值的那一个时刻，比较器才有高电平输出。,2023/5/27,集成电路原理及应用 山东理工大学电气与电子工程学院,97,本章结束,
