模拟集成电路的非线性应用

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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3.6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=1.602×10-19Ck玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/ºCT绝对温度t=25ºC时，Ud＞100mVT以298代入热力学温度又

2、叫热力学标温，符号T，单位K（开尔文，简称开）。早在1787年法国物理学家查理（J.Charles）就发现，在压力一定时，温度每升高1℃，一定量气体的体积的增加值（膨胀率）是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系。以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.16。摄氏度为表示摄氏温度时代替开的一个专门名称。而水的三相点温度为0.01摄氏度。因此热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是T＝t＋273.15。2.二极管对数放大器由得输出电压为式中，当t=25ºC时，UT≈59mV。图3

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要选体电阻小的二极管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。Ui>0,使用NPNUi<0,使用PNP保护VT不被反向击穿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此部分大都做在了集成电路内部3.1.2指数器由Uo=-IeR和得输出电压为1.基本指数器图3-1-5基本指数器图

4、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主要用于乘法、除法、平方、开方等运算及信号的压缩和放大电路中，还可用于产生锯齿波、阶梯波的电路中。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（

5、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=KXYK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①X=0时，Y为任意值，或Y=0时，X为任意值，则输出Z=0。②当X等于某一常数

6、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。③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，则有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

7、，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。跨导：一个电路单元的输出电流与该单元的输入电压的比值，这个电路单元通常指放大器。在MOS管中，跨导的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，跨导为曲线的斜率。单位是S（西门子），一般用mS。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=gmui1.跨导型集成运放简介跨导

8、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