模拟集成电路的非线性应用

第3章 模拟集成电路的非线性应用3.1 对数器和指数器对数器和指数器是模拟集成电路中应用比较广泛的电路之一。

对数器和指数器可以完成对数和指数运算，可以作对数函数发生器和指数函数发生器，可以进行乘法和除法运算，可以进行平方和开方运算，还可以对信号进行对数压缩，如将线性坐标转化为对数坐标，线性扫频转化为对数扫频等。

本节主要介绍对数器和指数器。

对数器对数器是实现输出电压与输入电压成对数关系的非线性模拟电路。

PN 结的伏安特性半导体PN 结的伏安特性为 )1(dS d -=U kT q eI I上式中， I d −−是PN 结的正向导通电流I S −−是PN 结的反向饱和电流，它随温度变化 q −−是电子电荷量，q = 1.602 × 10-19 C k −−是玻尔兹曼常数，k = 1.38 × 10-23 J/ ºC T −−是绝对温度在常温下，t = 25 ºC 时，m V 26≈qkT，若结电压d U ＞100mV ，则上式近似为 dS d U kT q eI I ≈二极管对数放大器在理想运放的条件下，d o U u -= ，由 dS d U kT q e I I = ，得此对数器的输出电压为)lg()lg(32ki T S i d o U U U RI U q kT.U U -=-=-= 式中， qkTU 3.2T = ，当 t = 25 ºC 时，m V 59T ≈U ，S k RI U = 。

为了利用PN 结正向导通特性的指数伏安特性，要求输入电压必须为正，若PN 结反接，则输入电压必须为负。

在分析上述关系式时，忽略了PN 结的体电阻的影响。

实际上，由于体电阻上的压降而破坏了正常的对数运算，所以要选用体电阻小的管子作变换元件。

U oU iU -U -2U -3U lg U i三极管对数放大器在理想运放的条件下， beS E c U kT q eI I I α=α≈式中，S I 是三极管be 结的反向饱和电流，α是共基极电流放大系数。

集成电路试题二、选择题（14分，每小题2分）1、集成运放的输入级采用差分放大电路是因为可以（）。

A减小温漂B增大放大倍数C提高输入电阻2、为提高集成运放的放大倍数，集成运放的中间级多采用（）。

A共射极放大电路B共集放大电路C共基放大电路3、现有电路：A反相运算电路B同相运算电路C积分运算电路D微分运算电路E加法运算电路F乘方运算电路（1）欲将正弦波电压转换成二倍频电压，应选用（）。

（2）欲将正弦波电压叠加上一个直流量，应选用（）。

（3）欲实现Au＝－100的放大电路，应选用（）。

（4）欲将方波电压转换成三角波电压，应选用（）。

（5）欲将方波电压转换成尖顶波电压，应选用（）。

下列关于74LS245的用途,不正确的说法是（）A.常用于数据锁存B.常用于数据双向传送C.常用于数据驱动D.常用于数据缓冲一、RS-232C标准的电气特性中数据"0"规定为（）二、 A.-3～-15V三、 B.-5～0V四、 C.0～+5V五、 D.+3～+15V六、选择题；1一个理想运放的基本条件是()。

(a)A ud=∞；(b)r od=∞；(c)r id=0；(d)K CMRR=0。

2集成运放在应用中出现自激，这一般是由于下述原因之一所致()。

(a)退耦电容太大；(b)分布电容太小；(c)负载电容太大；(d)耦合电容太大。

3在下列几种典型的积分电路中，哪个是比较积分电路？()。

4模拟电路的非线性应用之一是()。

(a)比例放大；(b)求和放大；(c)积分器；(d)对数器。

5模例乘法器的应用电路之一是()。

(a)加法器；(b)减法器；(c)整流器；(d)鉴频器。

6在下例比较器中，抗干扰能力最强的是()。

(a)单门限比较器；(b)迟滞比较器；(c)窗口比较器；(d)三态比较器。

7在集成变换器中，属于周期性变换器的是()。

(a)U/I变换器；(b)I/U变换器；(c)U/F变换器；(d)阻抗变换器。

8DAC0832的转换位数是()。

实验: 集成运算放大器的非线性应用电路一、实验目的1.掌握单限比较器、滞回比较器的设计、测量和调试方法。

2.掌握电压比较器应用电路电压传输特性的测试方法。

3.学习集成电压比较器在电路设计中的应用。

二、实验内容CCV+87651234OE IN-IN+CCV-LM311OCBAL/STRB BAL图1 741Aμ和LM311的引脚图1. 电压比较器（SPOC实验、Multisim仿真实验）（1）学习SPOC实验内容，利用Multisim仿真软件，按图2接好电路，电阻R1=R2=10kΩ，电阻R3为5.1kΩ。

由函数信号发生器调出1000Hz，峰峰值为5V，偏移量为0V的正弦交流电压加至iu端。

按表中给定数值改变直流信号源输入电压U R。

利用示波器通道1测量输入iu电压波形，通道2测量输出ou端的矩形波波形如图3所示。

其中稳压管VS选取：“DIODE”→“ZENER”→“1N5233B”iuou图2 电压比较器图3 输出电压波形（2）按表1中给定值调节U R的大小，用示波器观察输出矩形波的变化，测量测量HT和T的数值，并记入表1中。

表1电压比较器的测量0 1000 492.518 0.5 1000 945.454 11000 436.052截图仿真电路图：当U R =1V 时，截取输入i u 和输出o u 的电压波形：2. 反相滞回比较器电路（SPOC 实验、Multisim 仿真实验）1) 学习SPOC 实验内容，利用仿真软件，按图4所示的电路选择电路元件，接好电路。

其中稳压管VS 选取：“DIODE ”→“ZENER ” →“1N5233B ”-++81R iu ou 2R FR 3R 10k Ω10k Ω100k Ω5.1k ΩVS图4 反相滞回比较器仿真电路图截图：2) i u 接频率为1kHz ，峰峰值为2V 的正弦信号，观察并截取输入i u 和输出o u 的波形。

要求示波器的通道1接输入电压波形，通道2接输出电压波形。

第四节 集成运放的非线性应用一、集成运放非线性应用的重要结论运放电路在开环或正反馈的情况下，工作在非线性区。

由图3-3-2可见，此时输出电压只有两个值：1．当u P>u N时，u o=+U o（sat）；2．当u P<u N时，u o=－U o（sat）；运放工作在非线性区时，u P≠u N，“虚短”已不再成立，但仍然有i P=i N=0，即“虚断”仍然成立。

这是集成运放非线性应用的重要结论，也是非线性应用电路的分析要领之所在。

二、信号处理电路集成运放不仅可以对信号进行运算，还可以对信号进行处理，包括信号的滤波、比较与选择、采样与保持等。

其中，电压比较器为典型的集成运放非线性应用电路。

电压比较器常用于超限报警、模数转换以及非正弦波产生等电路。

它将输入电压与参电压的幅度进行比较，并由输出电压反映所比较的结果。

集成运放用作比较器时，常工作于开环状态，只要输入电压与参考电压不相等（即使是微小的差别），输出就立即饱和。

为了改善输入、输出特性，可在电路中引入正反馈。

因此，电压比较器可分为单值比较器和滞回比较器两类。

1．单值电压比较器图3-4-1所示是一个简单的单值电压比较器电路及其传输特性图。

图中，运放的同相输入端接参考电压U REF，反相输入端接输入电压u i。

运放处于开环工作状态，当u i>U REF时，输出电压u o=－U o（sat）；当u i<U REF时，输出电压u o=+U o（sat）。

特别地，若运放的同相输入端接地，则参考电压为U REF=0V，这时的电压比较器称为过零比较器。

当过零比较器的输入信号u i为正弦波时，输出电压为正负宽度相同的矩形波，如仿真电路及输出波形3-4-2所示。

由于比较器中的运放输入端u P ≠u N ，为了避免净输入过大损坏运放，在输入端可串接电阻或并联二极管。

另外，为适应后级电路需要，减小输出电压，可在输出电路中采用稳压管限幅，如图3-4-3所示。

集成运放非线性应用及其在波形产生方面的实验一、实验目的1. 学会在集成运算放大器实现波形变换及波形产生。

二、实验所用仪器设备1. 测量仪器。

2. 模拟电路通用实验板（内含集成电路插座，电阻，电容等）。

3. 电子电路实验箱（F007两只）。

4. 6V稳压二极管两只（2CW7E）。

三、实验内容及要求1. 基本命题（1）设计一个正弦信号发生器，要求f0=5kHz±10%。

（2）设计一个单运放方波信号发生器，要求f0=500Hz±10%，输出幅度U PP为12V。

（3）设计一个占空比可调的单运放信号发生器，要求f0=2kHz±10%，输出幅度U PP为12V，占空比在40%~70%内可调。

根据以上实验任务设计线路，并用计算机仿真。

据计算机仿真实验结果，先在模拟通用实验板上搭建电路，调试达到设计要求。

2.扩展命题（1）设计一个双运放方波一三角波发生器，要求输出频率f0=2kHz±10％，三角波输出幅度Vpp大于3V。

（2）设计一个双运放锯齿波信号发生器，要求输出频率f0=2kHz±10％，输出幅度Vpp 大于6V。

四、实验说明及思路提示1.基本命题（1）正弦信号发生器正弦信号发生器如图1所示，图中R1，R2，C1和C2组成的文氏桥作为选频网络构成正反馈支路，R3, R P和R4构成负反馈支路。

R P用来调整负反馈的深度，以满足起针条件和改善波形。

利用二极管D1，D2正向导通电阻的非线性自动调节电路的闭环放大倍数，以稳定波形的幅度。

图1 正弦信号发生器当R1=R2=R，C1=C2=C时，电路的振荡频率为f0=12πRC（1）根据起振条件，负反馈电阻R FR3≥2，（2）式中：R F——负反馈支路电阻。

（2）方波与占空比可调的矩形波发生器图2（a）所示，它是一个单运放组成的方波信号发生器，A1通过其中R1与R F组成正反馈的迟滞比较器，运放同端的输入电压为u+=R1R1+R Fu o（3）电阻R P和电容C组成定时电路。