西南民族大学集成电路第3章模拟集成电路的非线性应用
集成电路
1．2 集成运放的基本构成和表示符号1．2．1集成运放的基本构成集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器，是一种模拟集成电子器件。
集成运放内部电路包括四个基本组成环节，分别是：输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路。
对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路。
例如：温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过热保护电路、限流电路、稳压电路等。
图1—2—l所示为集成运放内部电路方框图。
由于三极管容易制造，且它在硅片上占的面积小，所以集成运放内部电路大量采用三极管代替其他元件，如用三极管代替二极管，用有源负载代替电阻负载等。
由于三极管是在相同的工艺条件下同时制造的，同一硅片上的对管特性比较相近，易获得良好的对称特性，且在同一温度场，易获得良好的温度补偿，具有很好的温度稳定性。
在集成电路中，各元件易于集成的顺序是：三极管、二极管、小的电阻、小的电容等，对于大的电阻或大的电容、电感等难以集成，可采用外接的方法。
在集成电路中，不能直接集成电感元件，如在集成电路内部需要电感时，可用其他元件(如：三极管、电阻、电容等)模拟出电感元件1，输入级为了提高集成运放的输入电阻、减小失调电压和偏置电流、提高差模和共模输入电压范围等性能，集成运放的输入级的差动输入放大电路，常采用超揖管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。
为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。
输入级的保护电路也是不可缺少的。
2，中间级集成运放的中间级常采用电平位移电路，将电平移动到地电平，其电路多采用恒流源、横向PNP管、稳压管、正向二极管链、电阻降压电路等。
从双端变单端的变换，常采用并联电压负反馈、有源负载、电流负反馈、PNP管等方法。
为了提高共模抑制能力、提高差模增益和提供稳定的内部工作电流，实际电路中广泛采用各种恒流源电路，如稳压管恒流源、镜像恒流源、多集电极恒流源、场效应管恒流源等。
模拟集成电路的非线性应用剖析
k玻尔兹曼常数，k = 1.38 × 10-23 J/ ºC
T绝对温度
Ud＞100mV
t
I
=
d
25
I
SºCe kqT时Ud，kqT
26mV
2020年11月9日星期一
集成电路原理及应用
能源工程学院
3
2. 二极管对数放大器
图3-1-1 二极管对数器
由 uo Ud Id ISe
q kT
U
d
图3-1-2 二极管对数器 的传输特性
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
Z KXY K(V1 V2 ) KV1 KV2
图3-2-4 理想乘法器 平方律输出特性
式中 K KX
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。
Ie
I eq kT
U
be
S
q
q
得输出电压为 Uo RI e RISekTUbe RISekTUi
式中，当
t
=
25
ºC
时，U T
2.3
kT q
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集成电路原理及应用
能源工程学院
7
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
2020年11月9日星期一
)
I e(
q kT
RT R1 RT
ui
)
R
设
RT 1 R1 RT 16.7
q 1 k T 26mV
得 Ic2 IR10ui
输出电压 uo Ic2R5 IR R5 10ui
模拟集成电路的非线性应用
二极管和三极管对数器明编显辑缺ppt 点是温度稳定性差。
6
4. 温度补偿对数器的实际电路
此部分大都 做在了集成 电路内部
图3-1-4 补偿对放大器的实际电路
输出电压为 Uo(1编R 辑Rp43p)t kqTlnR R (15V Ucic)
7
3.1.2 指数器
1.基本指数器
图3-1-5 基本指数器
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 IS(ekqTUd 1)
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/ ºC
T绝对温度 t = 25 ºC 时，kT 26mV
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
编辑ppt
1
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
编辑ppt
2
3.1 对数器和指数器
14
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。
图3-2-3 理想乘法器 四象限输出特性
③当输入幅值相等时，即X = Y或X = －Y，
Ud＞100mV
Id
I ekqTUd S
模拟电子技术实验-集成运算放大器的非线性应用电路
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。
混合集成电路中的非线性电路设计与优化
混合集成电路中的非线性电路设计与优化1. 引言随着电子科技的快速发展，混合集成电路成为了现代电子设备中不可或缺的一部分。
混合集成电路是指将各种不同功能的电子元件（如传感器、放大器、滤波器等）集成在同一个芯片上的电路。
其中，非线性电路作为混合集成电路中的重要组成部分，起到了关键的作用。
本文将主要介绍混合集成电路中的非线性电路设计与优化方法。
2. 非线性电路设计中的常见问题在设计非线性电路时，我们面临着一些常见的问题，如非线性失真、带宽限制和功耗等。
非线性失真是指信号在电路中传输时，由于非线性元件的存在，导致信号的失真和畸变。
带宽限制是指电路的频率响应有一定的上下限，超出这个范围的频率信号无法有效传输。
功耗是指电路在工作过程中消耗的能量。
针对这些问题，我们可以采用一些有效的优化方法来改进非线性电路的设计。
3. 非线性电路设计的优化方法（1）非线性元件选择与匹配在设计非线性电路时，我们需要选择合适的非线性元件，并将它们进行匹配。
常见的非线性元件包括二极管、三极管和场效应管等。
选择合适的非线性元件可以满足电路的特定需求，如提高工作频率、降低功耗和改进非线性失真等。
同时，我们需要对非线性元件进行匹配，以确保电路的性能稳定和可靠。
匹配的方法可以采用电路仿真软件进行模拟分析，或者通过实际测试来验证。
（2）电路拓扑结构优化电路拓扑结构对非线性电路的性能也有很大的影响。
通过对电路的拓扑结构进行优化，可以改善电路的频率响应、增加电路的增益和降低功耗等。
在进行电路拓扑结构优化时，可以考虑使用反馈电路、共射电路和共基电路等不同的结构。
同时，还可以通过引入补偿电路和滤波电路等辅助电路来提高电路的性能。
（3）使用仿真工具进行电路设计与验证在非线性电路的设计与优化过程中，使用专业的仿真工具可以极大地提高设计的效率和准确性。
常用的仿真工具有MATLAB、SPICE和ADS等。
通过仿真工具，我们可以对电路的性能进行模拟和分析，找出设计中存在的问题，并进行改进。
模拟IC的非线性应用
模拟IC具有连续性、非线性和时变性等特点，能够实现各种 模拟信号处理功能，如放大、滤波、混频、调制解调等。
模拟IC的重要性
信号处理
模拟IC在信号链中扮演着至关重要的 角色，能够实现信号的放大、滤波、 转换等功能，是实现信号获取、传输 和利用的关键环节。
系统性能
模拟IC的性能直接影响整个系统的性 能，如音频、视频、通信、测量等领 域的系统性能都与模拟IC的性能密切 相关。
解决方案
采用先进的电路和系统级优化技 术，如模拟混合信号优化、神经 网络辅助设计等。同时，不断探 索新的工艺和材料，以实现更高 效、更紧凑的非线性模拟IC设计。
05
未来展望
非线性应用的发展趋势
高效能
01
随着技术的进步，模拟IC的非线性应用将更加注重高效能，以
满足不断增长的计算需求。
智能化
02
非线性应用将与人工智能、机器学习等技术结合，实现智能化
确保稳定性的重要步骤。
优化设计问题
总结词
优化设计是解决模拟IC非线性应 用问题的关键，涉及多个方面如 功耗、面积和性能的权衡。
详细描述
在非线性模拟IC设计中，需要综 合考虑电路的功耗、面积、性能 等多个因素。如何在满足性能要 求的同时降低功耗和减小面积是 一个挑战。此外，还需要考虑不 同工艺和材料对设计的影响。
加强学术界与产业界的合作，共同推动模拟IC的非线性应用的商业 化进程。
THANK YOU
处理和决策。
集成化
03
随着芯片制造工艺的进步，模拟IC的非线性应用将更加集成化，
实现更小尺寸、更低功耗。
新材料与新工艺的应用
01
02
03
新材料
新型半导体材料如碳纳米 管、二维材料等将为模拟 IC的非线性应用提供更多 可能性。
西南民族大学集成电路第1章集成运放的基础知识
差模电压增益： 共模电压增益： 总输出电压：
uo = uod uoc Aud uid Auc uic
1 u ic = (u i1 u i2 ) u i1 u i2 2 uod Aud = uid uoc Auc = uic
第1章 集成运放的基础知识
u i1 Rc
+VCC Rc
uo1
T1
uo2
T2 Re ui2
_
VCC
Auc 0
体现对共模信号的 抑止作用
共模半等效电路 b Ib + rbe
第1章 集成运放的基础知识
+VCC Rc
集成电路
第1章 集成运放的基础知识
期末总评成绩
期末考试成绩 70％ 平时成绩 30％
集成电路原理及应用
1 集成运放的基础知识 2 模拟集成电路的线性应用 3 模拟集成电路的非线性应用 4 集成变换器及其应用 5 集成信号发生器 6 集成有源滤波器
第1章 集成运放的基础知识
第1章 集成运放的基础知识
第1章 集成运放的基础知识 1.1 集成运放的基本组成电路 1.2 集成运放的基本构成和表示符号 1.3 集成运放的主要参数和分类 1.4 集成运放的等效模型 1.5 实际运放与理想运放的误差 1.6 运放电路的稳定性及其判断 1.7 集成运放的相位补偿技术
第1章 集成运放的基础知识
1.1 集成运放的基本组成电路
差模输出电阻
RbR
u i1
Rc
b
Rc
uo12RL uo2
T1 Re T2
Rb
ui2
Rb
Rod 2 Rc
_
VCC
西电-电子线路实验-集成运放非线性应用
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。
集成电路原理及应用教学模拟集成电路的非线性应用
光刻是将设计好的电路图案转移到硅片 这些工艺步骤需要在高精度和高重复性
上，刻蚀是将硅片上不需要的部分去除 的条件下进行，以确保集成电路的性能
掉，掺杂是将需要的元素注入到硅片中，
和可靠性。
热处理则是使硅片上的元素进行重新排
列。
集成电路的应用领域
集成电路的应用领域非常广泛，包括计 算机、通信、消费电子、汽车电子、工 业控制等。
自动控制
非线性电路可以用于系统的控 制和调节，实现系统的稳定性 和性能优化。
测量技术
非线性电路可以用于各种物理 量的测量，如电压、电流、温
度、压力等。
非线性电路的设计方法
解析法
通过数学解析方法求解非线性方程，得到电路元件参数和结构。
仿真法
利用电路仿真软件对非线性电路进行模拟和分析，优化电路参数 和结构。
实验法
通过实际搭建非线性电路并进行实验测试，验证电路的性能和效 果。
04
模拟集成电路的非线性应 用实例
音频信号处理中的非线性应用
1 2
音频信号的非线性放大
利用模拟集成电路的非线性特性，可以实现音频 信号的非线性放大，从而创造出独特的音色和效 果。
音频信号的非线性压缩
通过模拟集成电路的非线性压缩，可以实现音频 信号的动态范围压缩，提高音频信号的响度。
易于集成
非线性电路可以与其他电子器件集成在同一 芯片上，有利于实现小型化和集成化。
非线性电路的缺点
信号失真
非线性电路在处理信号时，可能会产生失真， 影响信号质量。
调试难度大
非线性电路的调试难度较大，需要具备较高 的技术水平。
稳定性问题
非线性电路在某些情况下可能表现出不稳定 的行为，需要采取措施进行稳定控制。
集成运放的非线性应用课件
合理匹配输入和输出阻抗，减小信号的反射和损耗，提高集成运放的 效率。
降低噪声
选用低噪声器件
选用低噪声的器件可以降低集成运放内部的热噪声和散射噪声。
优化版图设计
优化集成运放的版图设计，减小寄生效应和耦合噪声。
噪声抑制技术
采用适当的噪声抑制技术，如滤波器、隔离变压器等，减小外部 噪声的干扰。
05
温度和老化测试
对电路进行温度和老化测 试，以确保电路在不同环 境和时间下的稳定性和可 靠性。
04
集成运放非线性的优化
减小失真
输入信号范围
01
集成运放的非线性失真主要来源于输入信号过大，因此减小失
真需要限制输入信号的范围，避免进入饱和区。
负反馈
02
通过引入负反馈，可以减小集成运放的非线性失真，提高信号
信号的检测与测量
总结词
集成运放非线性应用在信号检测与测量中，可以实现信号的检测、比较、阈值 判断和频率测量等功能，提高信号测量的准确性和可靠性。
详细描述
集成运放非线性应用在信号检测与测量中，利用其非线性特性，可以实现信号 的检测、比较、阈值判断和频率测量等功能。这些功能可以提高信号测量的准 确性和可靠性，使得信号处理更加可靠和准确。
雷达信号处理
要点一
总结词
集成运放非线性在雷达信号处理中应用广泛，能够实现雷 达信号的压缩、解调、滤波等效果。
要点二
详细描述
在雷达信号处理中，集成运放非线性可以用于实现雷达信 号的压缩和解调，通过对雷达回波信号进行非线性放大和 调制，实现对雷达回波信号的处理和分析。此外，集成运 放非线性还可以用于实现雷达信号的滤波效果，通过对雷 达回波信号进行非线性滤波处理，提取出有用的信号信息 和特征，用于实现雷达探测和目标识别的应用。
模拟电子技术项目教程 3.4集成运算放大器的非线性应用
+
u0
结构特点： 参考电压UR≠0
UR
R2
±UZ
分析方法：
+UZ 当u+>u-
第一步：由运作放特非点线，性有工 uo=
-UZ 当u+<u-
第二步：由电路求u+与u- 对图示电路，有u+=UR、u-= ui
第三步： 求阈值，得出比较器的传输特性
uo
因为当u+=u-时输出发生跳变，此时ui=UR，所 +UZ
uo=
第二步： 由电路求u+与u-
+UOM 当u+>u- R3 -UOM 当u+<u-
(1) 对图示电路，有 u-=ui
(2) 用叠加原理求u+
uo单独作用
U
R2 R2 R3
(UOM )
R2
R3
R3
U
R
UR单独作用
注意：对于不同的输出值，U+有两个取值
14
3.4 集成运算放大器的非线性应用
用微课学 ● 模拟电子技术 项目式教程
项目三 音调调节集成放大器的 设计与制作
1
3.4 集成运算放大器的非线性应用
uo(V) 10
-0.1
0.1
0
ui(mV)
-10
非线性区
非线性区
线性区
2
3.4 集成运算放大器的非线性应用
运放工作在非线性状态的条件 在图示运放电路中，有 uo=Aod(ui2-ui1)=Aodui
其传输特性如图所示
+U
ui1 ui2 uo(V)
-Δ A
+
+
西南民族大学集成电路第3章模拟集成电路非线性应用
第3章 模拟集成电路的非线性应用
若门限电位为零——为：过零比较器
uo
ui u +
UoH
uO
0 ui
∞ + u- － A +
UoL
ui u uo ∞ u+ + A +
uO
0
UoH
ui
UoL
第3章 模拟集成电路的非线性应用
例题：利用电压比 较器将正弦波变为 方波。
ui u +
ui
t
∞ + u- － A +
VD1 VD2
ui
＋
A1
uo
uo1
R1 = R
VD3
VD4
－ ＋
A2
uo2
ui>0时
u-1= ui 作用于A2的反向端 1 mR ui ) ui u-2虚地 uo (1 mR m
uo1 >0, VD1截止, VD2导通 uo2 <0, VD4截止, VD3导通
第3章 模拟集成电路的非线性应用
二极管D1截止，D2导通， ui
R3 U A Ui R1
R1
D1
R5 R4
D2
- A1 +
uA
– A2 +
uo
R5 R5 R5 R5 R3 U 0 Ui U A Ui Ui R2 R4 R2 R4 R1 R5 ( R2 R3 R1 R4 ) R1 R2 R4
可见, 门限电压:
Uim Uom
O
uI
U im
R2 U ref R1
第3章 模拟集成电路的非线性应用
3.6 电压比较器及其应用
模拟电子技术单元14-2：集成运放的非线性应用
2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO＝f(uI)
电压传输特性的三个要素：
（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT
（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向
二、集成运放的应用--电压比较 器
3. 几种常用的电压比较器
（1）单限比较器：只有一个阈值电压
设 uI＞+UT，则 uN＞ uP， uO＝－UZ。此时uP＝ －UT， 减小 uI，直至－UT，再减小， uO才从－UZ跃变为+UZ。
二、集成运放的应用—滞回比较器
讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性
向左右移多少？
1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？
2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？
3. 若要改变输入电压 过 阈值电压时输出电 压的 跃变方向，则应 如何修 改电路？
改变输出 限幅电路
二、集成运放的应用—窗口比较器
uI U RH uI URL
U OM U OM U OM U OM
当uI>URH时，uO1=－ uO2= UOM，D1导通，D2截 止； uO= UZ。 当uI<URL时，uO2=－ uO1= UOM，D2导通，D1截 止； uO= UZ 。 当URL<uI< URH时， uO1= uO2= －UOM，D1、D2均截 止； uO= 0。
二、集成运放的应用—单限比较器
2. 一般单限比较器
uN
R2 R1 R2
U REF
R1 R1 R2
uI
令uN uP 0，得
U O U Z
作用于反相输入端
UT
R2 R1
U REF
模拟IC的非线性应用精品
非线性特性的优势与挑战
优势
模拟IC的非线性特性使得其能够实现各种复杂的信号处理功能，如放大、缩小、 滤波、调制解调等，同时非线性特性还使得模拟IC具有较高的动态范围和较宽的 带宽。
挑战
由于模拟IC的非线性特性，其输出信号可能会产生失真，影响信号的质量。因此 ，在设计和应用模拟IC时，需要充分考虑其非线性特性，采取有效的措施来减小 失真，提高信电压与电流的非线性关系
模拟IC中的元件，如晶体管，其电压与电流之间的关系是非线性的，这种非线 性关系使得模拟IC能够实现各种复杂的信号处理功能。
输入与输出非线性映射
模拟IC的输入信号通过内部非线性元件的转换，输出信号与输入信号之间呈现 出非线性映射关系，这种关系使得模拟IC能够实现信号的放大、缩小、滤波等 功能。
模拟IC在电子系统中扮演着至关重要的角色，广泛应用于通 信、音频处理、图像处理、控制系统等领域。
非线性应用的重要性
非线性应用是模拟IC的重要应用领域 ，能够实现信号的放大、滤波、调制 和解调等功能，对于电子系统的性能 和稳定性具有重要影响。
随着电子系统的发展和性能要求的提 高，非线性应用在模拟IC中的地位越 来越重要，对于推动模拟IC技术的发 展和创新具有重要意义。
非线性特性的表现形式
01
02
03
幅度失真
当输入信号通过模拟IC后， 输出信号的幅度与输入信 号的幅度不一致，表现为 幅度失真。
相位失真
当输入信号通过模拟IC后， 输出信号的相位与输入信 号的相位不一致，表现为 相位失真。
频率失真
当输入信号通过模拟IC后， 输出信号的频率与输入信 号的频率不一致，表现为 频率失真。
波器、振荡器和混频器等。
随着技术的不断进步，模拟IC的 非线性应用在性能、功耗和集成
集成电路中非线性元件的建模与分析
集成电路中非线性元件的建模与分析集成电路这玩意儿，听起来好像挺高大上、挺复杂的，但咱今儿个就来唠唠其中关于非线性元件的建模与分析。
我先给您讲讲非线性元件是啥。
您就想象一下，咱们平时走的路，那是直直的、平平的，就像线性元件的特性，好理解，好预测。
可非线性元件呢，就像是您去爬山，那山路弯弯曲曲，高低不平，您很难一下子就搞清楚下一步会是啥样。
比如说二极管，这就是个典型的非线性元件。
它就像一个脾气有点怪的小朋友，电流从这头进去，它可不是老老实实地按照您想的那样流出来。
有时候它让电流通过得欢畅，有时候又把电流拦得死死的，全看电压的“脸色”。
在建模这块，那可真是个技术活。
就像您要给一个调皮捣蛋的孩子定规矩一样，得费点心思。
工程师们得想出各种办法，把非线性元件那些让人捉摸不透的行为，用数学公式、模型给描绘出来。
我记得有一次，我和几个同事在实验室里研究一个新的集成电路，里面就有个非线性元件把我们折腾得够呛。
我们按照常规的方法建模，可结果就是不对，电路的性能怎么都达不到预期。
大家那是抓耳挠腮，头发都快被自己薅秃了。
后来，经过反复地试验和琢磨，我们发现原来是忽略了一个很小但很关键的因素。
就因为这一点点的疏忽，让我们走了不少弯路。
这也让我们深刻体会到，在对非线性元件建模的时候，任何一个小细节都不能放过，就像在拼图，少了一块都不成。
分析非线性元件呢，就像是侦探破案。
您得从一堆错综复杂的数据和现象中，找出线索，找出规律。
有时候，一个小小的波动，都可能隐藏着大问题。
比如说，在分析一个含有非线性电阻的电路时，我们发现电流的变化曲线出现了一些奇怪的“尖峰”。
一开始，大家都没太在意，觉得可能是测量误差啥的。
但有个细心的小伙伴提出，会不会是这个非线性电阻的特性发生了变化。
结果一查，还真是！它受到了温度的影响，导致性能不稳定。
总之啊，集成电路中非线性元件的建模与分析，可不是一件轻松的事儿。
它需要我们有耐心、细心，还得有创新的思维。
就像在黑暗中摸索，一旦找到了那点亮光，就能豁然开朗。
第3章 模拟集成电路的非线性应用答辩
Ui Uk
)
当 t=25 ºC 时，UT≈59mV。
2019年6月5日星期三
4
3. 三极管对数放大器
在理想运放的条件下
Ic
IE
I e q kT
Ube
S
输出电压为
Uo
U be
2.3kT q
lg ( Ui
RIS
)
UT
lg(
Ui
RIS
)
图3-1-3 三极管对数放大电路
采用三极管作变换元件，可实现5～6个数量级的动态范
由以上两式得 u
UD 1 Ad
得输出电压为
uo
UD 1 Ad
RL R2 RL
2019年6月5日星期三
10
当ui ＜ u_时，i1＜0时，
i1＜0，VD1截止，VD2导通。
输出电压为
uo
R2 R1
ui
(1
R2 R1
)u
由 uo uo UD Ad u
u
k1
R3 R1 R2
R3 R1 R2
ui
当ui≥Uim ，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
uo
Uom
R3 R2
(U ref
UD)
图3-4-2 二极管并联式限 幅器的传输特性
2019年6月5日星期三
uim
(1
R1 R2
)U D
R1 R2
U ref
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VD 截止
R2 而： u A ui R1 R2
则：
R2 ui U ref U D R1 R2
VD截止
R2 ui U im (U ref U D ) R1 R2
第3章 模拟集成电路的非线性应用
1）当ui < Uim 时， VD截止
uO
R3 uo ui R1 R2
缺点：输入阻抗低
所以，uo的极性总为正
第3章 模拟集成电路的非线性应用
R2 VD1 R1 R3 R6 － A + R5
u o1
VD2
uA
R4
－ A ＋
uo
ui
图3.4.6 同相型全波精密整流电路
请自己分析， 作业：3.7
第3章 模拟集成电路的非线性应用
2 增益可调的绝对值变换电路
mR (1-m)R －
电路的灵敏度高，非线性失真和误差小——精密检波
第3章 模拟集成电路的非线性应用
3.3 二极管检波器和绝对值变换器
普通二极管半波整流： 解决方法：将二极管接 至运放的反馈环路
非线性失真小,精度高 ——精密检波
0.5V
uo t
普通半波整流电路的缺陷：
1. 由于硅二极管的正向导通电压不小于 0.5V ，当 Ui 小 于 1V 时， UO 误差很大。 2. 二极管作为一个半导体元件，它很容易受到温度的影响， 它还具有非线性特性。
二极管D1截止，D2导通， ui
R3 U A Ui R1
R1
D1
R5 R4
D2
- A1 +
uA
– A2 +
uo
R5 R5 R5 R5 R3 U 0 Ui U A Ui Ui R2 R4 R2 R4 R1 R5 ( R2 R3 R1 R4 ) R1 R2 R4
uo=0 ;
当ui > 0 时，uo1 < 0 , D2截止，D1导通， 构成反相比例放大器。
RF uo Ui R1
第3章 模拟集成电路的非线性应用
1 R2 D1 R1 2 1N4148
2. 实际二极管检波特性
VCC_CIRCLE Vi + 3 1 2 2
A
6
D2 1N4148
V0
VCC_
则：
若R1=R3，R4=R2/2
R5 Uo Ui 0 R2
总结: (1) 当 U i 0 时
第3章 模拟集成电路的非线性应用 R2 R3 R5
R5 U0 Ui 0 R2
（2)当 U
i
ui
R1
-A + 1 uo
1
VD1
R4
u
A2 VD
0 时，
–A +2
uo
R5 Uo Ui 0 R2
1
Rp
为减小检波死区和零位检测误差，提高稳定性： 应选择高增益、低失调、低漂移的运放 为获得较宽的工作频率： 应选择增益带宽积和压摆大的运放
2
3.3.2绝对值检波器（全波精密整流电路）
1 反相型绝对值检波电路
R2 R3 R5
第3章 模拟集成电路的非线性应用
ui
R1
- A1 +
VD1
R4
uo1
uA
VD2
2）当ui ≥ Uim 时 VD 导通
Uim Uom
O
uI
uA＝Uref +UD （钳位）
uo U om
R3 R3 uA (U ref U D ) R2 R2
缺点：温度稳定性差
不再随ui改变
第3章 模拟集成电路的非线性应用
2.实际应用的二极管并联式限幅器（采用温度补偿）
uB＝Uref –UBE2 1）当uA<uB +UBE1时
第3章 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 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
第3章 模拟集成电路的非线性应用
3.3 二极管检波器和绝对值变换器
将二极管接至运放的反馈环路——与普通二 极管检波器相比具有以下优点：
A
其中， UD 为二极管的正向电压，
思考题：如何获得正半波极性的输入信号？ 答：二极管反向！
第3章 模拟集成电路的非线性应用
R F1
ui 0 uo 0 t t
D2
ui
R1
D1 － + + A1 uo1
R21
uo
当ui <0 时，uo1>0 , D2导通，D1 截止
u–= u+=0V ，uo1 UD
0 -UD uo′ = -UD ， uo= u- ≈0
t
反相放大uo=- ui Rf/ R1 若Rf＝R1 则，uo=- ui
第3章 模拟集成电路的非线性应用
精密半波整流电路正常工作的条件：
Rf VD1 R1 －
ui
1. 运放的输出电压大于二 极管的正向电压。
uo
即D1 和 D2 总是一个导 uo′ VD2 RL 通，另一个截止，这样 ＋ 电路就能正常检波。 UD Ad 2.电路所要求的最小输入电压峰值为
VD1 VD2
ui
＋
A1
uo
uo1
R1 = R
VD3
VD4
－ ＋
A2
uo2
ui>0时
u-1= ui 作用于A2的反向端 1 mR ui ) ui u-2虚地 uo (1 mR m
uo1 >0, VD1截止, VD2导通 uo2 <0, VD4截止, VD3导通
第3章 模拟集成电路的非线性应用
–A 2 +
uo
第3章 模拟集成电路的非线性应用 R2 R3 R5
ui
R1
- A1 +
VD1
R4
uo1
uA
VD2
–A 2 +
uo
当 U i 0 （负半周）时，二极管D2截止，D1导通， 则：U A 0
R5 U0 Ui 0 R2
当 Ui
第3章 模拟集成电路的非线性应用 R2 （正半周）时， 0 R3
3.3.1二极管检波器
Rf
第3章 模拟集成电路的非线性应用
1. 理想二极管检波器
ui
R1
ui
0
uo
－ A
VD1
t
uo′= uo +UD
uo
0
＋
uu i o′
VD2
RL
uo
Байду номын сангаас
图3.3.2 传输特性
半波精密整流电路 ui>0 ui<0 uo′ <0, VD1导通， VD2截止 uo′ >0, VD1截止， VD2导通
3.4 限幅器
特点：
输入信号电压在某一范围内时，电路工作在线性放大状 态，具有恒定的放大倍数，输出电压正比于输入电压； 输入信号电压超出该范围后，输出电压将保持为某一固 定值不变。
组成： 应用：
集成运放和二极管 信号处理、运算，波形产生，过载保护电路
第3章 模拟集成电路的非线性应用
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