模拟集成电路的非线性应用剖析
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用模拟电子技术中的运算放大器是一种重要的电子元件，广泛应用于信号处理、滤波、运算和放大等领域。
运算放大器被设计为线性的电路，但在实际应用中，其非线性特性常常会对电路性能产生影响。
本文将对运算放大器的非线性特性进行解析，并探讨其在实际应用中的重要性。
1. 非线性特性的定义和分类非线性特性指的是电路输出与输入信号不成比例的关系。
在运算放大器中，这种非线性特性通常体现为失真、交叉耦合和非线性增益等现象。
2. 失真失真是指运算放大器输出信号中含有不同于输入信号的频谱成分。
主要的失真形式包括谐波失真、交调失真和互调失真等。
谐波失真是输出信号中含有输入信号频率的整数倍频率成分；交调失真是输出信号中含有输入信号频率之间的交叉成分；互调失真则是当输入信号有多个频率时，输出信号中含有两个或多个频率之间的非线性交叉成分。
3. 交叉耦合交叉耦合是指在运算放大器中，当输入信号的一个分量变化时，会影响到其他分量的输出。
这种非线性耦合效应会导致输出信号中出现与输入信号成分无关的非线性成分，从而改变电路的运算性能。
4. 非线性增益非线性增益是指运算放大器在不同输入信号幅度下的输出增益不一致性。
在理想的运算放大器中，输出信号应该与输入信号成比例，但由于非线性特性的存在，输出信号的增益并不是恒定的。
这种非线性增益会导致信号失真，并降低电路的工作精度。
5. 非线性特性的应用尽管非线性特性会对电路性能产生影响，但在某些应用场景下，非线性特性也是被利用的。
例如，压限放大器（limiter amplifier）就是一种利用非线性特性的运算放大器，它被广泛应用于无线通信中用于抑制干扰信号、防止过载和保护接收机等方面。
6. 技术手段与解决方案为了解决运算放大器的非线性特性问题，工程师们提出了许多技术手段和解决方案。
例如，通过合理的设计，可以采用负反馈手段来补偿非线性特性，使得输出信号更加稳定和准确。
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
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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
集成运放的非线性应用-PPT精品文档
R R f R 2 2 U U U ; U U U ; TH R Z TH R Z R R R R R R R R 2 f 2 f 2 f 2 f 2 R 2 （与参考电压无关） U U U U T TH TH Z R R 2 f
R f
回差电压
一、过零比较器
1、反相过零比较器 R
电压传输特性
ui
R'
+
uO
uO UOH 0 UOL ui
u 0 ; u ui ; ui 0 : u U u u O OL u U ui 0 : u u O OH
阈值电压： U TH 0
根据虚断： i i 0
+UZ -UZ
说明U＋有两种取值，
令 u u ，可以求出两个不同的 阈值电压。
上限阈值电压、下限阈值电压和回差电压：
if UR R2 + Rf
u
R0
Rf R2 Rf
UR
+
uO
R2 UO R2 R f
+UZ -UZ
ui R1
反相迟滞比较器
ui 很小时，输出 U U ; O Z U ui 很大时，输出 U O Z; 电路状态发生跳变， 当 u 时， u
R f
ui R1
反相迟滞比较器
R 2 U U U ; TH R Z R R R R 2 f 2 f
R f
uO
+UZ UTH+ui
-UZ
2 R 2 U U U U T TH TH Z R R 2 f
UTH- 0
传输特性
求阈值电压、电压传输特性？ 同相迟滞比较器
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
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用研究
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用研究现代电子技术的发展使得电子设备日益小型化、高效化和多功能化。
在各种电子设备中，运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种十分重要的电子元件。
运算放大器主要用于信号放大、信号滤波和信号变换等电路中，其性能的好坏直接影响到电子设备的取样精度、信噪比和响应速度等指标。
然而，在实际应用中，运算放大器的非线性特性经常会产生一系列问题。
本文将对运算放大器的非线性特性进行解析，并探讨其在实际应用中的应用研究。
一、运算放大器的非线性特性解析运算放大器作为一种基本电路元件，其输出信号与输入信号的关系应该是线性的，即输出信号与输入信号之间存在一个比例关系。
然而，在实际应用中，运算放大器存在一定的非线性特性，主要表现为增益非线性和相位非线性。
1.1 增益非线性增益非线性是指运算放大器在输入信号较小的范围内，其输出信号的增益不随输入信号的变化而线性变化。
具体表现为输入输出特性曲线的局部不是一条直线，而是呈现出曲线的形状。
增益非线性的主要原因是运算放大器内部存在一些非线性元件或因素，如饱和效应、偏置电压不准确等。
1.2 相位非线性相位非线性是指运算放大器在输入信号较大的范围内，其输出信号的相位不随输入信号的变化而线性变化。
相位非线性主要是由运算放大器的频率响应特性不均匀引起的。
具体表现为输入输出信号的相位差不是严格的线性关系。
二、运算放大器非线性特性的应用研究考虑到运算放大器的非线性特性对其在实际应用中的影响，许多研究人员对该问题进行了深入的研究，并提出了一系列的解决方案和应用技巧。
2.1 非线性补偿技术非线性补偿技术是通过引入补偿电路或采用特殊的电路结构，来消除或减小运算放大器的非线性特性。
例如，采用反馈电路、加入补偿电容或调整工作点等方法，可以有效地减小运算放大器的非线性误差。
2.2 非线性特性的校准利用校准技术对运算放大器的非线性特性进行校准，使得其在一定的输入范围内具备较好的线性关系。
集成运放的线性与非线性应用分析
１ 集 成 运 放 的性 能指 标 ２ 集 成 运 放 的工 作 状 态 特 － 陛
图 １ 理想运放的符号
图２ 是集 成运放 的传输特 性曲线 。集成 运放有两种 工作方 式 ：在线性 区和非线性 区。
Ｉ ０
在分 析应用 电路 时 ，为了简化通常把集成运放看成是理想
个线性放大器 ，可将其视 为线性 元件。 由于运放 的开环放大
倍数趋于无穷大 ，因而必须引 人深 度负反馈。此时可 以用 “ 虚
短”和 “ 虚断”的方法分析电路。 集成运放工作在非线性 区时 ，Ｖ ｏ 与Ｖ ｐ － ｖ 之 间没有线性放 大 关系 ，输 出只有两个状 态。由于运 放的开环放大倍数趋 于无穷
文章编号 ：１ ０ ０ １ － ９ ２ ２ ７（ ２ ０ １ ５ ）０ ４ － ０ １ ８ ６ － ０ ３
Ｏ
引 言
运算 放大器是一种对两个输入信号差值进行 放大 ，形 成一 个 输出信号 的，具有高放大倍数 的集成 电路 。其 内部 采用直接 耦合 ，可分为输入级 、中间级 、输 出级 三部 分。输入级采用差 分放大 电路 以消 除零点漂移 和抑制 干扰 ；中间级一般采用共发 射极电路 ，以获得 足够高 的电压增 益 ；输出级通常采用互补对 称功率 电路 ，以得到足够大 的输 出功率 。 集成运放具 有很 高的增益和输入阻抗 ，而且具有精巧 、廉 价和使用灵 活等优点 ，因而在直流信号放大 、有源滤波器 、波 形产生 、数模 和模数转换器 、开关 电路 ，以及信号处理等方 面
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ＂Ｏｐ － ・ ａ ｍｐ ； Ｔｈ ｅ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ； Ｎｏ ｎ ・ ・ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ
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。
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。
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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
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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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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
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)
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
选正温度系数的
RT，可对环境温 度引起的变化进
行补偿。
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3.1.3 集成化的对数器和指数器
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
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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
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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）。
输出特性方程为
uo (t) Kux(t) uy(t) 或 Z = KXY K为增益系数或标 度因子，单位为V-1。
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
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。
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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，
输出与输入的关系曲线称为平方率输出特性。
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(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
得输出电压为 式中， UT 2.3
Uo
kT
q
U d
2.3kT q
Uk=RIS
lg(
Ui RIS
)
U
T
lg(
Ui Uk
)
当 t=25 ºC 时，UT≈59mV。
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3. 三极管对数放大器
在理想运放的条件下
q
Ic IE ISe kTUbe
输出电压为
图3-2-1 乘法器的符号
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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。
5
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
Uo
(1
R3 R4
)
kT q
ln(
R5U i R1Vcc
)
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3.1.2 指数器
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
由 UoIeR 和
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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，
图3-2-2 乘法器 的工作象限
• 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。
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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， 则输出Z = 0；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。
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VT2
的集电极电流为
I c2
I eq kT
UBE2
o
U be2
kT q
ln(
IR Io
)Leabharlann RT RT R1ui
在ui＜0时
I I eq kT
[
kT q
ln
(
IR IO
)
RT R1 RT
ui
]
c2 o
I e e ln( IR ) Io o
(
q kT
RT R1 RT
ui
图3-1-8 8048型集成化对数放大器
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图3-1-9 8049型集成化指数器
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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
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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
I
S
(e
q kT
Ud
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