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

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。

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。

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。