模擬集成電路系統(tǒng)PPT課件

1、333332222211111RuRuuiRuRuuiRuRuuiiiiiii第1頁/共196頁RfR1R2R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3ifii 圖71反相相加器 第2頁/共196頁 又因為理想運算放大器，ii=i-=0,即運放輸入端不索取電流，所以反饋電流 if 為 if=i1+i2+i3 )(1111332211iiifoifififffouuuRRuuRRuRRuRRRiu若if=i1+i2+i3 =R,則 (71) (72) 第3頁/共196頁 例1 試設(shè)計一個相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的運算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均100k。 解

2、為滿足輸入電阻均100k，選R2=100k，針對2, 312RRRRff所以選Rf=300k，R2=100k,R1=150k。 實際電路中，為了消除輸入偏流產(chǎn)生的誤差，在同相輸入端和地之間接入一直流平衡電阻Rp,并令Rp=R1R2Rf=50k，如圖72所示。 第4頁/共196頁Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k圖72 滿足例1要求的反相相加器電路 第5頁/共196頁 二、同相相加器 所謂同相相加器，是指其輸出電壓與多個輸入電壓之和成正比，且輸出電壓與輸入電壓同相。電路如圖73所示。根據(jù)同相比例放大器原理，運放同相端與反相端可視為“虛短路”，即 U+=U- 其中U+等

3、于各輸入電壓在同相端的疊加，U-等于uo在反相端的反饋電壓Uf。第6頁/共196頁Rfui1uoui2RR1R2R3圖73 同相相加器電路第7頁/共196頁)()(1 ()(1 (2113213213213123123213213123123iifoiifofofiiuuRRRRRRRuuRRRRRuRRRRRRRuUuRRRUuRRRRRuRRRRRU(73) (74) 第8頁/共196頁 712相減器(差動放大器) 相減器的輸出電壓與兩個輸入信號之差成正比。這在許多場合得到應(yīng)用。要實現(xiàn)相減，必須將信號分別送入運算放大器的同相端和反相端，如圖74所示。我們應(yīng)用疊加原理來計算。首先令ui2=0

4、,則電路相當于同相比例放大器，得第9頁/共196頁)(,)(1 ()(1 ()1 (21134321213142413212131142413131iioiioooioiouuRRuRRRRuRRuRRRRRuuuuRRuuRRRRRURRu(75) (76)(77)(78) 第10頁/共196頁R3ui2uoui1R1R2R4R3ui2uo2R1R2R4R3ui1uo1R1R4R2(分解)圖74 相減器電路 第11頁/共196頁 例2 利用相減電路可構(gòu)成“稱重放大器”。圖75給出 稱重放大器的示意圖。圖中壓力傳感器是由應(yīng)變片構(gòu)成的惠斯頓電橋，當壓力(重量)為零時，Rx=R，電橋處于平衡狀態(tài)，

5、ui1=ui2,相減器輸出為零。而當有重量時，壓敏電阻Rx隨著壓力變化而變化，從此電橋失去平衡， ui1 ui2,相減器輸出電壓與重量有一定的關(guān)系式。試問，輸出電壓uo與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關(guān)系。第12頁/共196頁R2uoR2R1R1RxRRREr激勵源壓力傳感器相減放大器壓敏電阻 圖75稱重放大器第13頁/共196頁 解 圖75的簡化電路如圖76所示。圖中 xxrxxiriRRRRRERRRuEu,2,221那么 rxxxxriioiixoERRRRRRRRRERRuuRRuuRRRRRRuRRRu)(2)21()()1 (12122112112122212若保證則,211xRRR

6、R(79) 第14頁/共196頁 重量(壓力)變化，Rx隨之變化，則uo也隨之變化，所以測量uo就可以換算出重量或壓力。 R2ui2uoui1R1R1R2RxR 圖76稱重放大器的簡化圖第15頁/共196頁 713 積分器 所謂積分器，其功能是完成積分運算，即輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。 根據(jù)反相比例放大器的運算關(guān)系，該電路的輸出電壓的頻域表達式為 sRCsARCjjUjUjAjuRCjjuRCjjuioiio1)(1)()()()(1)(/1)(710) 或復(fù)頻域的傳遞函數(shù)為 積分器的傳輸函數(shù)為 第16頁/共196頁uiuoRC 圖77 積分器電路 第17頁/共196頁ojRCjA90)

7、(1)(傳輸函數(shù)的模 附加相移 (712a) (712b) 畫出理想積分器的頻率響應(yīng)如圖78所示。 在時域，設(shè)電容電壓的初始值為零(uC(0)=0),則輸出電壓u o(t)為dttiRCtuCdttituCoCo)(1)()()(式中，電容C的充電電流 RtuiiC)(所以第18頁/共196頁0|Au(j)|/dB20dB /10倍頻程1/RC090(j) 圖78 理想積分器的頻率響應(yīng) 第19頁/共196頁 如 果 將 相 減 器 的 兩 個 電 阻R3和R4換 成 兩 個 相 等 電 容C， 而 將R1=R2=R，則構(gòu)成了差動積分器。這是一個十分有用的電路，如圖79所示。其輸出電壓u o(t

8、) dtuuRCtuiio)(1)(21(714)第20頁/共196頁ui2uoui1RRCC 圖79 差動積分器 第21頁/共196頁 例 3 電 路 如 圖 7 1 0 所 示 ，R= 1 0 0 k ，C= 1 0 F 。 當t=0t1(1s)時，開關(guān)S接a點；當t=t1(1s)t2(3s)時，開關(guān)S接b點；而當tt2(3s)后，開關(guān)S接c點。已知運算放大器電源電壓UCC=|-UEE|=15V，初始電壓uC(0)=0,試畫出輸出電壓uC(0)的波形圖。 第22頁/共196頁R15V15VC10100kuoSabcE12VE23V 圖710 例3電路圖第23頁/共196頁 解(1)因為初始

9、電壓為零(uC(0)=0)，在t=01s間，開關(guān)S接地，所以uo=0。 (2)在t=13s間，開關(guān)S接b點，電容C充電,充電電流 mkVREiC02. 010021 輸出電壓從零開始線性下降。當t=3s時:VsFVttRCEdtERCtutto421010102)(1)(65121121第24頁/共196頁 (3)在t3s后，S接c點，電容C放電后被反充電，uo從-4V開始線性上升，一直升至電源電壓UCC就不再上升了。那么升到電源電壓(+15V)所對應(yīng)的時間tx是多少?stVttVtUdtERCVtuxxottxox33. 93284)(1010103)(115)(265222所以，u o(t

10、)的波形如圖711所示。 第25頁/共196頁1541234567890uo(t)/Vt/s圖711 例3電路的輸出波形u o(t) 第26頁/共196頁 714 微分器 將積分器的積分電容和電阻的位置互換，就成了微分器，如圖712所示。微分器的傳輸函數(shù)為域表達式）頻域表達式）SsRCsARCjjA()()(715) (716)其頻率響應(yīng)如圖713所示。 輸出電壓u o(t)和輸入電壓u i(t)的時域關(guān)系式為第27頁/共196頁uiuoRC 圖712微分器 第28頁/共196頁0|Au(j)|/dB20dB /10倍頻程1/RC090(j) 圖713理想微分器的頻率響應(yīng)第29頁/共196頁d

11、ttduRCtudttduCdttduCiRituioiCffo)()()()()(717) 第30頁/共196頁 可見，輸出電壓和輸入電壓的微分成正比。 微分器的高頻增益大。如果輸入含有高頻噪聲的話，則輸出噪聲也將很大，而且電路可能不穩(wěn)定，所以微分器很少有直接應(yīng)用。在需要微分運算之處，也盡量設(shè)法用積分器代替。例如，解如下微分方程： dttudttudttutudttudttudtudttudtutudttuddttudooioooioiooo)(10)(2)()()(2)(10)()()()(2)(10)(2(718) 第31頁/共196頁 715 對數(shù)、反對數(shù)運算器 在實際應(yīng)用中，有時需要

12、進行對數(shù)運算或反對數(shù)(指數(shù))運算。例如，在某些系統(tǒng)中，輸入信號范圍很寬，容易造成限幅狀態(tài)，通過對數(shù)放大器，使輸出信號與輸入信號的對數(shù)成正比，從而將信號加以壓縮。又例如，要實現(xiàn)兩信號的相乘或相除等等，都需要使用對數(shù)和反對數(shù)運算電路。 第32頁/共196頁 一、對數(shù)運算器 最簡單的對數(shù)運算器是將反相比例放大器的反饋電阻Rf換成一個二極管或三極管，如圖714所示。 由圖可見:SCTBEoIiUuuln(719) 式中，V的集電極電流 RuiiiC1故 RIuUuSiToln(720) 第33頁/共196頁uiuoRiCVi1 圖7-14 對數(shù)放大器第34頁/共196頁 該電路存在兩個問題：一是ui必

13、須為正；二是IS和UT都是溫度的函數(shù)，其運算結(jié)果受溫度的影響很大，如何改善對數(shù)放大器的溫度穩(wěn)定性是一個重要的問題。一般改善的辦法是：用對管消除IS的影響；用熱敏電阻補償UT的溫度影響。圖715給出一個改善溫度穩(wěn)定性的實際電路。 第35頁/共196頁圖715具有溫度補償?shù)膶?shù)運算器uiR1RpA1A2uoV1V2i1IRR UCCR3R2對管RTA第36頁/共196頁 圖715中，V1和V2是一對性能參數(shù)匹配的晶體管，用以抵消反向飽和電流的影響，Rt是熱敏電阻，用以補償UT引起的溫度漂移。由圖可見:112211221223lnlnlnln)1 (SSCcTScTScTBEBEAAToIiIiUI

14、iUIiUuuuuRRRu(721)第37頁/共196頁因為V1、V2有匹配對稱的特性，所以IS1=IS2，則)ln()1 ()1 ()(,lnln1232312211112RRuUqkTRRRuRRRuRURuuUiIRuiiIUiiUuiCCTAToCCBEBECCCRiCCRTCCTA(722)第38頁/共196頁 式(722)表明，用對管消除了反向飽和電流的不良影響，而且只要選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT,也可消除UT =kT/q引起的溫度漂移，實現(xiàn)溫度穩(wěn)定性良好的對數(shù)運算關(guān)系。 第39頁/共196頁 二、反對數(shù)(指數(shù))運算器 指數(shù)運算是對數(shù)的逆運算，因此在電路結(jié)構(gòu)上只要將對數(shù)運算器的電

15、阻和晶體管位置調(diào)換一下即可，如圖716所示。 由圖可見： TiTBEUuSoiBEUuSCfoIuuueRIRiRiuRe(723) 第40頁/共196頁uiuoifRfiCRp圖716 反對數(shù)(指數(shù))運算器 第41頁/共196頁 實現(xiàn)了輸出電壓與輸入電壓的指數(shù)運算關(guān)系。 這種電路同樣有溫度穩(wěn)定性差的問題。人們也用“對管”來消除反向飽和電流的影響，用熱敏電阻來補償UT的溫度漂移。具體電路讀者可自行設(shè)計或參閱有關(guān)參考書。 第42頁/共196頁 三、乘法器和除法器 用對數(shù)和反對數(shù)運算器可構(gòu)成乘法器和除法器。如圖717(a)所示，先將待相乘信號取對數(shù)，然后相加，最后取反對數(shù)，便實現(xiàn)了相乘。同理，將待

16、相除的信號取對數(shù)，然后相減，最后取反對數(shù)，便實現(xiàn)了“相除”，如圖717(b)所示。 第43頁/共196頁A1uo Kui1 ui2ui1“對數(shù)”“對數(shù)”“相加器”“反對數(shù)”(a)ui2A2A3A4A1uo Kui1“對數(shù)”“對數(shù)”“相減器”“反對數(shù)”(b)ui2A2A3A4ui1ui2RRRRRRRRR 圖717乘法器和除法器 (a)乘法器；(b)除法器第44頁/共196頁 716 V/I變換和I/V變換 一、電壓源電流源變換電路(V/I變換) 在某些控制系統(tǒng)中，負載要求電流源驅(qū)動，而實際的信號又可能是電壓源。這在工程上就提出了如何將電壓源信號變換成電流源的要求，而且不論負載如何變化，電流源電

17、流只取決于輸入電壓源信號，而與負載無關(guān)。又如，在信號的遠距離傳輸中，由于電流信號不易受干擾，所以也需要將電壓信號變換為電流信號來傳輸。圖718給出了一個V/I變換的例子，圖中負載為“接地”負載。 第45頁/共196頁uiR1R2uoR4R3負載AILZL 圖718 V/I變換電路第46頁/共196頁oiLouRRRuRRRURIRUuU411414_23)(由U+=U-，且設(shè)R1R3=R2R4,則變換關(guān)系可簡化為2RuIiL(724) 可見，負載電流IL與ui成正比，且與負載ZL無關(guān)。第47頁/共196頁 二、電流源電壓源變換電路(I/V變換) 有許多傳感器產(chǎn)生的信號為微弱的電流信號，將該電流

18、信號轉(zhuǎn)換為電壓信號可利用運放的“虛地”特性。如圖719所示，就是光敏二極管或光敏三極管產(chǎn)生的微弱光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號的電路。顯然，對運算放大器的要求是輸入電阻要趨向無窮大，輸入偏流IB要趨于零。這樣，光電流將全部流向反饋電阻Rf，輸出電壓uo=-Rfi1。這里i1就是光敏器件產(chǎn)生的光電流。例如，運算放大器CA3140的偏流IB=10-2 nA，故其就比較適合作光電流放大器。 第48頁/共196頁uo1M1M(a)(b)A15V1MuoA圖719 將光電流變換為電壓輸出的電路第49頁/共196頁 圖 7 2 0 所 示 電 路 ， 是 用 來 測 量 大 電 流 的 實 際 電 路 。 圖 中R

19、3(=0.01)為電流采樣電阻。由于運放輸入電流極小，負載電流IL全部流經(jīng)R3，產(chǎn)生的采樣電壓U3=R3IL。運放輸出加到場效應(yīng)管柵極，構(gòu)成深度負反饋，故利用“虛短路”特性，有U+=U-,即LDIRIR31而場效應(yīng)管漏極電流ID等于源極電流IS，輸出電壓Uo為 1322RIRRRIULDo(725) 第50頁/共196頁5G240.01R3R11k3DJ6R25kUoIL負載ID 圖720測量大電流IL的電路 第51頁/共196頁 利用式(725)，測出Uo，就可以換算出負載電流IL。例如，R2= 5 k ，R1= 1 k ，R3= 0 . 0 1 ， 則 電 流 電 壓 變 換 比為 ，若測

20、得輸出電壓Uo =5V，則可知負載電流IL=100A。 AVRRR/05. 0132第52頁/共196頁72 有源RC及開關(guān)電容濾波器 濾波器是具有頻率選擇功能的電路，它允許一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而對不需要傳送的頻率范圍的信號實現(xiàn)有效的抑制。濾波器在通信、電子工程、儀器儀表等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。本章著重介紹由運算放大器構(gòu)成的RC有源濾波器、開關(guān)電容濾波器的原理及典型電路。 第53頁/共196頁 721有源濾波器的類型、傳遞函數(shù)及零、極點分布 根 據(jù) 濾 波 器 通 帶 和 阻 帶 的 不 同 ， 有 源R C濾 波 器 可 分 為 低 通(LowPass)、高通(HighPass)、帶通

21、(BandPass)、帶阻(BandReject)和全通(AllPass)等。一階和二階濾波器是比較常用的濾波器，而且高階濾波器可由一階和二階組合而成，所以我們主要介紹二階濾波器。表71給出了二階濾波器的標準傳遞函數(shù)表達式,零、極點分布以及幅頻特性示意圖。 第54頁/共196頁表71二階濾波器的標準傳遞函數(shù),零、極點分布以及幅頻特性示意圖第55頁/共196頁第56頁/共196頁 如圖721所示，有巴特沃茲濾波器、契比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器和橢圓濾波器之分。巴特沃茲濾波器具有最平坦的通帶，但過渡帶不夠陡峭。契比雪夫濾波器帶內(nèi)有起伏，但過渡帶比較陡峭。貝塞爾濾波器過渡帶寬而不陡，但具有線性相頻特

22、性。橢圓濾波器不僅通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)也有起伏，而且過渡帶陡峭。我們應(yīng)根據(jù)實際的需要來設(shè)計所需的濾波器特性。第57頁/共196頁 圖721各種低通濾波器特性比較第58頁/共196頁 722運放作為有限增益放大器的有源濾波器電路 這類濾波器的一般電路如圖722(a)所示。其中，運放接成同相放大器，其增益K為112fffRRRK(726) 因此，圖722(a)電路可簡化為圖722(b)電路。該電路的傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下： 根據(jù)電路，分別列出節(jié)點C及B的電流方程I=0，得 第59頁/共196頁運放約束條件）(0)(0)(343321321KUUYUYYUYUYUYUYYYUoBCBBoiC(727a)

23、(727b) (727c) 聯(lián)立解方程(727)，得 321321431)1 ()()()(YKYYYYYYYKYsUsUAiouf(728) 第60頁/共196頁KY4Y3Y2Y1uiRf1Rf2uo(a)(b)KY4Y3Y2Y1uiuoCB圖722運放作為有限增益放大器的有源濾波器電路 第61頁/共196頁 給Y1Y4賦予不同的阻容元件，則可構(gòu)成不同的濾波器。例如，令Y1=Y3= ,Y2=Y4=sC,如圖723所示，則傳遞函數(shù)R122222222131)(oooufsQsKCRsRCKsCRKsA(729) 與表71中的標準表達式比較，該傳遞函數(shù)有兩個共軛復(fù)根(極點)而沒有零點，可見是一個

24、二階低通濾波器。其中： KQRRKRCffo31,1,112第62頁/共196頁 當K3時,分母中s項系數(shù)變負，極點就會移至S平面的右半平面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。一般這種電路的Q只能做到10以下。 第63頁/共196頁uiuoRf1Rf2CRCRuiuoRf1Rf2C4R1R4C3R2(a)(b)圖723低通濾波器及帶通濾波器 (a)低通濾波器；(b)帶通濾波器 第64頁/共196頁 同理，若將圖723(a)的電阻與電容位置互換，就得到高通濾波器。 4443322111,11sCRYsCYRYRY，若令電路則為帶通濾波器。 第65頁/共196頁 723運放作為無限增益放大器的多重反饋有源濾波器

25、 電路如圖724所示，運放同相端接地，信號從反相端輸入，輸出信號分別通過Y4和Y5反饋到輸入端。根據(jù)電路可列出如下方程： 運放約束條件）(00)(0)(53533414321BoCBBoiCUYUYUYYUYUYUYUYYYYU(730a) (730b) (730c) 聯(lián)立解方程式(730)，得傳遞函數(shù)434321531)()()(YYYYYYYYYsUsUAiouf(731) 第66頁/共196頁ARpY1uiY3Y5Y4Y2uo CB圖724 多重反饋有源濾波器第67頁/共196頁55443322111,11RYsCYsCYRYRY，若令 則該電路為帶通濾波器，如圖725(a)所示。令C3

26、=C4=C，其傳遞函數(shù)為52122152121)(RRRCRRsCRssCRsAuf(732) 與表71中帶通濾波器的標準傳遞函數(shù)200200)()(sQssQAsA(733) 第68頁/共196頁比較，得中心角頻率 CRQBWRRCRCRARRCRRRC501551025021502221)(11)11(11(734)(735) (736) -3dB帶寬中心頻率增益 取R2R1,有 第69頁/共196頁 畫出幅頻特性如圖725(b)所示。調(diào)節(jié)R2,使中心頻率變化，但帶寬不變，增益也不變。這是該電路的特點，也是優(yōu)點，如圖725(c)所示。 圖725帶通濾波器 AuiuoRpC3R1(a)R5C

27、4R2第70頁/共196頁| A(j) |0A(0)0BW0.707A(0)0Q(b)| A(j) |001R20203(c) 圖725 帶通濾波器(a)電路；(b)幅頻特性；(c)調(diào)節(jié)R2,幅頻特性移動第71頁/共196頁 724有源帶阻濾波器 帶阻濾波器又稱陷波器，用來濾除某一不需要的頻率。例如，在微弱信號放大器中濾除50Hz工頻干擾；在電視圖像信號通道中濾除伴音干擾等等。組成帶阻濾波器有以下幾種方案：第72頁/共196頁 一、用低通和高通濾波器并聯(lián)組成帶阻濾波器 最典型的電路是無源雙T網(wǎng)絡(luò)加運算放大器，如圖726(a)所示。無源雙T網(wǎng)絡(luò)是典型的由低通(R2CR)和高通(CR/2C)組合構(gòu)

28、成的帶阻濾波器，但其Q值很低。加之反饋后，Q值有了很大的提高(見圖726(b)。該電路的傳遞函數(shù)為2212222)1()1 (4)1()()()(RCsRCRRRsRCssUsUsAiouf(737) 可見，調(diào)節(jié)R2與R1的比例，可以控制Q值。第73頁/共196頁A1PRR22CBACuoCRuiA2R1R2R2R1 Ruo| A(j) |00有源帶阻Q高無源雙TQ小(a)(b)圖726雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器及其幅頻特性 (a)電路； (b)幅頻特性 第74頁/共196頁 二、用帶通和相加器組成帶阻濾波器 用帶通和相加器組成的帶阻濾波器其框圖如圖727所示。 例如，采用圖725(a)的帶通濾波器和

29、相加器組合便構(gòu)成帶阻濾波器。因為 221)(oooufsQssQAsA(738) 第75頁/共196頁BPFuo圖727 用帶通濾波器和相加器組成帶阻濾波器 第76頁/共196頁只要令A(yù)=-1(即令圖725(a)中的R5=2R1)，則2002202200201)(sQsssQssQsAuf(739) 第77頁/共196頁 圖728給出一個用于濾除50Hz工頻干擾的50Hz陷波器電路。其中，A1組成帶通濾波器，A2組成相加器。其幅頻特性和輸入輸出波形如圖729所示(用Workbanch分析的結(jié)果)。圖中輸入信號(1V/1.5Hz)代表待放大的信號，它受到1V/50Hz的干擾。經(jīng)50Hz陷波器處理

30、后，50Hz干擾被抑制，輸出了比較干凈的信號。該電路可作為生物電信號放大電路中的工頻干擾抑制電路。第78頁/共196頁uiA2C4C3R5R1RRuoRfA(0)1200k0.22400kA10.221k10k10k10kR2圖728 50Hz陷波器電路第79頁/共196頁1 V/50 Hz/0 Deg1 V/1.5 Hz/0 DegR/1k/ 51%12V74110k10k12V10k741400k0.220.22200k圖729 50Hz陷波器的幅頻特性及輸入輸出波形第80頁/共196頁 725全通濾波器 全通濾波器的幅頻特性是平行于頻率軸的直線，所以它對頻率沒有選擇性。人們主要利用其相位

31、頻率特性，作為相位校正電路或相位均衡電路。圖730所示，是一個一階全通濾波器或移相器，其傳遞函數(shù)為 RCjjACsRCsRsAufufarctan2)(1)(11)(11(740) (741a)(741b) 第81頁/共196頁 畫出輻頻特性及相頻特性如圖731(a)、(b)所示。 二階全通濾波器的電路較復(fù)雜，讀者可參考有關(guān)參考書。 uoRRuiR1C 圖730一階全通濾波器(移相器)電路第82頁/共196頁9001()A()1/R1C0圖731一階移相器的幅頻特性及相頻特性第83頁/共196頁 726模擬電感電路 當前的集成工藝，還不能制作電感。人們可利用運算放大器和RC電路，產(chǎn)生等效的模擬

32、電感。 圖732所示是一個簡單的模擬電感產(chǎn)生電路。由圖可推導(dǎo)出等效阻抗Zi為21221221)(RRCLIjRRRCjRRIUZaaiii(742) (743) 第84頁/共196頁AuiC2IiR1R2圖732簡單的模擬電感產(chǎn)生電路第85頁/共196頁 稱等效電感或模擬電感。令C2=1F，R1=R2=10k，則La=100H(享利)。 圖733給出一個著名的“頻變負阻”電路，它可以產(chǎn)生模擬電感。圖中顯示了各支路電流和各節(jié)點電壓的表達式。 42531ZZZZZIUZiii(744) 容易導(dǎo)出，等效輸入阻抗為第86頁/共196頁IiUiZ2Z4Z1Z3Z5.Z1ZiZ2Z3UiZ4UiZ5Z5U

33、iUiUiZ2Z4Z3Z5.UiZ5UiZ4Ui. 圖733 頻變負阻電路產(chǎn)生模擬電感第87頁/共196頁模擬電感）(1,224253CRLLjCRjZCjZRZZZZaaiI(745) (746) 第88頁/共196頁 該電 路 和R、C元 件 配 合 ， 可 以 組 成 各 種 濾 波 器 。 例 如 ， 如 圖734所示，在該電路前端加電阻R6和電容C6,便構(gòu)成一帶通濾波器。圖中K為輸出緩沖放大器。變換元器件，該電路還可實現(xiàn)其它類型的有源濾波器，讀者可自行去組合。 有時，我們也稱圖733電路為“頻變負阻”電路。這是因為，令RZZZCjZZ542311(747) 第89頁/共196頁CRR

34、RRuoKR6uiC6La圖734 由模擬電感構(gòu)成的帶通濾波器 第90頁/共196頁 可見，Zi是一個隨頻率變化的負阻，故稱為“頻變負阻”或“二階電容”。“頻變負阻”器件在構(gòu)成有源梯形濾波器中有著特殊用途，因而受到人們的重視。 RCRCjZi2221)(1第91頁/共196頁 727基于雙積分環(huán)的二階有源濾波器 現(xiàn)在我們介紹一種多功能濾波器，即基于雙積分環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)的二階有源濾波器。因為這類濾波器可以用狀態(tài)方程描述，所以又稱狀態(tài)變量濾波器。這類濾波器往往可同時實現(xiàn)高通、帶通和低通，而且由積分器和相加器組成，在實際中有著廣泛的應(yīng)用。 我們知道，二階高通濾波器的傳遞函數(shù)為第92頁/共196頁HPHP

35、iHPiHPufUsUsQAUUsQsAsUUsA220020022)(1)(748) (749) 其中A為高頻增益。將該式移項整理，得 第93頁/共196頁 式中：第一項表示輸入信號Ui經(jīng)A倍放大；第二項表示輸出UHP經(jīng)過一次反相積分(-0/s)再數(shù)乘1/Q；第三項表示UH P經(jīng)二次反相積分(20/s2)再反相，而UH P又等于這三項相加。式(749)的信號流圖如圖735所示。 )()()()()(20022002233)(20022001122sAsQsAUUsUUUUUUsAsQsAUUsUUUUUULPufiBPioooioLPufiHPioooio由圖735可知： (750) (75

36、1) 該式具有一個原點零點，所以是帶通濾波器的傳遞函數(shù)。同理： 第94頁/共196頁UiS0Uo11/QUHPUBPA1S0Uo2Uo3ULP(高通輸出)(帶通輸出)(低通輸出)圖735 狀態(tài)變量濾波器的信號流圖表示法第95頁/共196頁 該式?jīng)]有零點,可見是一個低通濾波器的傳遞函數(shù)。 由上可見，該濾波器三個不同輸出端分別對應(yīng)高通、帶通和低通，實現(xiàn)了多種濾波功能。圖736給出一個具體電路的例子，其中A2、A3組成反相積分器，A1為相加器。對照圖735的信號流圖，相加器必須體現(xiàn)數(shù)乘及符號關(guān)系，故應(yīng)滿足下列關(guān)系式： 滿足第一項系數(shù)），即）（滿足第二項系數(shù)）即）（滿足第三項系數(shù)）即( 12)( 12

37、,1), 13211323231132211ARRARRRRRRQRRQRRRRRRRRRRffff(752c) (752b) (752a) 第96頁/共196頁 由式(752b)和(752c)可見，該電路在滿足R1=Rf條件下，品質(zhì)因素Q與放大倍數(shù)A之間有一定的制約關(guān)系，即QK12(753) 第97頁/共196頁A1UHPRfUiR2R3A2RCUBPA3RULPCR1 圖736 狀態(tài)變量濾波器實例 第98頁/共196頁 728 開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò) RC有源濾波器的濾波特性取決于RC時常數(shù)及運放的性能。如果要求時常數(shù)很大，全集成化幾乎是不可能的。這也是制約通訊設(shè)備全集成化的因素之一。人們尋求一種能

38、夠?qū)崿F(xiàn)濾波器全集成化的途徑，開關(guān)電容因此應(yīng)運而生。它是基于電容器電荷存貯和轉(zhuǎn)移原理，由受時鐘控制的MOS開關(guān)、MOS電容和MOS運放組成的網(wǎng)絡(luò)。它沒有電阻，而用開關(guān)和電容代替電阻的功能。開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)是一種時間離散、幅度連續(xù)的取樣數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在信號產(chǎn)生、放大、調(diào)制、A/D、D/A中有著廣泛的應(yīng)用。 第99頁/共196頁 一、開關(guān)電容模擬電阻 如圖737(a)所示，MOS場效應(yīng)管開關(guān)V1和V2分別受兩相不重疊時鐘1和2控制(如圖737(b)所示)。當1為高電平、 2為低電平時，V1導(dǎo)通，V2截止，u1對C充電，其存貯的電荷Q1為 11CuQ 第100頁/共196頁CV1V2u1u21212Tcu

39、1u2R1fcCi(a)(b)(c) 圖737 用開關(guān)和電容代替電阻(a)開關(guān)電容電路；(b)兩相時鐘；(c)等效電阻第101頁/共196頁 而當1為低電平而2為高電平時，V1截止，V2導(dǎo)通，那么C存貯的電荷Q2變?yōu)?在時鐘的一個周期Tc內(nèi)，電容C存貯的電荷由Q1變?yōu)镼2,則意味著流過的等效電流 22uCQQ cceqccceqCfCTiRuuCTuuTCCTQQi212121)(754) 第102頁/共196頁 就是由開關(guān)和電容組成的等效模擬電阻(如圖737(c)。它不僅與電容值有關(guān)，而且與時鐘頻率fc成反比?？梢?，不僅可用電容和開關(guān)代替電阻，且可通過fc來控制R的大小。 第103頁/共19

40、6頁 二、開關(guān)電容積分器 我們知道，用積分器和相加器可以組成狀態(tài)變量濾波器，其中積分器是關(guān)鍵的單元電路，如圖738(a)所示。根據(jù)開關(guān)和電容代替電阻的原理，開關(guān)電容積分器電路如圖738(b)所示。RC積分器的時常數(shù)為RC，而開關(guān)電容積分器的時常數(shù)為 12122CCfCCTCRcceq時常數(shù)(755) 第104頁/共196頁 可見，開關(guān)電容積分器的時常數(shù)取決于時鐘頻率fc 和電容比(C2/C1)。在MOS集成工藝中，電容比的精度可以達到很高(0.1%0.01%)，而且通過控制fc可以十分精確地控制時常數(shù)。因此，濾波器的精度也很高。 第105頁/共196頁uiuoRCuoC2C1ui12(a)(b

41、) 圖738 開關(guān)電容積分器(a)RC積分器；(b)開關(guān)電容積分器 第106頁/共196頁理想RC積分器和開關(guān)電容積分器的傳輸函數(shù)分別為121)(1)(CfCjjHRCjjHc(756a) (756b) 圖738(b)開關(guān)電容積分器的工作過程為：當1為高時，ui對C1充電，電荷q1=UiC1;而當2為高時，C1被接到運放虛地點，C1被強迫放電，而將前個時刻積累的電荷q1全部轉(zhuǎn)移給C2,如圖739所示。第107頁/共196頁uiC1uoC2(a)uoC2C1(b)1為高時2為高時圖739 開關(guān)電容積分器工作情況第108頁/共196頁 圖740(a)、(b)分別給出具有普遍應(yīng)用價值的有耗積分器和差

42、分積分器。 對于圖740(a)，V1、V2和C1等效為R1,V3、V4和C2等效為R2,R2并聯(lián)在積分電容C上，所以是一個有耗積分器。而對于圖740(b)，當1為高時，(ui1-ui2)給C1充電，其電荷q1=C1(ui1-ui2)，而當2為高時， C1被接至運放虛地與地之間，所以C1電荷全部轉(zhuǎn)移給C2,所以是一個差分積分器。 第109頁/共196頁uoCC1ui12(a)21C2圖740開關(guān)電容有耗積分器和差分積分器第110頁/共196頁圖740開關(guān)電容有耗積分器和差分積分器(b)uoC2C1ui112ui212第111頁/共196頁 圖741(a)是一個多功耗的二階RC狀態(tài)變量濾波器，A1

43、構(gòu)成有耗積分器，A2組成理想積分器，第三級(A3)組成反相比例放大器(Auf3=-1)。用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的相應(yīng)電路如圖741(b)所示，利用第一級組成差分有耗積分器，可以省去A3的反相器。 第112頁/共196頁A1Uo2R1uiR4A2R2C1A3C2(帶通)(低通)Uo1RR3RR4 R3(a) 圖741 開關(guān)電容濾波器(a)RC狀態(tài)變量濾波器；(b)相應(yīng)的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)第113頁/共196頁 圖741 開關(guān)電容濾波器(a)RC狀態(tài)變量濾波器；(b)相應(yīng)的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)uiA1C1UBF(帶通輸出)C1C2A2C2uo1ULF(低通輸出)S2C3S1S3S4uo2(b)第114頁/共

44、196頁73 集成運算放大器精密二極管電路 731 精密整流(限幅)電路 在第一章，我們曾經(jīng)介紹過半波整流(限幅)電路。如圖742(a)所示，這種電路由于二極管死區(qū)電壓UVON(硅管一般為0.60.7V左右)的影響，存在限幅模糊現(xiàn)象。也就是當信號較小時，二極管不導(dǎo)通或?qū)ú涣肌Ｒ话阋髐i0.7V才行。如圖742(b)所示。第115頁/共196頁RuiuoV0iV(a)(b)uVUVON圖742一般二極管整流電路 (a)電路；(b)二極管特性第116頁/共196頁 一、精密半波整流電路 一 種 精 密 半 波 整 流 電 路 如 圖 7 4 3 ( a ) 所 示 。 由 圖 可 見 ， 當|

45、uo|0.7V(即UVON)時，二極管V1及V2均不導(dǎo)通，運放處于開環(huán)工作狀態(tài)，其開環(huán)放大倍數(shù)極大(如105)；而當| uo |0.7V后，其中總有一個二極管 導(dǎo) 通 ， 電 路 進 入 正 常 的 限 幅 狀 態(tài) 。 而 要 使 |uo| 0 . 7 V,ui只 需0.7V/105=7V，可見，消除了由二極管死區(qū)電壓引起的限幅模糊現(xiàn)象。第117頁/共196頁uiuoR1V1(a)R2V2uo0uo(b)uiR2/R1uit0uot0(c) 圖743精密半波整流電路(a)電路；(b)傳輸特性；(c)波形 第118頁/共196頁 (1)當ui0,uo0時，V1截止，V2導(dǎo)通，R1 、R2構(gòu)成反相

46、比例放大器， (2)當ui0， uo 0時， V1導(dǎo)通， V2截止，uo=0，而V1導(dǎo)通，保證了運放仍處于閉環(huán)工作。 該電路的傳輸特性及輸出波形分別如圖743(b)、(c)所示。 iouRRu12第119頁/共196頁 二、精密全波整流電路絕對值電路 用半波整流和相加器便構(gòu)成了全波整流電路，如圖744(a)所示，其具體電路如圖744(b)所示。圖744(b)中，A1構(gòu)成半波整流，A2構(gòu)成相加器。其工作原理為： (1)當ui0時，uo1=- ui,uo=- ui -2uo1=- ui +2 ui = ui (2)當ui0時，uo1=0, uo =- ui =-(-| ui |)=| ui |。所

47、以iouu (757)第120頁/共196頁10ui2uouo(a)圖744精密全波整流電路絕對值電路 (a)框圖；(b)實際電路 第121頁/共196頁圖744精密全波整流電路絕對值電路 (a)框圖；(b)實際電路 A1V1RV2RRRuiA2uoR(b)2uo1第122頁/共196頁精密全波整流電路的傳輸特性及輸出波形，如圖745所示。0uit0uot011uiuo圖745精密全波整流電路的傳輸特性及輸出波形第123頁/共196頁 732峰值檢波電路 在一些測量電路中，需要檢出信號峰值，如圖746(a)所示。實現(xiàn)這種功能的關(guān)鍵是電容只充電而不放電，其電路之一如圖746(b)所示。由圖可見：

48、 當uiuo時，uo10，二極管開關(guān)V導(dǎo)通，C充電，且整個電路(A1、A2)構(gòu)成跟隨器， uo =uCui，輸出跟隨ui增大；當ui uo時， uo1 0，V截止，A2輸入阻抗很大，C無放電回路，故uo=uC，處于保持狀態(tài)。這樣，即可以實現(xiàn)峰值檢波。第124頁/共196頁0ui，tuo(a)uoui ,(b)A1uiuo1A2CuoV 圖746 峰值檢波及電路 (a)波形；(b)電路 第125頁/共196頁 733取樣保持電路 取樣保持電路由取樣門(開關(guān))和保持電容組成。當取樣脈沖到來時，取樣門閉合， uC=ui(ui uC,C充電， ui uC,C放電)。 當取樣脈沖過去時，取樣門打開，電容

49、電壓保持不變。這樣，就可以將輸入信號ui對應(yīng)取樣脈沖到達時刻的樣品取出，且在脈沖休止期間保持住。其模型如圖7-47(a)所示。第126頁/共196頁 如果我們將圖746(b)中的單向開關(guān)(二極管V)換成一個雙向開關(guān)，電容不僅有充電回路，也有放電回路，則可實現(xiàn)取樣保持功能。圖747(b)給出一個用場效應(yīng)管開關(guān)代替二極管開關(guān)的電路。當取樣脈沖uS為高電平時，V導(dǎo)通。此時，若uiuC，電容C充電且uC = ui 。若ui uC ，電容仍可通過V向運放放電，且也能保證uC = ui 。而當uS為低電平，且uS uGSoff(夾斷電壓)時，則場效應(yīng)管截止，電容電壓保持。max2iSff (758) 第1

50、27頁/共196頁uStuiuoSC0tui ，uCuCuiuSt0(a)樣品點圖747取樣保持電路(a)模型； (b)電路第128頁/共196頁(b)A1uiA2CuouS雙向開關(guān)(保持電容)圖747取樣保持電路(a)模型； (b)電路第129頁/共196頁74 電壓比較器及弛張振蕩器 741電壓比較器 一、電壓比較器的基本特性 電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當于數(shù)字電路中的邏輯“1”，低電平相當于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個狀態(tài)，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態(tài)。所以，“虛短路”概念不能隨便應(yīng)用。 第130頁/共196頁

51、 圖748給出了電壓比較器的符號及傳輸特性。其反相輸入端加信號ui，同相輸入端加參考電壓(ur)。比較器一般是開環(huán)工作，其增益很大。所以，當ui ur時，輸出為“高”；反之，當ui ur時，輸出為“低”。而當ui接近ur時，輸出電平發(fā)生轉(zhuǎn)換，此刻同相端和反相端可看成“虛短路”。其它時刻U+與U-可能差得很遠(即U+U-)。電壓比較器的輸入為模擬量，輸出為數(shù)字量(0或1)，可作為模擬和數(shù)字電路的接口電路，也可作為一位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在實際中有著廣泛應(yīng)用。 第131頁/共196頁uiurCUCCUEEuo0uiuourUoHUoL鑒別不靈敏區(qū)(a)(b)圖748 電壓比較器的符號及傳輸特性第132頁/

52、共196頁 1. 高電平(UoH)和低電平(UoL) 電壓比較器可以用運放構(gòu)成，也可用專用芯片構(gòu)成。用運放構(gòu)成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負電源電壓(-UEE)。在有些應(yīng)用場合，對輸出加以限幅，如圖7-49所示。其中圖749(a)電路的高低電平等于(UVZ+UVD)，圖749(b)電路的高低電平等于(UVZ+UVD)。第133頁/共196頁 2. 鑒別靈敏度 事實上，集成運放和專用比較器芯片的Aud不為無窮大，ui在ur附近的一個很小范圍內(nèi)存在著一個比較器的不靈敏區(qū)。如圖748(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內(nèi)輸出狀態(tài)既非UoH，也非U

53、oL，故無法實現(xiàn)對輸入電平大小進行判別。 Aud越大，則這個不靈敏區(qū)就越小，工程上稱比較器的鑒別靈敏度越高。 第134頁/共196頁 圖749 輸出限幅電路 (a)UoH=UVZ1+UVD2,UoL=-(UVD1+UVZ2); (b)UoH=UVD1+UVZ+UVD2,UoL=-(UVD4+UVZ+UVD3) CUCCUEEuo(a)RCUCC UEEuoR(b)VD2VD4VD3VD1VZVZ1VZ2第135頁/共196頁 3.轉(zhuǎn)換速度 作為比較器的另一個重要特性就是轉(zhuǎn)換速度，即比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時間。通常要求轉(zhuǎn)換時間盡可能短，以便實現(xiàn)高速比較。比較器的轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR

54、有關(guān)， SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的時間就越短，比較器的轉(zhuǎn)換速度越高。電壓比較器一般為開環(huán)應(yīng)用或正反饋應(yīng)用，不需要相位補償電容。第136頁/共196頁 二、電壓比較器的開環(huán)應(yīng)用簡單比較器 1.過零比較器 在圖748(a)中，令參考電平ur=0,則輸入信號ur與零比較， ur 0，輸出為低(UoL),而ur 0，輸出為高，其波形如圖7-50(a)所示。這種電路可做為零電平檢測器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。 第137頁/共196頁 圖750過零比較器及脈寬調(diào)制器輸出波形(a)過零比較器整形波形；(b)脈寬調(diào)制器輸出波形第138頁/共196頁 2. 脈寬調(diào)制器 若

55、參考信號ur為三角波，而輸入信號ui為緩變信號，如經(jīng)傳感器變換的溫度、壓力等信號，則隨著ui的變化，輸出矩形波的脈寬也隨之變化。所以，開環(huán)比較器還可實現(xiàn)脈寬調(diào)制，如圖750(b)所示。 第139頁/共196頁 三、遲滯比較器雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 1.簡單比較器應(yīng)用中存在的問題 如圖748(a)所示的比較器存在兩個問題：一是輸出電壓轉(zhuǎn)換時間受運放壓擺率SR的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖751(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖751(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯誤的跳變，直至ui遠離ur值才穩(wěn)定下來。如果對受干擾的uo波形去計數(shù)，計數(shù)值必然會多出許

56、多，從而造成極大的誤差。 第140頁/共196頁圖7-51 簡單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭 (b)受干擾情況第141頁/共196頁 2.遲滯比較器電路及傳輸特性 為了解決以上兩個問題，在比較器中引入正反饋，構(gòu)成所謂“遲滯比較器”。這種比較器具有很強的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而改善了輸出波形的邊緣。 1)反向輸入的遲滯比較器 反向輸入的遲滯比較器電路如圖752(a)所示。其中R2將uo反饋到運放的同相端與R1一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)F正為 第142頁/共196頁圖752遲滯比較器電路及傳輸特性 (a)電路； (b)傳輸特性 Cuo(a

57、)RRuiR2R1VZ1VZ2Uf第143頁/共196頁圖752遲滯比較器電路及傳輸特性 (a)電路； (b)傳輸特性 00uiuouiuouiuoUoH UUrLUoLUrH(b)UrLUrH第144頁/共196頁 電路中R及帶溫度補償?shù)姆€(wěn)壓管(VZ1、VZ2)組成輸出限幅電路，使輸出電壓的高低電平限制在(UVZ+UVD)。下面我們來分析該電路的傳輸特性。 因為信號加在運放反相端，所以ui為負時，uo必為正，且等于高電平UoH=+(UVZ1+UVD2)。此時，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:211RRRUUFof正(759) )(2121121111VDVZoHoHfrUURRRURRR

58、UFUU正(760) 第145頁/共196頁 當ui由負逐漸向正變化，且ui =Uf=Ur1時，輸出將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。我們稱uo從高到低所對應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門限電壓，記為UTH?？梢妎HrTHURRRUU2111(761) 而后，ui再增大，uo將維持在低電平。此時，比較器的參考電壓Ur將發(fā)生變化，即)()(2121121122VDVDoLoLfrUURRRURRRUFUU正(762) 第146頁/共196頁 當ui由正變負的比較電平將是Ur2(負值)，故只有當ui變得比Ur2更負時，uo才又從低變高。所以，稱Ur2為下門限電壓，記為UTL。 )(212112112VZVDoLrTH

59、UURRRURRRUU(763) 第147頁/共196頁 綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性如圖752(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，所以稱之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門限之差稱之為回差，用U表示： )(2211VDVZTLTHUURRRUUU(764) 第148頁/共196頁 如圖753所示。由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，若ui上疊加有干擾信號時，只要該干擾信號的幅度不大于回差U，則該干擾的存在就不會導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯誤跳變。應(yīng)該指出，回差U的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。第149頁

60、/共196頁圖753遲滯比較器輸出波形第150頁/共196頁 2)同相輸入遲滯比較器 電路如圖754(a)所示，信號與反饋都加到運放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當同相端電壓U+=U-=0時，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門限電壓和下門限電壓分別為 )()(2121VDVZTLVDVZTHUURRUUURRU(765a) (765b) 第151頁/共196頁 其傳輸特性如圖754(b)所示，讀者可自行分析。 遲滯比較器又名施密特觸發(fā)器或雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個狀態(tài)，且具有記憶功能。 第152頁/共196頁(a)uoRR1uiR2(