模擬電子技術(shù)經(jīng)典教程模擬集成電路的應用.ppt

9 模擬集成電路的應用,模擬電子技術(shù)經(jīng)典教程,9.1 集成運放的應用,信號放大,信號比較,信號產(chǎn)生,信號濾波,信號運算,為消除偏置電流引起的偏差，取,反相放大電路,電壓并聯(lián)負反饋,由第4章可知，電路為負反饋電路。,即電路處于深度負反饋條件下，虛短和虛斷成立。,利用虛短和虛斷得,由于運放的增益一般有 ，,所以,輸出與輸入反相,同相放大電路,電壓串聯(lián)負反饋,利用虛短和虛斷得,輸出與輸入同相,電壓跟隨器,從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。,當,則,若繼續(xù)有,則,根據(jù)虛短、虛斷和N、P點的KCL得：,差值放大電路,根據(jù)虛短、虛斷和N點的KCL得：,若,則有,（加法運算）,輸出再接一級反相電路,可得,反相加法電路,根據(jù)虛短、虛斷和疊加原理得：,同相加法電路,減法電路,第一級反相比例,第二級反相加法,（1）利用反相信號求和以實現(xiàn)減法運算,即,當 時,得,（減法運算）,從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。,根據(jù)虛短、虛斷和N、P點的KCL得：,減法電路,（2）利用差值放大以實現(xiàn)減法運算,積分電路,式中，負號表示vO與vi在相位上是相反的。,根據(jù)“虛短”，得,根據(jù)“虛斷”，得,因此,設(shè)電容器C的初始電壓為零，則,（積分運算）,微分電路,根據(jù)“虛短”，得,根據(jù)“虛斷”，得,因此,所以,其中，IES 是發(fā)射結(jié)反向飽和電流，vO是vS的對數(shù)運算。,對數(shù)運算電路,利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算,BJT的發(fā)射結(jié)有,注意：vS必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7伏,利用虛斷和虛短，電路有,vO是vS的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）,反對數(shù)運算電路,利用虛短和虛斷，電路有,以上兩個電路溫漂很嚴重，實際電路都有溫度補償電路,9.1.3 信號濾波,1 基本概念及初步定義,2 一階有源濾波電路,高通濾波,低通濾波,基本概念,分類,帶阻濾波,帶通濾波,基本概念及初步定義,1. 基本概念,濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無 用頻率信號的電子裝置。,無源濾波器：由無源器件（R、L、C等）構(gòu)成的濾波器。,濾波電路傳遞函數(shù)定義,時，有,其中, 模，幅頻響應, 相位角，相頻響應,時延響應為,有源濾波器：由有源器件構(gòu)成的濾波器。,2. 分類,低通（LPF）,希望抑制50Hz的干擾信號，應選用哪種類型的濾波電路？,高通（HPF）,帶通（BPF）,帶阻（BEF）,全通（APF）,放大音頻信號，應選用哪種類型的濾波電路？,實際濾波器的幅頻響應,(a)低通濾波器 (b)帶通濾波器 1切比雪夫濾波器；2巴特沃斯濾波器；3貝塞爾濾波器,一階有源濾波電路,1. 低通濾波電路,傳遞函數(shù),其中,特征角頻率,故，幅頻相應為,一階有源濾波電路,2. 高通濾波電路,可由低通和高通串聯(lián)得到,必須滿足,3. 帶通濾波電路,低通特征角頻率,高通特征角頻率,一階有源濾波電路,4. 帶阻濾波電路,可由低通和高通并聯(lián)得到,必須滿足,一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠。一般用在對濾波要求不高的場合。,信號比較,比較器的基本功能是對兩個模擬電壓信號的電平值進行比較，并用輸出電平的兩個極端值（高、低電平）來表示比較的結(jié)果。,單門限比較器,遲滯比較器,比較器,特點：,1. 單門限電壓比較器,開環(huán)，虛短和虛斷不成立,增益A0大于105,因為電路只有一個門限電壓，故稱為單門限比較器。,電壓傳輸特性,vI VREF 時， vOH = +VCC,vI VREF時， vOL = -VEE,比較器,對于單門限比較器，當輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形如下圖所示。,比較器,2. 過零比較器,電壓傳輸特性,將單門限比較器的參考電壓VREF設(shè)置為零 , 就得到過零比較器。,vI 0 時， vOH = +VCC,vI 0 時， vOL = -VEE,思考,1. 若過零比較器如圖所示，則它的電壓傳輸特性將是怎樣的？ 2. 輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？,單門限比較器的抗干擾能力,單門限比較器的特點,工作在開環(huán)狀態(tài)；,具有開關(guān)特性。因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)；,電路簡單，靈敏度高，但抗干擾能力較差，容易發(fā)生誤觸發(fā)。,遲滯比較器,（1）電路組成,（2）門限電壓：,門限電壓,上門限電壓,下門限電壓,回差電壓,遲滯比較器,（3）傳輸特性,(VOH),當vi增大時，直到viVT+時（略大），電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，vO=VoL。,當vi減小時，直到viVT-時（略?。娐钒l(fā)生翻轉(zhuǎn)，vO=VoH。,解：,（1）門限電壓,（3）輸出電壓波形,例,電路如圖9.4.6a所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸入信號下的輸出電壓波形。,（2）傳輸特性,信號產(chǎn)生,電路在不輸入任何信號的條件下，可以在輸出端自動獲取信號的電路，稱為波形產(chǎn)生電路。,正弦波產(chǎn)生電路,非正弦波產(chǎn)生電路,正反饋放大電路如圖示。（注意與負反饋方框圖的差別）,振蕩條件,所以振蕩條件為,當Xi=0，Xo0時，電路產(chǎn)生自激振蕩，AF=，即1-AF=0。,AF = A+ F= 2n,幅度平衡條件,相位平衡條件,起振條件,起振和穩(wěn)幅,振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？,電路器件內(nèi)部噪聲或外部的干擾,當輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。,噪聲或干擾信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。,穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅條件從 回到,AF = A+ F= 2n,放大電路（包括負反饋放大電路）,正弦波振蕩電路的基本組成,反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋的）,選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的 一個頻率。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）,穩(wěn)幅環(huán)節(jié),正弦波振蕩電路的分類,按照組成選頻網(wǎng)絡(luò)的元件類型，可將正弦波振蕩電路分為以下兩類：,RC正弦波振蕩器,產(chǎn)生1HZ-1MHZ的低頻正弦波，主要有RC移相式、RC串并聯(lián)式（RC橋式）、雙T網(wǎng)絡(luò)式等。,LC正弦波振蕩器,產(chǎn)生1MHZ以上的高頻正弦波，主要有變壓器反饋式、三點式、石英晶體振蕩器等。,反饋系數(shù),RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性,幅頻響應,又,且令,則,相頻響應,RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性,當,幅頻響應有最大值,相頻響應,幅頻響應,相頻響應,正反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò),RC橋式正弦波振蕩電路,1.電路組成,帶負反饋的放大電路,正反饋網(wǎng)絡(luò),2. 振蕩電路工作原理,此時若放大電路的電壓增益為,由此可知，電路滿足相位平衡條件,則振蕩電路滿足起振的振幅條件,(+),(+),(+),(+),電路可以輸出頻率為 的正弦波,電路是否構(gòu)成正反饋,電路能否起振,采用非線性元件,3. 穩(wěn)幅措施,利用熱敏電阻,熱敏電阻,起振時，,即,熱敏電阻的作用,3. 穩(wěn)幅措施,利用二極管的非線性,二極管的正向電阻,所以當輸出電壓振幅增大時，輸出電流增大，RD將減小。,石英晶體振蕩器,石英晶體發(fā)生壓電諧振時，可用L和C分別模擬晶體的質(zhì)量和彈性，振動時的摩擦損耗用R模擬，整個晶體等效為一LC振蕩器，因為其Q值（品質(zhì)因數(shù)L/C）極高，選頻特性很好，所以振蕩頻率的穩(wěn)定性可以高達10-9甚至10-10。,石英振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的。當外加的交變電壓的頻率與晶片的固有頻率相等時，機械振動的幅度將急劇增加，產(chǎn)生壓電諧振現(xiàn)象，從而可制成振蕩器。,方波產(chǎn)生電路,1. 電路組成,能否不串入該電阻？,方波產(chǎn)生電路,2. 工作原理,由于遲滯比較器中正反饋的作用，電源接通后瞬間，輸出便進入飽和狀態(tài)。,假設(shè)為接通電源瞬間，電路的輸出為正飽和值VZ，則輸出電壓將向電容充電，vN=vC將不斷升高。,RC 放電,RC 充電,當vNVT+時，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電壓變?yōu)榈碗娖?VZ。,當電路的輸出為-VZ，電容將通過Rf支路放電，vN=vC將不斷下降。,當vN VT-時，電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出電壓變?yōu)楦唠娖絍Z。,方波產(chǎn)生電路,電容充放電的微分方程為：,通解為：,3. 振蕩周期,方波產(chǎn)生電路,4. 占空比可變的方波產(chǎn)生電路,三角波產(chǎn)生電路,1.電路組成,2.工作原理,假設(shè)電源接通時，vO1=+VZ,則電容C充電, 同時vO按線性逐漸下降；,