模拟电子技术经典教程 模拟集成电路的应用

9模拟集成电路的应用模拟电子技术经典教程9.1集成运放的应用信号放大信号比较信号产生信号滤波信号运算为消除偏置电流引起的偏差，取f12//RRR反相放大电路vIvO-+RfR1AvNvPR2电压并联负反馈由第4章可知，电路为负反馈电路。0PNvv即电路处于深度负反馈条件下，虚短和虚断成立。利用虚短和虚断得fON1NIRvvRvvI1fOvRRv510A由于运放的增益一般有，。11FA所以输出与输入反相同相放大电路vIvO-+RfR1AvNvP电压串联负反馈IPNvvv利用虚短和虚断得1Nof1RvvRRI1fO)1(vRRv输出与输入同相vIvO-+AvNvP电压跟随器IOvv从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。fON1NS1RvvRvv3P2PS20RvRvvS11fS23231f1O))((vRRvRRRRRRv当,231fRRRR则)(S1S21fOvvRRv若继续有,1fRR则S1S2Ovvv根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：PNvv差值放大电路1NS1-RvvfON-Rvv根据虚短、虚断和N点的KCL得：2S2f1S1fO-vRRvRRvf21RRR若0PNvv2NS2-RvvR2RfR1vS2vS1iIvONP+–则有2S1SO-vvv（加法运算）输出再接一级反相电路R2RfR1vS2vS1iIvO1NP+–RRvO+–2S1SOvvv可得反相加法电路根据虚短、虚断和叠加原理得：NPvv同相加法电路121200'iPiPPvvvvvRRR0NNofvvvRR21121221//'//'//'//'fiioRRRRvRRvvRRRRRRR211212112221//'//'//'//'ffiiofRRRRRvRRvRRvRRRRRRRRRR1212pipifnRvRvRRRR1212pfiinRRvvRRR//'////fn21pRRRRRRR式中,i2i1of21npvvvRRRRR时当，减法电路O1vS111fvRR第一级反相比例第二级反相加法OvS222fvRRO122fvRR（1）利用反相信号求和以实现减法运算Ov即S111f22fvRRRRS222fvRR当时22f11fRRRR，得2S1SOvvv（减法运算）从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。S1NNO12vvvvRRS2PP120vvvRR2OS2S11()RvvvR根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：PNvv减法电路（2）利用差值放大以实现减法运算R2R1R2积分电路式中，负号表示vO与vi在相位上是相反的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得0PNvvCii因此iviR设电容器C的初始电压为零，则iO11ddCCvvvittCCROi1dvvtRC（积分运算）Cii微分电路根据“虚短”，得根据“虚断”，得0PNvv12ii因此s12,odvviCidtR所以sodvvCdtR12iisodvvRCdt其中，IES是发射结反向饱和电流，vO是vS的对数运算。对数运算电路利用PN结的指数特性实现对数运算BEtCEES(e1)vViiIBJT的发射结有注意：vS必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏利用虚断和虚短，电路有vSTiCRiNvO–+PBEtESevVISCEviiiROtStESlnlnvVvVRIlnEBEtESivVIOBElnlnsEttESESviRvvVVIIvO是vS的反对数运算（指数运算）反对数运算电路BESvv利用虚短和虚断，电路有StOESevVvRIRivFOBEtFEESevViiIvSvORiFTiE–+以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路9.1.3信号滤波1基本概念及初步定义2一阶有源滤波电路•高通滤波•低通滤波•基本概念•分类•带阻滤波•带通滤波基本概念及初步定义1.基本概念)()()(iosVsVsA滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。无源滤波器：由无源器件（R、L、C等）构成的滤波器。)(Itv)(Otv滤波电路滤波电路传递函数定义时，有js)(je)j()j(AA)()j(A其中)j(A)(——模，幅频响应——相位角，相频响应时延响应为)(d)(d)(s有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。2.分类低通（LPF）希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？各种滤波器的幅频响应实际滤波器的幅频响应1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Jul-2003SheetofFile:E:\long\T_MD\T_MD91302.schDrawnBy:(a)(b)1o2f3f2A11A3|－40|/－2000/－40－20000.1|/|0.3A3A/f2fo1(a)低通滤波器(b)带通滤波器1—切比雪夫滤波器；2—巴特沃斯滤波器；3—贝塞尔滤波器由图可见，切比雪夫滤波器的幅频特性曲线边沿下降陡峭，但顶部不平；贝塞尔滤波器的顶部少起伏但边沿下降缓慢；巴特沃斯滤波器特性介于二者之间。一阶有源滤波电路1.低通滤波电路n01)(sAsA传递函数2n0)(1)j(AA其中特征角频率1f01RRARC1n故，幅频相应为一阶有源滤波电路2.高通滤波电路可由低通和高通串联得到1111CR必须满足3.带通滤波电路RC–+vPvIvOA0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OO12AA0O21通带测评阻带阻碍阻带阻碍低通特征角频率2221CR高通特征角频率12111(),11VLLLAsRCjsR1C1–+vIR2C2–+vO一阶有源滤波电路4.带阻滤波电路可由低通和高通并联得到必须满足12R1C1–+vIR–+vOR2C2–+RRA0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OO12AA0O12通带测评阻带阻碍通带测评一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。信号比较比较器的基本功能是对两个模拟电压信号的电平值进行比较，并用输出电平的两个极端值（高、低电平）来表示比较的结果。单门限比较器迟滞比较器比较器特点：1.单门限电压比较器开环，虚短和虚断不成立增益A0大于105CCOEEVvVvIvO-+A+VCC-VEEVREF因为电路只有一个门限电压，故称为单门限比较器。电压传输特性vIVREF时，vOH=+VCCvIVREF时，vOL=-VEEvOVOHVOLvIOVREF理想实际比较器vIvO-+A+VCC-VEEVREF对于单门限比较器，当输入为正负对称的正弦波时，输出波形如下图所示。vIOT234ttvOVOHOVOLVREF比较器2.过零比较器电压传输特性将单门限比较器的参考电压VREF设置为零,就得到过零比较器。vIvO-+A+VCC-VEEvI0时，vOH=+VCCvI0时，vOL=-VEEvOVOHVOLvIO思考1.若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是怎样的？2.输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？vIvO+-A+VCC-VEEvOVOHVOLvIOvIOT234ttvOVOHOVOL单门限比较器的抗干扰能力vItVth=VREFOvOVOHOtVOL应为高电平错误电平单门限比较器的特点工作在开环状态；具有开关特性。因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态；电路简单，灵敏度高，但抗干扰能力较差，容易发生误触发。迟滞比较器（1）电路组成vIvNvP–+AvOR110kR2100VREF=1V（2）门限电压：Pv为门限电压门限电压POOPvvvv与有关，对应于的两个电压值可得的两个21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV上门限电压下门限电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV2o1REF1212pRVRVVRRRRvO/VVOH0(a)VT+vI/VVOL迟滞比较器（3）传输特性vIvNvP–+AvOR110kR2100VREF=1VvO/V0(b)VT–vI/VVOHVOLvO/V0(c)VT–vI/VVT+VOHVOL(VOH)(VOL)当vi增大时，直到viVT+时（略大），电路发生翻转，vO=VoL。当vi减小时，直到viVT-时（略小），电路发生翻转，vO=VoH。(b)vO/V10–5–1050VT–VT+vI/V解：（1）门限电压（3）输出电压波形例电路如图9.4.6a所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性(a)vIR310kvN–+AR41kvODZVZ=10VR120kR220kV521OH221REF1TRRVRRRVRVV521OL221REF1TRRVRRRVRV0REFV0V1OV(b)vO/V10–5–1050VT–VT+vI/V(b)vO/V10–5–1050VT–VT+vI/Vt1t3tt2vO+10VO–10V(d)vIVT+=+5VOVT–=–5V(c)t1t3t信号产生电路在不输入任何信号的条件下，可以在输出端自动获取信号的电路，称为波形产生电路。正弦波产生电路非正弦波产生电路正反馈放大电路如图示。（注意与负反馈方框图的差别）振荡条件idifXXX所以振荡条件为foidXFXAFXoiFXAXoidfXXXidididAXXAFX1AAF当Xi=0，Xo0时，电路产生自激振荡，AF=，即1-AF=0。1AF1FAAF=A+F=2n－幅度平衡条件－相位平衡条件起振条件起振和稳幅振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声或外部的干扰当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。噪声或干扰信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号被放大，成为振荡电路的输出信号。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅条件从回到1AF。1AF1AFAF=A+F=2n放大电路（包括负反馈放大电路）正弦波振荡电路的基本组成反馈网络（构成正反馈的）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节正弦波振荡电路的分类按照组成选频网络的元件类型，可将正弦波振荡电路分为以下两类：RC正弦波振荡器产生1HZ-1MHZ的低频正弦波，主要有RC移相式、RC串并联式（RC桥式）、双T网络式等。LC正弦波振荡器产生1MHZ以上的高频正弦波，主要有变压器反馈式、三点式、石英晶体振荡器等。反馈系数RC串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV幅频响应又212ZZZ2)(31sCRsCRsCRjs且令RC10则)(j3100VF2002)(31VF相频响应3)(arctg00fRC串并联选频网络的选频特性当2002)(31VF幅频响应有最大值3)(arctg00fRCffRC21100