南京邮电学院模拟电子技术基础第7章 模拟集成电路系统

1、1第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 7 1 集成运算放大器在基本运算中的应用集成运算放大器在基本运算中的应用7 2 有源有源rc及开关电容滤波器及开关电容滤波器 7 3 集成运算放大器精密二极管电路集成运算放大器精密二极管电路7 4 电压比较器及弛张振荡器电压比较器及弛张振荡器7 5 模拟开关模拟开关7 6 集成运算放大器选择指南集成运算放大器选择指南2第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统71 集成运算放大器在基本集成运算放大器在基本 运算中的应用运算中的应用 v 理想集成运放的理想参数：1) 开环差模电压增益aod；2) 差模输

2、入电阻rid；3) 输出电阻ro0；4) kcmr；5) 输入失调电流iio、失调电压uio和它们的温漂均为零；6) 输入偏置电流iib=0； 3db带宽fh=,等等。3第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 711 相加器相加器一、反相相加器一、反相相加器1.电路如图71所示。直流平衡电阻： v理想集成运放工作在线性区时有两个重要特点 ： 理想运放的差模输入电压等于零。即u+=u- “虚短” 理想运放的输入电流等于零。即i+=i-=0 “虚断” fprrrrr3212.关系式：因为点“虚地”，所以 4第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统rfr1r2r3rfui1ui2ui3uo

3、r1r2r3i1i2i3ifii 图71反相相加器 332211332211321ifififofoiiifurrurrurrururururuiiii5第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统)(1111iiifouuurru若 则 rrrr321例例1：利用集成运放实现以下求和运算关系： 3212 . 05iiiouuuu要求对应于各个输入信号来说，电路的输入电阻不小于10k，试确定电路的参数。 解：电路如图7-1所示，由题可得： 2 . 0, 5, 1321rrrrrrfff6第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 又因为各路的输入电阻不小于10k，所以选r2=10k，则 rf

4、=5r2=50 k r1=rf=50 k krrrff25052 . 03krrrrrfp9 . 65025010503217第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、同相相加器二、同相相加器 1.电路如图73所示。 2.同相端与反相端可视为“虚短路”，即 u+=u- rfui1uoui2rr1r2r3图73 同相相加器电路8第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统213213123123iiurrrrrurrrrrufofuurrru所以： 2132131231231iifourrrrrurrrrrrru当r1=r2时， 21131131iifouurrrrrrru9第第7章章

5、模拟集成电路系统模拟集成电路系统 712相减器相减器(差动放大器差动放大器) 相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。如图74所示。可应用叠加原理来计算。当ui2=0时，相当于同相比例放大器，则ourrrrrurru 当ui1=0时，相当于反相比例放大器，则 2132iourru10第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统总的输出电压uo为： 213142413211iiooourrurrrrruuu当r1=r2，r3=r4时 2113iiouurru11第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统r3ui2uoui1r1r2r4r3ui2uo2r1r2r4r3

6、ui1uo1r1r4r2(分解)图74 相减器电路 12第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统例例2 利用相减电路可构成“称重放大器”。图75给出 称重放大器的示意图。 图中压力传感器是由应变片构成的惠斯顿电桥，当压力(重量)为零时，rx=r，电桥处于平衡状态，ui1=ui2,相减器输出为零。而当有重量时，压敏电阻rx随着压力变化而变化，从此电桥失去平衡，ui1 ui2,相减器输出电压与重量有一定的关系式。试问，输出电压uo与重量(体现在rx变化上)有何关系。13第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统r2uor2r1r1rxrrrer激励源压力传感器相减放大器压敏电阻 图75称重放

7、大器r2ui2uoui1r1r1r2rxr图76称重放大器的简化图14第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 解解 图75的简化电路如图76所示。图中 xxrxxirirrrrrerrrueu,2,221那么 112122212)1 (ixixourrrrrrrurrru若保证则,211xrrrrrxxxxriioerrrrrrrrrerruurru)(2)21()(12122112 重量(压力)变化，rx随之变化，则uo也随之变化，所以测量uo就可以换算出重量或压力。 15第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 713 积分器积分器 积分器能实现积分运算，即输出电压与输入电压的积

8、分成正比。电路如图7-7所示。 2.复频域传递函数为： 即其频域传输函数为： 1.频域表达式为:jucrjjurcjjuiio11rcjjujujaio1 srcsususaio116第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统rcja1)(传输函数的模 (712a) 理想积分器的频率响应如图78所示。 uiuorc 图77 积分器电路 附加相移 (712b) oj90)(17第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统3.在时域： (uc(0)=0) dtturcdttictuico114. 差动积分器：将相减器的两个电阻r3和r4换成两个相等电容c，而将r1=r2=r，则构成了差动积分器如

9、图7-9所示 dttuturctuuudtrutucdtticudtrutucdttictuuiioicico21211211111式式18第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统0|au(j)|/db 20db /10倍频程1/rc0 90(j) 图78 理想积分器的频率响应 ui2uoui1rrcc 图79 差动积分器 19第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 例例3 电路如图710所示，r=100k，c=10f。当t=0t1(1s)时，开关s接a点；当t=t1(1s)t2(3s)时，开关s接b点；而当tt2(3s)后，开关s接c点。已知运算放大器电源电压ucc=|-uee|=

10、15v，初始电压uc(0)=0,试画出输出电压uc(0)的波形图。 r 15v 15vc10100kuosabce12ve23v 图710 例3电路图20第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 解解(1)因为初始电压为零(uc(0)=0)，在t=01s间，开关s接地，所以uo=0。 (2)在t=13s间，开关s接b点，电容c充电,充电电流 mkvreic02. 010021 输出电压从零开始线性下降。当t=3s时:vsfvttrcedterctutto421010102)(1)(6512112121第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 (3)在t3s后，s接c点，电容c放电后被反

11、充电，uo从-4v开始线性上升，一直升至电源电压ucc就不再上升了。那么升到电源电压(+15v)所对应的时间tx是多少?stvttvtudtercvtuxxottxox33. 93284)(1010103)(115)(265222所以，u o(t)的波形如图711所示。 22第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统1541234567890uo(t)/vt/s图711 例3电路的输出波形u o(t) 23第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 714 微分器微分器 将积分器的c和r的位置互换，就成了微分器，如图712所示。微分器的传输函数为rcjja)(:. 1频域表达式其频率响应如

12、图713所示。 dttducrrituifo: 3.时域表达式srcsas)(:. 2 域表达式24第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuorc 图712 微分器 0|au(j)|/db20db /10倍频程1/rc090(j) 图713理想微分器的频率响应25第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 可见，输出电压和输入电压的微分成正比。 微分器的高频增益大。如果输入含有高频噪声的话，则输出噪声也将很大，而且电路可能不稳定，所以微分器很少有直接应用。在需要微分运算之处，也尽量设法用积分器代替。例如，解如下微分方程： dttudttudttutudttudttudtudttud

13、tutudttuddttudooioooioiooo)(10)(2)()()(2)(10)()()()(2)(10)(2(718) 26第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 一、对数运算器一、对数运算器 最简单的对数运算器是将反相比例放大器的反馈电阻rf换成一个二极管或三极管，如图714所示。 由图可见:sctbeoiiuuuln式中，v的集电极电流 ruiiic1故 riuuusitoln715 对数、反对数运算器对数、反对数运算器表明uo与ui成对数关系。 27第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统28第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统存在问题：ui必须为正；is和

14、ut都是温度的函数，运算结果受温度的影响很大改善方法：用对管消除is的影响； 用热敏电阻补偿ut的温度影响。如图7-15所示。 29第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统图715具有温度补偿的对数运算器uir1rpa1a2uov1v2i1irr uccr3r2对管rta30第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图715中，v1和v2是一对性能参数匹配的晶体管，用以抵消反向饱和电流的影响，rt是热敏电阻，用以补偿ut引起的温度漂移。由图可见:211211221223lnlnln)1 (sscctsctsctbebeaatoiiiiuiiuiiuuuuurrru31第第7章章 模拟集

15、成电路系统模拟集成电路系统因为v1、v2有匹配对称的特性，所以is1=is2，则)ln()1 ()1 ()(,lnln1232312211112rruuqktrrrurrrururuuuiiruiiiuiiuuicctatoccbebecccriccrtccta32第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 式(722)表明，用对管消除了反向饱和电流的不良影响，而且只要选择正温度系数的热敏电阻rt,也可消除ut =kt/q引起的温度漂移，实现温度稳定性良好的对数运算关系。 33第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、反对数(指数)运算器 指数运算是对数的逆运算，因此在电路结构上只要

16、将对数运算器的电阻和晶体管位置调换一下即可，如图716所示。 由图可见： titbeuusoibeuuscfoiuuueriririure实现了输出电压与输入电压的指数运算关系。34第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuoifrficrp图716 反对数(指数)运算器 35第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 三、乘法器和除法器 用对数和反对数运算器可构成乘法器和除法器。如图717(a)(b)所示对数电路 ui1 求和 电路 对数电路 ui2 lnui2 lnui1 指数电路 lnui1+lnui2 uo=kui1ui2 对数乘法器方框图 对数电路 ui1 减法 电路 对数

17、电路 ui2 lnui2 lnui1 指数电路 lnui1-lnui2 uo=kui1/ui2 对数除法器方框图 36第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统a1uo kui1 ui2ui1“对数”“对数”“相加器”“反对数”(a)ui2a2a3a4a1uo kui1“对数”“对数”“相减器”“反对数”(b)ui2a2a3a4ui1ui2rrrrrrrrr 图717乘法器和除法器 (a)乘法器；(b)除法器37第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 716 v/i变换和变换和i/v变换变换 一、电压源电流源变换电路(v/i变换) 电路图718所示。 uir1r2uor4r3负载ail

18、zl图718 v/i变换电路23riruuulooiurrrurrru411414由 ，并设 ，则可得 uu4231rrrr2ruiil可见il与ui成正比，与负载zl无关。 38第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统二、电流源电压源变换电路(i/v变换)如图719所示。 uo1m1m(a)(b)a15v1muoa图719 将光电流变换为电压输出的电路39第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图720所示电路，是用来测量大电流的实际电路。图中r3(=0.01)为电流采样电阻。由于运放输入电流极小，负载电流il全部流经r3，产生的采样电压u3=r3il。运放输出加到场效应管栅极，构

19、成深度负反馈，故利用“虚短路”特性，有u+=u-,即ldirir31而id=is，输出电压uo为 1322rirrriuldo40第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统5g240.01r3r11k3dj6r25kuoil负载id 图720测量大电流il的电路 41第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 利用式(725)，测出uo，就可以换算出负载电流il。例如，r2=5k，r1=1k，r3=0.01，则电流电压变换比为 ，若测得输出电压uo =5v，则可知负载电流il=100a。 avrrr/05. 01327-442第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统72 有源有源rc及

20、开关电容滤波器及开关电容滤波器 滤波器是具有频率选择功能的电路，它允许一定频率范围内的信号通过，而对不需要传送的频率范围的信号实现有效的抑制。滤波器在通信、电子工程、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。本章着重介绍由运算放大器构成的rc有源滤波器、开关电容滤波器的原理及典型电路。 43第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 721有源滤波器的类型、传递函数及零、极点分布 根据滤波器通带和阻带的不同，有源rc滤波器可分为低通(lowpass)、高通(highpass)、带通(bandpass)、带阻(bandreject)和全通(allpass)等。一阶和二阶滤波器是比较常用的滤波器，而且高阶

21、滤波器可由一阶和二阶组合而成，所以我们主要介绍二阶滤波器。表71给出了二阶滤波器的标准传递函数表达式,零、极点分布以及幅频特性示意图。 44第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统表71二阶滤波器的标准传递函数,零、极点分布以及幅频特性示意图45第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统46第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 如图721所示，有巴特沃兹滤波器、契比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器和椭圆滤波器之分。巴特沃兹滤波器具有最平坦的通带，但过渡带不够陡峭。契比雪夫滤波器带内有起伏，但过渡带比较陡峭。贝塞尔滤波器过渡带宽而不陡，但具有线性相频特性。椭圆滤波器不仅通带内有起伏，阻带内

22、也有起伏，而且过渡带陡峭。我们应根据实际的需要来设计所需的滤波器特性。47第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图721各种低通滤波器特性比较48第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 722运放作为有限增益放大器的有源滤波器电路 这类滤波器的一般电路如图722(a)所示。其中，运放接成同相放大器，其增益k为112fffrrrk(726) 因此，图722(a)电路可简化为图722(b)电路。该电路的传递函数推导如下： 根据电路，分别列出节点c及b的电流方程i=0，得 49第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统运放约束条件）(0)(0)(343321321kuuyuyyuyu

23、yuyuyyyuobcbboic(727a) (727b) (727c) 联立解方程(727)，得 321321431)1 ()()()(ykyyyyyyykysusuaiouf(728) 50第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ky4y3y2y1uirf1rf2uo(a)(b)ky4y3y2y1uiuocb图722运放作为有限增益放大器的有源滤波器电路 51第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 给y1y4赋予不同的阻容元件，则可构成不同的滤波器。例如，令y1=y3= ,y2=y4=sc,如图723所示，则传递函数r122222222131)(oooufsqskcrsrcksc

24、rksa(729) 与表71中的标准表达式比较，该传递函数有两个共轭复根(极点)而没有零点，可见是一个二阶低通滤波器。其中： kqrrkrcffo31,1,11252第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 当k3时,分母中s项系数变负，极点就会移至s平面的右半平面，从而导致系统不稳定。一般这种电路的q只能做到10以下。 53第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuorf1rf2crcruiuorf1rf2c4r1r4c3r2(a)(b)图723低通滤波器及带通滤波器 (a)低通滤波器；(b)带通滤波器 54第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 同理，若将图723(a)的

25、电阻与电容位置互换，就得到高通滤波器。 4443322111,11scryscyryry，若令电路则为带通滤波器。 55第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 723运放作为无限增益放大器的多重反馈有源滤波器 电路如图724所示，运放同相端接地，信号从反相端输入，输出信号分别通过y4和y5反馈到输入端。根据电路可列出如下方程： 运放约束条件）(00)(0)(53533414321bocbboicuyuyuyyuyuyuyuyyyyu(730a) (730b) (730c) 联立解方程式(730)，得传递函数434321531)()()(yyyyyyyyysusuaiouf(731) 56

26、第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统arpy1uiy3y5y4y2uo cb图724 多重反馈有源滤波器57第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统55443322111,11ryscyscyryry，若令 则该电路为带通滤波器，如图725(a)所示。令c3=c4=c，其传递函数为52122152121)(rrrcrrscrsscrsauf(732) 与表71中带通滤波器的标准传递函数200200)()(sqssqasa(733) 58第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统比较，得中心角频率 crqbwrrcrcrarrcrrrc501551025021502221)(11)

27、11(11(734)(735) (736) -3db带宽中心频率增益 取r2r1,有 59第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 画出幅频特性如图725(b)所示。调节r2,使中心频率变化，但带宽不变，增益也不变。这是该电路的特点，也是优点，如图725(c)所示。 图725带通滤波器 auiuorpc3r1(a)r5c4r260第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统| a(j) |0a(0)0bw0.707a(0)0q(b)| a(j) |001r20203(c) 图725 带通滤波器(a)电路；(b)幅频特性；(c)调节r2,幅频特性移动61第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电

28、路系统 724有源带阻滤波器 带阻滤波器又称陷波器，用来滤除某一不需要的频率。例如，在微弱信号放大器中滤除50hz工频干扰；在电视图像信号通道中滤除伴音干扰等等。组成带阻滤波器有以下几种方案：62第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 一、用低通和高通滤波器并联组成带阻滤波器 最典型的电路是无源双t网络加运算放大器，如图726(a)所示。无源双t网络是典型的由低通(r2cr)和高通(cr/2c)组合构成的带阻滤波器，但其q值很低。加之反馈后，q值有了很大的提高(见图726(b)。该电路的传递函数为2212222)1()1 (4)1()()()(rcsrcrrrsrcssususaiouf

29、(737) 可见，调节r2与r1的比例，可以控制q值。63第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统a1prr22cbacuocruia2r1r2r2r1 ruo| a(j) |00有源带阻q高无源双tq小(a)(b)图726双t网络带阻滤波器及其幅频特性 (a)电路； (b)幅频特性 64第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、用带通和相加器组成带阻滤波器 用带通和相加器组成的带阻滤波器其框图如图727所示。 例如，采用图725(a)的带通滤波器和相加器组合便构成带阻滤波器。因为 221)(oooufsqssqasa(738) 65第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统bp

30、fuo图727 用带通滤波器和相加器组成带阻滤波器 66第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统只要令a=-1(即令图725(a)中的r5=2r1)，则2002202200201)(sqsssqssqsauf(739) 67第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图728给出一个用于滤除50hz工频干扰的50hz陷波器电路。其中，a1组成带通滤波器，a2组成相加器。其 幅 频 特 性 和 输 入 输 出 波 形 如 图 7 2 9 所 示 ( 用workbanch分析的结果)。图中输入信号(1v/1.5hz)代表待放大的信号，它受到1v/50hz的干扰。经50hz陷波器处理后，50h

31、z干扰被抑制，输出了比较干净的信号。该电路可作为生物电信号放大电路中的工频干扰抑制电路。68第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uia2c4c3r5r1rruorfa(0)1200k0.22400ka10.221k10k10k10kr2图728 50hz陷波器电路69第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统1 v/50 hz/0 deg1 v/1.5 hz/0 degr/1k/ 51%12v74110k10k12v10k741400k0.220.22200k图729 50hz陷波器的幅频特性及输入输出波形70第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 725全通滤波器 全通滤波器

32、的幅频特性是平行于频率轴的直线，所以它对频率没有选择性。人们主要利用其相位频率特性，作为相位校正电路或相位均衡电路。图730所示，是一个一阶全通滤波器或移相器，其传递函数为 rcjjacsrcsrsaufufarctan2)(1)(11)(11(740) (741a)(741b) 71第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统画出辐频特性及相频特性如图731(a)、(b)所示。二阶全通滤波器的电路较复杂，读者可参考有关参考书。 uorruir1c 图730一阶全通滤波器(移相器)电路72第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统9001()a()1/r1c0图731一阶移相器的幅频特性及相

33、频特性73第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 726模拟电感电路 当前的集成工艺，还不能制作电感。人们可利用运算放大器和rc电路，产生等效的模拟电感。 图732所示是一个简单的模拟电感产生电路。由图可推导出等效阻抗zi为21221221)(rrclijrrrcjrriuzaaiii(742) (743) 74第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统auic2iir1r2图732简单的模拟电感产生电路75第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 称 等 效 电 感 或 模 拟 电 感 。 令 c 2 = 1 f ，r1=r2=10k，则la=100h(享利)。 图733给出一个

34、著名的“频变负阻”电路，它可以产生模拟电感。图中显示了各支路电流和各节点电压的表达式。 42531zzzzziuziii(744) 容易导出，等效输入阻抗为76第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统iiuiz2z4z1z3z5.z1ziz2z3uiz4uiz5z5uiuiuiz2z4z3z5.uiz5uiz4ui. 图733 频变负阻电路产生模拟电感77第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统模拟电感）(1,224253crlljcrjzcjzrzzzzaaii(745) (746) 78第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 该电路和r、c元件配合，可以组成各种滤波器。例如，

35、如图734所示，在该电路前端加电阻r6和电容c6,便构成一带通滤波器。图中k为输出缓冲放大器。变换元器件，该电路还可实现其它类型的有源滤波器，读者可自行去组合。 有时，我们也称图733电路为“频变负阻”电路。这是因为，令rzzzcjzz542311(747) 79第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统crrrruokr6uic6la图734 由模拟电感构成的带通滤波器 80第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 可见，zi是一个随频率变化的负阻，故称为“频变负阻”或“二阶电容”。“频变负阻”器件在构成有源梯形滤波器中有着特殊用途，因而受到人们的重视。 rcrcjzi2221)(18

36、1第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 727基于双积分环的二阶有源滤波器 现在我们介绍一种多功能滤波器，即基于双积分环拓扑结构的二阶有源滤波器。因为这类滤波器可以用状态方程描述，所以又称状态变量滤波器。这类滤波器往往可同时实现高通、带通和低通，而且由积分器和相加器组成，在实际中有着广泛的应用。 我们知道，二阶高通滤波器的传递函数为82第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统hphpihpihpufususqauusqsasuusa220020022)(1)(748) (749) 其中a为高频增益。将该式移项整理，得 83第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 式中：第一项表

37、示输入信号ui经a倍放大；第二项表示输出uhp经过一次反相积分(-0/s)再数乘1/q；第三项表示uhp经二次反相积分(20/s2)再反相，而uhp又等于这三项相加。式(749)的信号流图如图735所示。 )()()()()(20022002233)(20022001122sasqsauusuuuuuusasqsauusuuuuuulpufibpioooiolpufihpioooio由图735可知： (750) (751) 该式具有一个原点零点，所以是带通滤波器的传递函数。同理： 84第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uis0uo11/quhpubpa1s0uo2uo3ulp(高通输

38、出)(带通输出)(低通输出)图735 状态变量滤波器的信号流图表示法85第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 该式没有零点,可见是一个低通滤波器的传递函数。 由上可见，该滤波器三个不同输出端分别对应高通、带通和低通，实现了多种滤波功能。图736给出一个具体电路的例子，其中a2、a3组成反相积分器，a1为相加器。对照图735的信号流图，相加器必须体现数乘及符号关系，故应满足下列关系式： 满足第一项系数），即）（满足第二项系数）即）（满足第三项系数）即( 12)( 12,1), 13211323231132211arrarrrrrrqrrqrrrrrrrrrrffff(752c) (752

39、b) (752a) 86第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 由式(752b)和(752c)可见，该电路在满足r1=rf条件下，品质因素q与放大倍数a之间有一定的制约关系，即qk12(753) 87第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统a1uhprfuir2r3a2rcubpa3rulpcr1 图736 状态变量滤波器实例 88第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 728 开关电容网络 rc有源滤波器的滤波特性取决于rc时常数及运放的性能。如果要求时常数很大，全集成化几乎是不可能的。这也是制约通讯设备全集成化的因素之一。人们寻求一种能够实现滤波器全集成化的途径，开关电容因

40、此应运而生。它是基于电容器电荷存贮和转移原理，由受时钟控制的mos开关、mos电容和mos运放组成的网络。它没有电阻，而用开关和电容代替电阻的功能。开关电容网络是一种时间离散、幅度连续的取样数据处理系统，在信号产生、放大、调制、a/d、d/a中有着广泛的应用。 89第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 一、开关电容模拟电阻 如图737(a)所示，mos场效应管开关v1和v2分别受两相不重叠时钟1和2控制(如图737(b)所示)。当1为高电平、 2为低电平时，v1导通，v2截止，u1对c充电，其存贮的电荷q1为 11cuq 90第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统cv1v2u1u

41、21212tcu1u2r1fcci(a)(b)(c) 图737 用开关和电容代替电阻(a)开关电容电路；(b)两相时钟；(c)等效电阻91第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 而当1为低电平而2为高电平时，v1截止，v2导通，那么c存贮的电荷q2变为 在时钟的一个周期tc内，电容c存贮的电荷由q1变为q2,则意味着流过的等效电流 22ucqq cceqccceqcfctiruuctuutcctqqi212121)(754) 92第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 就是由开关和电容组成的等效模拟电阻(如图737(c)。它不仅与电容值有关，而且与时钟频率fc成反比。可见，不仅可用

42、电容和开关代替电阻，且可通过fc来控制r的大小。 93第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、开关电容积分器 我们知道，用积分器和相加器可以组成状态变量滤波器，其中积分器是关键的单元电路，如图738(a)所示。根据开关和电容代替电阻的原理，开关电容积分器电路如图738(b)所示。rc积分器的时常数为rc，而开关电容积分器的时常数为 12122ccfcctcrcceq时常数(755) 94第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 可见，开关电容积分器的时常数取决于时钟频率fc 和电容比(c2/c1)。在mos集成工艺中，电容比的精度可以达到很高(0.1%0.01%)，而且通过控制f

43、c可以十分精确地控制时常数。因此，滤波器的精度也很高。 95第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuorcuoc2c1ui12(a)(b) 图738 开关电容积分器(a)rc积分器；(b)开关电容积分器 96第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统理想rc积分器和开关电容积分器的传输函数分别为121)(1)(cfcjjhrcjjhc(756a) (756b) 图738(b)开关电容积分器的工作过程为：当1为高时，ui对c1充电，电荷q1=uic1;而当2为高时，c1被接到运放虚地点，c1被强迫放电，而将前个时刻积累的电荷q1全部转移给c2,如图739所示。97第第7章章 模拟集成

44、电路系统模拟集成电路系统uic1uoc2(a)uoc2c1(b)1为高时2为高时图739 开关电容积分器工作情况98第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图740(a)、(b)分别给出具有普遍应用价值的有耗积分器和差分积分器。 对于图740(a)，v1、v2和c1等效为r1,v3、v4和c2等效为r2,r2并联在积分电容c上，所以是一个有耗积分器。而对于图740(b)，当1为高时，(ui1-ui2)给c1充电，其电荷q1=c1(ui1-ui2)，而当2为高时， c1被接至运放虚地与地之间，所以c1电荷全部转移给c2,所以是一个差分积分器。 99第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系

45、统uocc1ui12(a)21c2图740开关电容有耗积分器和差分积分器100第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统图740开关电容有耗积分器和差分积分器(b)uoc2c1ui112ui212101第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图741(a)是一个多功耗的二阶rc状态变量滤波器，a1构成有耗积分器，a2组成理想积分器，第三级(a3)组成反相比例放大器(auf3=-1)。用开关电容网络实现的相应电路如图741(b)所示，利用第一级组成差分有耗积分器，可以省去a3的反相器。 102第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统a1uo2r1uir4a2r2c1a3c2(带通)(

46、低通)uo1rr3rr4 r3(a) 图741 开关电容滤波器(a)rc状态变量滤波器；(b)相应的开关电容网络实现103第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图741 开关电容滤波器(a)rc状态变量滤波器；(b)相应的开关电容网络实现uia1c1ubf(带通输出)c1c2a2c2uo1ulf(低通输出)s2c3s1s3s4uo2(b)104第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统73 集成运算放大器精密二极管电路集成运算放大器精密二极管电路 731 精密整流(限幅)电路 在第一章，我们曾经介绍过半波整流(限幅)电路。如图742(a)所示，这种电路由于二极管死区电压uvon(硅管

47、一般为0.60.7v左右)的影响，存在限幅模糊现象。也就是当信号较小时，二极管不导通或导通不良。一般要求ui0.7v才行。如图742(b)所示。105第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ruiuov0iv(a)(b)uvuvon图742一般二极管整流电路 (a)电路；(b)二极管特性106第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 一、精密半波整流电路 一种精密半波整流电路如图743(a)所示。由图可见，当|uo|0.7v(即uvon)时，二极管v1及v2均不导通，运放处于开环工作状态，其开环放大倍数极大(如105)；而当| uo |0.7v后，其中总有一个二极管导通，电路进入正常的

48、限幅状态。而要使|uo|0.7v,ui只需0.7v/105=7v，可见，消除了由二极管死区电压引起的限幅模糊现象。107第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuor1v1(a)r2v2uo0uo(b)uir2/r1uit0uot0(c) 图743精密半波整流电路(a)电路；(b)传输特性；(c)波形 108第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 (1)当ui0,uo0时，v1截止，v2导通，r1、r2构成反相比例放大器， (2)当ui0， uo 0时， v1导通， v2截止，uo=0，而v1导通，保证了运放仍处于闭环工作。 该电路的传输特性及输出波形分别如图743(b)、(c)

49、所示。 iourru12109第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、精密全波整流电路绝对值电路 用半波整流和相加器便构成了全波整流电路，如图744(a)所示，其具体电路如图744(b)所示。图744(b)中，a1构成半波整流，a2构成相加器。其工作原理为： (1)当ui0时，uo1=- ui,uo=- ui -2uo1=- ui +2 ui = ui (2)当ui0时，uo1=0, uo =- ui =-(-| ui |)=| ui |。所以iouu (757)110第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统10ui2uouo(a)图744精密全波整流电路绝对值电路 (a)框图；

50、(b)实际电路 111第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统图744精密全波整流电路绝对值电路 (a)框图；(b)实际电路 a1v1rv2rrruia2uor(b)2uo1112第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统精密全波整流电路的传输特性及输出波形，如图745所示。0uit0uot011uiuo图745精密全波整流电路的传输特性及输出波形113第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 732峰值检波电路 在一些测量电路中，需要检出信号峰值，如图746(a)所示。实现这种功能的关键是电容只充电而不放电，其电路之一如图746(b)所示。由图可见： 当uiuo时，uo10，二极管

51、开关v导通，c充电，且整个电路(a1、a2)构成跟随器， uo =ucui，输出跟随ui增大；当ui uo时， uo1 0，v截止，a2输入阻抗很大，c无放电回路，故uo=uc，处于保持状态。这样，即可以实现峰值检波。114第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统0ui，tuo(a)uoui ,(b)a1uiuo1a2cuov 图746 峰值检波及电路 (a)波形；(b)电路 115第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 733取样保持电路 取样保持电路由取样门(开关)和保持电容组成。当取样脉冲到来时，取样门闭合，uc=ui(ui uc,c充电， ui uc,c放电)。 当取样脉冲过

52、去时，取样门打开，电容电压保持不变。这样，就可以将输入信号ui对应取样脉冲到达时刻的样品取出，且在脉冲休止期间保持住。其模型如图7-47(a)所示。116第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 如果我们将图746(b)中的单向开关(二极管v)换成一个双向开关，电容不仅有充电回路，也有放电回路，则可实现取样保持功能。图747(b)给出一个用场效应管开关代替二极管开关的电路。当取样脉冲us为高电平时，v导通。此时，若uiuc，电容c充电且uc = ui 。若ui uc ，电容仍可通过v向运放放电，且也能保证uc = ui 。而当us为低电平，且us ugsoff(夹断电压)时，则场效应管截止

53、，电容电压保持。max2isff (758) 117第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ustuiuosc0tui ，ucucuiust0(a)样品点图747取样保持电路(a)模型； (b)电路118第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统(b)a1uia2cuous双向开关(保持电容)图747取样保持电路(a)模型； (b)电路119第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统74 电压比较器及弛张振荡器电压比较器及弛张振荡器 741电压比较器电压比较器 一、电压比较器的基本特性 功能：根据两个输入电压的大小，确定输出是高电平还是低电平。其输出只有两个状态。（比较器工作在非线性状

54、态，所以，“虚短”不能随便应用） 。 符号及传输特性：如图7-48。ui为输入电压，ur参考电压。 120第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiurcuccueeuo0uiuouruohuol鉴别不灵敏区(a)(b)图748 电压比较器的符号及传输特性当 时，输出为“高”当 时，输出为“低” riuu riuu 121第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 参数： 1. 高电平(uoh)和低电平(uol) 其输出限幅如图7-49所示。运放构成的比较器：uoh ucc， uol-uee专用比较器：uoh =3.4v左右， uol=-0.4v左右（与数字电路兼容）。 122第第7章

55、章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统123第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 2. 鉴别灵敏度鉴别灵敏度 因为运放和专用比较器的aud不为无穷大，所以ui在ur附近一个很小范围内存在一个比较器的不灵敏区。如图7-48(b)。 aud不灵敏区鉴别灵敏度。 3.转换速度转换速度 比较器的输出状态产生转换所需要的时间。 124第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、电压比较器的开环应用二、电压比较器的开环应用简单比较器简单比较器 1.过零比较器过零比较器 如图7-50(a)所示。令ur=0。当ui0时，输出为高（uoh）。 图750过零比较器及脉宽调制器输出波形(a)过零比较器整

56、形波形；(b)脉宽调制器输出波形125第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 2. 脉宽调制器脉宽调制器 如图750(b)所示， ur为三角波。 这种电路可做为零电平检测器。该电路也可用于“整形”，将不规则的输入波形整形成规则的矩形波。 126第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 三、迟滞比较器三、迟滞比较器双稳态触发器双稳态触发器 1.简单比较器应用中存在的问题简单比较器应用中存在的问题 输出电压转换时间受运放压摆率的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭，如图7-51（a）所示。 抗干扰能力差，如图7-51（b）所示。 图7-51 简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况(a)输

57、出波形边缘不陡峭 (b)受干扰情况127第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 2.迟滞比较器电路及传输特性迟滞比较器电路及传输特性 为了解决以上两个问题，在比较器中引入正反馈，构成所谓“迟滞比较器”。这种比较器具有很强的抗干扰能力，而且，由于正反馈加速了状态转换，从而改善了输出波形的边缘。 1)反向输入的迟滞比较器 如图752(a)所示。其中r2将uo反馈到运放的同相端与r1一起构成正反馈，其正反馈系数f正为 128第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统图752迟滞比较器电路及传输特性 (a)电路； (b)传输特性 cuo(a)rruir2r1vz1vz200uiuouiuoui

58、uouoh uurluolurh(b)ufurlurh129第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 当ui，且ui=ur1=uf1时，uo由uohuol，称ur1为上门限电压，记为uth，且 211rrruufof正 vz1、vz2组成输出限幅电路，使输出电压的高低电平限制在(uvz+uvd)。电路的传输特性当 时， 0iuvdvzohouuuuvdvzohfruurrrufuuu21111正212111vdvzrthuurrruu上门限电压 130第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统当 再增大时， iuvdvzolouuuuvdvzolfruurrrufuuu21122正 当u

59、i，且ui=ur2=uf2时，uo由uoluoh，称ur2为上门限电压，记为utl，且 122112vdvzrtluurrruu下门限电压 回差u：上下门限电压之差。 vdvztlthuurrruuu2112131第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 回差的存在，提高了比较器的抗干扰能力。如图7-53所示，只要该干扰信号的幅度不大于回差u，则该干扰信号的存在就不会导致比较器输出状态的错误跳变。 回差的存在使比较器的鉴别灵敏度。 132第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统图753迟滞比较器输出波形133第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 2)同相输入迟滞比较器 电路如图

60、754(a)所示，信号与反馈都加到运放同相端，而反相端接地(u-=0)。只有当u+=u-=0时，输出状态才发生跳变。而同相端电压等于正反馈电压与ui在此端分压的叠加。据此，可得该电路的上门限电压和下门限电压分别为 )()(2121vdvztlvdvzthuurruuurru(765a) (765b) 134第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 其传输特性如图754(b)所示。 迟滞比较器又名施密特触发器或双稳态电路，它有两个状态，且具有记忆功能。 (a)uorr1uir2(uvz uvd)(b)uiuouohurluolurhc图754同相输入迟滞比较器及其传输特性 (a)电路；(b)