第7章模拟集成电路系统ppt课件

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 711 相加器相加器 集成运算放大器可构成信号集成运算放大器可构成信号“相

2、加电路。相加电路。 一、反相相加器一、反相相加器 使用反相比例放大器可构成反相相加器，如图使用反相比例放大器可构成反相相加器，如图71所示。因为运放开环增益很大，且引入并联电压负反所示。因为运放开环增益很大，且引入并联电压负反馈，馈，点为点为“虚地点，所以虚地点，所以 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统333332222211111RuRuuiRuRuuiRuRuuiiiiiii第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统RfR1R2R3Rfui1ui2ui3uoR1R2R3i1i2i3ifii 图71反相相加器 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 又因为理想运算放大器，i

3、i=i-=0,即运放输入端不索取电流，所以反馈电流 if 为 if=i1+i2+i3 )(1111332211iiifoifififffouuuRRuuRRuRRuRRRiu若if=i1+i2+i3 =R,那么 (71) (72) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 例1 试设计一个相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均100k。 解 为满足输入电阻均100k，选R2=100k，针对2, 312RRRRff所以选Rf=300k，R2=100k,R1=150k。 实际电路中，为了消除输入偏流产生的误差，在同相输入端和地之间接入一直流平衡电阻

4、Rp,并令Rp=R1R2Rf=50k，如图72所示。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统Rfui1ui2uoR1R2Rp150k100k50k300k图72 满足例1要求的反相相加器电路 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 所谓同相相加器，是指其输出电压与多个输入电压之和成正比，且输出电压与输入电压同相。电路如图73所示。根据同相比例放大器原理，运放同相端与反相端可视为“虚短路”，即 U+=U- 其中U+等于各输入电压在同相端的叠加，U-等于uo在反相端的反馈电压Uf。第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统Rfui1uoui2RR1R2R3图73 同相

5、相加器电路第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统)()(1 ()(1 (2113213213213123123213213123123iifoiifofofiiuuRRRRRRRuuRRRRRuRRRRRRRuUuRRRUuRRRRRuRRRRRU(73) (74) 第第7章章 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。相减器的输出电压与两个输入信号之差成正比。这在许多场合得到应用。要实现相减，必须将信号分这在许多场合得到应用。要实现相减，必须将信号分别送入运算放大器的同相端和反相端，如图别送入运算放大器的同相

6、端和反相端，如图74所示。所示。我们应用叠加原理来计算。首先令我们应用叠加原理来计算。首先令ui2=0,则电路相当于则电路相当于同相比例放大器，得同相比例放大器，得第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统)(,)(1 ()(1 ()1 (21134321213142413212131142413131iioiioooioiouuRRuRRRRuRRuRRRRRuuuuRRuuRRRRRURRu(75) (76)(77)(78) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统R3ui2uoui1R1R2R4R3ui2uo2R1R2R4R3ui1uo1R1R4R2(分解)图74 相减器电路 第第

7、7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 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。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称重放大器第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 解 图75的简

8、化电路如图76所示。图中 xxrxxiriRRRRRERRRuEu,2,221那么 rxxxxriioiixoERRRRRRRRRERRuuRRuuRRRRRRuRRRu)(2)21()()1 (12122112112122212若保证则,211xRRRR(79) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 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。 R2ui2uoui1R1R1R2RxR 图76称重放大器的简化图第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 713 积分器 所谓积分器，其功能是完成积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。 根据

9、反相比例放大器的运算关系，该电路的输出电压的频域表达式为 sRCsARCjjUjUjAjuRCjjuRCjjuioiio1)(1)()()()(1)(/1)(710) 或复频域的传递函数为 积分器的传输函数为 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuoRC 图77 积分器电路 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ojRCjA90)(1)(传输函数的模 附加相移 (712a) (712b) 画出理想积分器的频率响应如图78所示。 在时域，设电容电压的初始值为零(uC(0)=0),则输出电压u o(t)为dttiRCtuCdttituCoCo)(1)()()(式中，电容C的充电电

10、流 RtuiiC)(所以第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统0|Au(j)|/dB20dB /10倍频程1/RC090(j) 图78 理想积分器的频率响应 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 如果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。这是一个十分有用的电路，如图79所示。其输出电压u o(t) dtuuRCtuiio)(1)(21(714)第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ui2uoui1RRCC 图79 差动积分器 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 例例3 电路如图电路如图710所示，所示，R=100k

11、，C=10F。当当t=0t1(1s)时，开关时，开关S接接a点；当点；当t=t1(1s)t2(3s)时，开时，开关关S接接b点；而当点；而当tt2(3s)后，开关后，开关S接接c点。已知运算点。已知运算放大器电源电压放大器电源电压UCC=|-UEE|=15V，初始电压，初始电压uC(0)=0,试画出输出电压试画出输出电压uC(0)的波形图。的波形图。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统R 15V 15VC10100kuoSabcE12VE23V 图710 例3电路图第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 解(1)因为初始电压为零(uC(0)=0)，在t=01s间，开关S接地，所

12、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)(65121121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。 第第7章

13、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) 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 将积分器的积分电容和电阻的位置互换，就成了微分器，如图712所示。微分器的传输函数为域表达式）频域表达式）SsRCsARCjjA()()(715) (716)其频率响应如图713所示。 输出电压u o(t)和输入电压u i(t)的时域关系式为第第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 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/RC

14、0 90(j) 图713理想微分器的频率响应第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统dttduRCtudttduCdttduCiRituioiCffo)()()()()(717) 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： dttudttudttutudttudttudtudttudtutudttuddttudooioooioiooo)(10)(2)()()(2)(10)

15、()()()(2)(10)(2(718) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 715 对数、反对数运算器 在实际应用中，有时需要进行对数运算或反对数(指数)运算。例如，在某些系统中，输入信号范围很宽，容易造成限幅状态，通过对数放大器，使输出信号与输入信号的对数成正比，从而将信号加以压缩。又例如，要实现两信号的相乘或相除等等，都需要使用对数和反对数运算电路。 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 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(719) 式中，V的集电极电流 Rui

16、iiC1故 RIuUuSiToln(720) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiuoRiCVi1 图7-14 对数放大器第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 该电路存在两个问题：一是ui必须为正；二是IS和UT都是温度的函数，其运算结果受温度的影响很大，如何改善对数放大器的温度稳定性是一个重要的问题。一般改善的办法是：用对管消除IS的影响；用热敏电阻补偿UT的温度影响。图715给出一个改善温度稳定性的实际电路。 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RTA第第7章章 模拟集

17、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:112211221223lnlnlnln)1 (SSCcTScTScTBEBEAAToIiIiUIiUIiUuuuuRRRu(721)第第7章章 模拟集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，那么)ln()1 ()1 ()(,lnln1232312211112RRuUqkTRRRuRRRuRURuuUiIRuiiIUiiUuiCCTAToCCBEBECCCRiCCRTCCTA(722)第第7章章 模

18、拟集成电路系统模拟集成电路系统 式(722)说明，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。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 二、反对数二、反对数(指数指数)运算器运算器 指数运算是对数的逆运算，因此在电路结构上只要指数运算是对数的逆运算，因此在电路结构上只要将对数运算器的电阻和晶体管位置调换一下即可，如将对数运算器的电阻和晶体管位置调换一下即可，如图图716所示。所示。 由图可见：由图可见： TiTBEUuSoiBEUuSCfoIuuueRIRiRiuRe(723) 第第7

19、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 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 实现了输出电压与输入电压的指数运算关系。 这种电路同样有温度稳定性差的问题。人们也用“对管来消除反向饱和电流的影响，用热敏电阻来补偿UT的温度漂移。具体电路读者可自行设计或参阅有关参考书。 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)所示，先将待相乘信号取对数，然后相加，最后取反对数，便实现了相乘。同理，将待相除的信号取对数，然后相减，最后取反对数，便实现了“相除”，如图717

20、(b)所示。 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、电压源一、电压源电流源变换电路电流源变换电路(V/I变换变换) 在某些控制系统中，负载要求电流源驱动，而实际的在某些控制系统中，负载要求电流源驱动，而实际的信号又可能是电压源。这在工程上就提出了如何

21、将电压信号又可能是电压源。这在工程上就提出了如何将电压源信号变换成电流源的要求，而且不论负载如何变化，源信号变换成电流源的要求，而且不论负载如何变化，电流源电流只取决于输入电压源信号，而与负载无关。电流源电流只取决于输入电压源信号，而与负载无关。又如，在信号的远距离传输中，由于电流信号不易受干又如，在信号的远距离传输中，由于电流信号不易受干扰，所以也需要将电压信号变换为电流信号来传输。图扰，所以也需要将电压信号变换为电流信号来传输。图718给出了一个给出了一个V/I变换的例子，图中负载为变换的例子，图中负载为“接地负接地负载。载。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uiR1R2uoR

22、4R3负载AILZL 图718 V/I变换电路第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统oiLouRRRuRRRURIRUuU411414_23)(由U+=U-，且设R1R3=R2R4,则变换关系可简化为2RuIiL(724) 可见，负载电流IL与ui成正比，且与负载ZL无关。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) 有许多传感器产生的信号为微弱的电流信号，将该电流信号转换为电压信号可利用运放的“虚地特性。如图719所示，就是光敏二极管或光敏三极管产生的微弱光电流转换为电压信号的电路。显然，对运算放大器的要求是输入电阻要趋向无穷大，输入偏流IB要趋

23、于零。这样，光电流将全部流向反馈电阻Rf，输出电压uo=-Rfi1。这里i1就是光敏器件产生的光电流。例如，运算放大器CA3140的偏流IB=10-2 nA，故其就比较适合作光电流放大器。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uo1M1M(a)(b)A15V1MuoA图719 将光电流变换为电压输出的电路第第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，构成深度负反馈，故利用“虚短路特性，有U+=U-,即

24、LDIRIR31而场效应管漏极电流ID等于源极电流IS，输出电压Uo为 1322RIRRRIULDo(725) 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 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. 0132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及开关电容滤波器及开关电容滤波器

25、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。 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，而且高阶滤波器可由一阶和二阶组合而成，所以我

26、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。 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 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，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。我们应根据实际的需要来

27、设计所需的滤波器特性。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) 因而，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 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)(343321321KUUYUYYUYUYUYUYYYUoBCBBoiC(727a) (727b)

28、(727c) 联立解方程(727)，得 321321431)1 ()()()(YKYYYYYYYKYsUsUAiouf(728) 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 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)(oooufsQsKCRsRCKsCRKsA(729) 与表71中的标准表达式比较，该传递函数有两个共轭

29、复根(极点)而没有零点，可见是一个二阶低通滤波器。其中： KQRRKRCffo31,1,112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。 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 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)的电阻与电容位置互换，就得到高通滤波器。 4443322111,11sCRYsCY

30、RYRY，若令电路则为带通滤波器。 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) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统ARpY1uiY3Y5Y4Y2uo CB图7

31、24 多重反馈有源滤波器第第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) 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)11(11(734)(735) (736) -3dB带宽中心频率增益 取R2R1,有 第第7章章

32、 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)R5C4R2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,幅频特性移动第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 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5

33、0Hz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：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(737) 可见，调节R2与R1的比例，可以控制Q值。第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统A1PRR22

34、CBACuoCRuiA2R1R2R2R1 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 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) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统BPFuo图727 用带通滤波器和相加器组成带阻滤波器 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

35、(a)中的R5=2R1)，那么2002202200201)(sQsssQssQsAuf(739) 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，50Hz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。第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系

36、统uiA2C4C3R5R1RRuoRfA(0)1200k0.22400kA10.221k10k10k10kR2图728 50Hz陷波器电路第第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

37、通滤波器或移相器，其传递函数为 RCjjACsRCsRsAufufarctan2)(1)(11)(11(740) (741a)(741b) 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频特性第第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

38、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) 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C2=1F，R1=R2=10k，则La=100H(享利)。 图733给出一个著名的“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，等效输入阻抗为第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系

39、统IiUiZ2Z4Z1Z3Z5.Z1ZiZ2Z3UiZ4UiZ5Z5UiUiUiZ2Z4Z3Z5.UiZ5UiZ4Ui. 图733 频变负阻电路产生模拟电感第第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) 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，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

40、因为，令RZZZCjZZ542311(747) 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 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)(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

41、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 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。 )()()()()(20022

42、002233)(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： 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。

43、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) (752b) (752a) 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) 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统A

44、1UHPRfUiR2R3A2RCUBPA3RULPCR1 图736 状态变量滤波器实例 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

45、用。 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 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统CV1V2u1u21212Tcu1u2R1fcCi(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

46、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) 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，不仅可用电容和开关代替电阻，且可通过fc来控制R的大小。 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73

47、8(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) 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fc可以十分精确地控制时常数。因而，滤波器的精度也很高。 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 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

48、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。第第7章章 模拟集成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

49、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。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统uoCC1ui12(a)21C2图740开关电容有耗积分器和差分积分器第第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)uoC2C1ui112ui212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

50、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。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统A1Uo2R1uiR4A2R2C1A3C2(带通)(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)S2C3

51、S1S3S4uo2(b)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。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)二极管特性第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统

52、 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。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 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成

53、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)所示。 iouRRu12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 =

54、ui (2)当ui0时，uo1=0, uo =- ui =-(-| ui |)=| ui |。所以iouu (757)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；(b)实际电路 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)2uo1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第第7章章 模拟集成电

55、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。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 第第7

56、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。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

57、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，电容电压保持。max2iSff (758) 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

58、器电压比较器及弛张振荡器 741电压比较器 一、电压比较器的基本特性 电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，不论是“1或是“0”，比较器都工作在非线性状态。所以，“虚短路概念不能随便应用。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图748给出了电压比较器的符号及传输特性。其反相输入端加信号ui，同相输入端加参考电压(ur)。比较器一般是开环工作，其增益很大。所以，当ui ur时，输出为“高”；反之，当ui ur时，输出为“低”。而当ui接近ur时，输出电平发生转换，此刻

59、同相端和反相端可看成“虚短路”。其它时刻U+与U-可能差得很远(即U+U-)。电压比较器的输入为模拟量，输出为数字量(0或1)，可作为模拟和数字电路的接口电路，也可作为一位模数转换器，在实际中有着广泛应用。 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第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 1. 高电平(UoH)和低电平(UoL) 电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC)，低电平UoL可接近于负电源电压(-UE

60、E)。在有些应用场合，对输出加以限幅，如图7-49所示。其中图749(a)电路的高低电平等于(UVZ+UVD)，图749(b)电路的高低电平等于(UVZ+UVD)。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 事实上，集成运放和专用比较器芯片的Aud不为无穷大，ui在ur附近的一个很小范围内存在着一个比较器的不灵敏区。如图748(b)中虚线所示的输入电压变化范围，在该范围内输出状态既非UoH，也非UoL，故无法实现对输入电平大小进行判别。 Aud越大，则这个不灵敏区就越小，工程上称比较器的鉴别灵敏度越高。 第第7章章 模拟集成电路系统模拟集成电路系统 图749 输出限幅电路