电子电路资料6.ppt

1、电子电路： 设计与应用,6 模拟集成电路应用,6.1 测量放大电路 6.2 运算处理电路 6.3 有源滤波电路 6.4 电源电路,6.1 测量放大电路,6.1.1 仪表放大器 6.1.2 隔离放大器 6.1.3 对数放大器 6.1.4 D类低频功率放大器,6.1.1 仪表放大器,(1) 信号源电阻经常是变化的。以心电作为信号源的等效电路如图所示，其中信号源电阻Rs1，Rs2包括电极与皮肤的接触电阻，肌肉、骨胳等组织的电阻。它们不但因各人的身体差异而有相当大的变化，就同一个人来说，也随时间和环境而变化，范围可能在k至M量级之间。于是，对心电本身的放大增益是极不稳定的。,为什么需要仪表放大器？,(

2、2) 输入信号中含有很强的共模成分，主要是工频干扰。由于Rs1和Rs2不可能相等，造成差分放大电路的共模抑制比急剧下降，工频共模干扰可能完全淹没微弱的差模心电信号。,6.1.1 仪表放大器,典型的仪表放大器,6.1.1 仪表放大器,集成仪表放大器INA2128, 增益设定, 输入偏置,低信号源电阻,高信号源电阻,6.1.1 仪表放大器,集成仪表放大器INA2128, 共模输入范围,VEE+1.7V到+VCC1.4V,假象, 输入保护,不必遵循“先上电源，后输入信号”的原则, 通道间的交叉耦合,大多数交叉耦合都是由于线路的分布电容耦合造成的。应特别注意布线的艺术，讲究接地点。,使每个通道的两条差

3、分信号输入线互相平行，或沿同一轨迹在线路板上下两面布线，可使输入引线感应的干扰（包括从另一通道耦合的信号）形成共模信号而被放大器所抑制。,6.1.1 仪表放大器,集成仪表放大器INA2128,(2) 典型应用电路,6.1.2 隔离放大器,为什么需要隔离放大器？,(1)工业电气设备由于存在较大的分布电容，传感器、执行机构、电气开关等电气部分会耦合一定的共模电压，特别是某些电气部分浮地或对地有较高阻抗的情况下，有可能产生很高的共模电压。当用电设备负荷急剧变化时，也有可能产生瞬间共模电压冲激。,(2)工业设备的测量机构，传感器引线或其他信号传输线通常较长，它们与工频信号的长线耦合也是共模电压的一个来

4、源。过高的共模电压会击穿测试设备的器件，即使没有损坏器件，也会影响模拟信号的测量，因为共模信号的存在，使这些模拟器件偏离了最佳工作点。,(3)各设备的地线（参考点）之间存在电位差，假若把它们的地线连接起来，并与测控设备的地线（参考点）相连，它们之间则会存在较大的地线电流，产生的噪声甚至可将信号完全淹没。,(4)测试设备上也存在共模电压，与测试对象同样存在参考电位不等的情况，从而有可能对测试对象造成伤害，或因为两参考点之间的地线环流而严重影响测量结果。例如，心电监护或诊断仪器就存在这样的问题，当电极接触到人体时，如果没有防护措施，仪器一侧的共模电压有可能对病人造成伤害，或者因地线环流噪声掩盖了诊

5、断信息。,6.1.2 隔离放大器,6.1.2 隔离放大器,差分电容隔离放大器 ISO165,6.1.2 隔离放大器,差分电容隔离放大器 ISO165,为了提高隔离特性，芯片取消了69和与之相对的1619号引脚，并以此为界，上半部分是输入电路引脚，下半部分是输出电路引脚。在印制电路板制板时，可在板上两部分电路交界处割开一个狭槽，以进一步提高隔离的可靠性，即使在粉尘、潮湿和化学污染条件下也能保持高度隔离性能。,6.1.3 对数放大器,线性放大器,对数放大器,许多物理量的测量要求很宽的动态范围。例如对真空的测量，动态范围常常要达到106108（最大压强和最小压强之比）；又如，雷达接收机、超声探伤仪和

6、超声医疗仪器，它们发送的探测信号，远距离回波信号很弱，近距离回波信号很强，输入信号常常在极短的时间内从微伏量级变化到几伏（100dB以上）。这类设备往往对信号波形的几何形状没有很严格的要求，而对信号的有无及相对强度感兴趣，它们的输出动态范围达到2030dB便足以满足测量系统或图像重建的要求，因此要对输入信号的动态范围进行压缩。,6.1.3 对数放大器,线性限幅、串联相加对数放大器,第4级刚好进入限幅时，总的输出电压为,输入：,6.1.3 对数放大器,线性限幅、串联相加对数放大器,第3级放大器刚好限幅，输出,输入信号提高AV倍 ：,第2级放大器刚好限幅，输出,输入继续增大：,第1级放大器刚好限幅

7、，输出,输入继续增大：,6.1.3 对数放大器,线性限幅、串联相加对数放大器,多个共发射极输出电流,一个共基极输出电压,实现电流求和，电压输出,6.1.3 对数放大器,线性限幅、串联相加对数放大器,TI公司芯片：TL441,6.1.3 对数放大器,线性限幅、串联相加对数放大器,某B型超声诊断仪的对数放大器,6.1.4 D类低频功率放大器,D类放大器 如果使器件工作在高频开关状态的功率放大器称为D类放大器。D类放大器原来也是用于高频功率放大，如果不存在器件的导通电阻和开关状态的过渡时间，工作时则不存在损耗，其理想效率可达100。由于大功率高速开关器件技术的成熟，D类放大技术也被应用于高效率低频功

8、率放大，并出现一些专用集成电路，可用于电动机、音频放大、激光管偏置等装置的驱动电路。,6.1.4 D类低频功率放大器,D类低频功率放大器的基本原理,脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation，PWM,6.1.4 D类低频功率放大器,D类低频功率放大器的基本原理,H桥式电路,6.1.4 D类低频功率放大器,LM4651和LM4652 D类音频功率放大器,6.2 运算处理电路,6.2.1 基本运算电路 6.2.2 模拟计算电路 6.2.3变跨导乘法器,6.2.1 基本运算电路,比例运算电路,加法运算电路,6.2.1 基本运算电路,积分运算电路,微分运算电路,对数运算电路,反对数运算

9、电路,6.2.1 基本运算电路,传递函数运算电路,实现传递函数,式中，K1，K2为可调参数。令Rs=R/K1或Gs= K1/R=K1G，Cm=K2C， Gs的调整范围为0.05mS0.5mS(20k2k)，Cm的调整范围为5nF50nF。 设计实现该传递函数的电路。,首先，将H(s)中的K1和K2转变为相互独立的参数,画出信号流图,微分电路,积分电路,6.2.1 基本运算电路,传递函数运算电路,6.2.2 模拟计算电路,AD538,标定用,6.2.2 模拟计算电路,AD538,例： 用AD538实现两个正极性输入信号的相乘和相除。作乘法运算时，以1/10标定（即输出电压为乘积电压的1/10）。

10、作除法运算时，以10标定（即输出电压为商电压的10倍）。,vO= vY vZ/10V,vO=10V(vZ/vX),6.2.2 模拟计算电路,幂运算电路,AD538,方根运算电路,6.2.3变跨导乘法器,基本差分电路的跨导gm与电流源电流I0成正比,上述电路虽然简单，但存在以下问题： 由于I0不可能为负值，因此是一个二象限乘法器，使用受到局限； 基本差分放大电路线性范围很小，要求，实际输入值不能超过几毫伏，这将与电路的失调电压、温度漂移在同一数量级上； 标定因子，与温度直接相关，电路的温度稳定性很差。,6.2.3变跨导乘法器,B. Gilbert,四象限乘法器,乘法器AD534,6.2.3变跨导

11、乘法器,6.2.3变跨导乘法器,乘法器AD534 的应用,6.2.3变跨导乘法器,乘法器AD534 的应用,6.2.3变跨导乘法器,乘法器AD534 的应用,例：电桥测量电路如图所示，测量桥臂为Rt=R(1+)，放大器A增益G=2，其输出,用AD534设计一个运算电路，使输出vO与的变化呈线性关系，并具有一定增益。,6.2.3变跨导乘法器,乘法器AD534 的应用,电桥线性化的表达式：,稍加变换：,变跨导乘法器在通信、广播、电视中的应用,6.2.3变跨导乘法器,调幅波的乘法检波原理框图,乘法器检波的波形图,变跨导乘法器在通信、广播、电视中的应用,6.2.3变跨导乘法器,电视机中的视频检波,变跨

12、导乘法器在通信、广播、电视中的应用,6.2.3变跨导乘法器,电视伴音的鉴相电路 乘法器的开关应用,6.3有源滤波电路,6.3.1 滤波电路基础知识 6.3.2 巴特沃斯低通滤波电路 6.3.3 切比雪夫和贝塞尔低通滤波电路 6.3.4 高通滤波电路 6.3.5 带通滤波电路 6.3.6 带阻滤波电路 6.3.7 全通恒时延滤波电路 6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,6.3.1 滤波电路基础知识,幅值和移相角与频率的关系 滤波器最重要的参数,6.3.1 滤波电路基础知识,按通频带分类,低通,高通,带通,带阻（陷波）,全通,6.3.1 滤波电路基础知识,通带内的幅频特性和相频特性,三种具有

13、典型的幅频或相频响应曲线的滤波器 巴特沃斯（Butterworth） 切比雪夫（Chebyshev） 贝塞尔（Bessel）,过渡带特性,6.3.1 滤波电路基础知识,过渡带特性,与阶数相关,6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,n阶全极点近似式,巴特沃斯低通表达式,6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,两种典型的有源低通滤波电路构型,(1) 压控电压源低通滤波电路,A0=1+R4/R3,b2=R1R2CC1,b1=R1C(1A0)+R2C+R1C1,(2) 无限增益多路反馈低通滤波电路,b2=R2R3CC1,A0=R2/R1,b1=C1(R2+R3+R2R3/R1),6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,快速

14、查表设计,(1) 归一化设计表,选用归一化电容的方法的方便之处电容系列参数少,可以电阻归一化，也可以电容归一化,电容：E6系列：1，1.5，2.2，3.3，4.7，6.86个量,5电阻：E24系列24个量,归一化计算公式以电路中一个电容为基准1 F 、fc=1Hz,以K=1计算电阻（以k为单位）和其它电容（以F为单位）应乘的系数 然后列表,6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,2阶压控电压源巴特沃斯低通滤波电路设计表(K=1，电阻单位：k),快速查表设计,6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,例：设计一个4阶压控电压源巴特沃斯低通滤波电路，要求增益A0=10，截止频率fc=200Hz。,4阶压控电压源滤波

15、电路可用两级2阶电路级联实现。选择电容C=0.1F。,6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,表6.3.2 4阶压控电压源巴特沃斯级联低通滤波电路设计表,6.3.2巴特沃斯低通滤波电路,例中的电路元件值,6.3.3 切比雪夫和贝塞尔低通滤波电路,贝塞尔低通滤波电路,切比雪夫低通滤波电路,低通滤波幅频特性的镜像：,6.3.4 高通滤波电路,2阶高通滤波的传递函数：,一样的查表方法,6.3.4 高通滤波电路,两种优化电路,(1) 压控电压源滤波电路,(2) 无限增益多路反馈滤波电路,低通电路,6.3.5 带通滤波电路,6.3.5 带通滤波电路,变换低通原型的传递函数,2阶带通滤波的传递函数：,6.3.5

16、带通滤波电路,压控电压源带通滤波电路,一样的查表方法,6.3.6 带阻滤波电路,低通传递函数转换,2阶带阻滤波的传递函数：,一样的查表方法,6.3.7 全通恒时延滤波电路,贝塞尔低通滤波电路在通带内有线性相移恒时延作用,2阶全通恒时延滤波的传递函数：,电路,查表,状态滤波或Biquad滤波电路,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,万能滤波电路,1. 双二次函数的推导,单级二阶滤波电路传递函数的一般形式,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,低通滤波器：a1=a2=0,高通滤波器：a0=a1=0,带通滤波器：a0=a2=0,带阻滤波器：a1=0，a0=a2,全通滤波器：a0=b0，a1

17、=-b1，a2=b2,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,2. 基于双积分环的双二次滤波电路,(1) 传递函数推导,基于双积分环的双二次2阶有源滤波电路的拓扑结构有很多种形式，但共同特点是反馈环路内含有两级积分电路。虽然这种电路所用元器件要多于前述滤波电路，但它具有高稳定性和便于调整的优势，并且易于在同一电路上实现多种功能，因而得到使用者的青睐 。,2阶高通：,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,同除以s2的结果是将s项全部移入分母，在电路上就有可能用稳定性好的积分电路实现。,画信号流图,(1) 传递函数推导,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,第一级积分输出,带通,第二级积分输出,低通,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,(2) 电路实现,6.3.8 基于双二次函数的2阶滤波电路,确定电路中的阻容元件参数,R4/R1=1,0=1/(RC),可取任意