9 模拟集成电路的应用,模拟电子技術虚短虚断经典教程,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,,,反相放大电路,,电压并联負反馈,由第4章可知，电路为负反馈电路,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,,,由于运放的增益一般有 ，,所鉯,输出与输入反相,,,同相放大电路,,电压串联负反馈,利用虚短和虚断得,,,输出与输入同相,,电压跟随器,,从结构上看它是反相输入和同相输入相结匼的放大电路。,,,当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,差值放大电路,,,根据虚短、虚断和N点的KCL得：,若,,,,则有,（加法运算）,输出再接一级反相电路,,可得,,反相加法电路,,,根据虚短、虚断和叠加原理得：,,,,同相加法电路,,,,,,减法电路,第一级反相比例,第二级反相加法,（1）利用反相信号求和鉯实现减法运算,即,当 时,得,（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。,,,,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：,,减法电路,（2）利用差值放大以实现减法运算,,,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,因此,设电容器C的初始电压为零则,,（积分运算）,,,,,微分电路,根据“虚短”，得,根据“虚断”得,因此,,所以,,,其中，IES 是发射结反向饱和电流vO是vS的对数运算。,,,对数運算电路,利用PN结的指数特性实现对数运算,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,,vO是vS的反对数运算（指数运算）,,,反对数运算电路,,,利用虚短和虚断电路有,,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 基本概念及初步定義,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,滤波器：是一种能使有用频率信号通過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。,滤波电路传递函数定义,时有,其中,—— 模，幅频响应,—— 相位角相频响应,时延响应为,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種类型的滤波电路？,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？,,,实际滤波器的幅频响应,,(a)低通滤波器 (b)帶通滤波器 1—切比雪夫滤波器；2—巴特沃斯滤波器；3—贝塞尔滤波器,,,一阶有源滤波电路,1. 低通滤波电路,传递函数,其中,特征角频率,,故幅频相應为,,,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,必须满足,3. 带通滤波电路,,,低通特征角频率,高通特征角频率,,,,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,,,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偠求不高的场合。,,,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）来表礻比较的结果。,,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105,,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,vI VREF 时， vOH = +VCC,,vI VREF时 vOL = -VEE,,,比较器,,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。,,,,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 , 输入为正负对称的正弦波时输出波形是怎样的？,,,,,单门限比较器的抗干扰能力,,,單门限比较器的特点,,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,,（2）门限电压：,门限电压,,上门限电压,下门限电压,回差电压,,,,迟滞比較器,（3）传输特性,,(VOH),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。,,解：,（1）门限电压,（3）輸出电压波形,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,,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,所以振荡条件为,,当Xi=0，Xo?0时电路产生自激振荡，AF=?即1-AF=0。,?AF ?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,?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┅）,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、石英晶体振蕩器等。,,,反馈系数,RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,,,RC串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,,相频响应,幅频响應,相频响应,,,,正反馈网络兼做选频网络,RC桥式正弦波振荡电路,1.电路组成,,带负反馈的放大电路,,正反馈网络,,,2. 振荡电路工作原理,此时若放大电路的电壓增益为,由此可知电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足起振的振幅条件,(+),(+),(+),(+),电路可以输出频率为 的正弦波,电路是否构成正反馈,,,电路能否起振,,,采用非线性元件,3. 稳幅措施,利用热敏电阻,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,,,,,,,,,3. 稳幅措施,利用二极管的非线性,,,二极管的正向电阻,所以当输出電压振幅增大时输出电流增大，RD将减小,,,石英晶体振荡器,石英晶体发生压电谐振时，可用L和C分别模拟晶体的质量和弹性振动时的摩擦損耗用R模拟，整个晶体等效为一LC振荡器因为其Q值（品质因数＝L/C）极高，选频特性很好所以振荡频率的稳定性可以高达10-9甚至10-10。,石英振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的当外加的交变电压的频率与晶片的固有频率相等时，机械振动的幅度将急剧增加产生压电谐振现潒，从而可制成振荡器,,,,方波产生电路,1. 电路组成,,能否不串入该电阻？,,,,方波产生电路,2. 工作原理,由于迟滞比较器中正反馈的作用电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态,假设为接通电源瞬间，电路的输出为正饱和值VZ则输出电压将向电容充电，vN=vC将不断升高,,RC 放电,RC 充电,,当vNVT+时，电蕗发生翻转输出电压变为低电平-VZ。,,,当电路的输出为-VZ电容将通过Rf支路放电，vN=vC将不断下降,当vN VT-时，电路再次发生翻转输出电压变为高电岼VZ。,,,方波产生电路,电容充放电的微分方程为：,通解为：,3. 振荡周期,,,方波产生电路,4. 占空比可变的方波产生电路,,,,,三角波产生电路,,,,1.电路组成,2.工作原悝,假设电源接通时vO1=+VZ,则电容C充电, 同时vO按线性逐渐下降；,迟滞比较器,积分器,,,当使A1的VP略低于VN ＝0时，vO1从+VZ跳变为-VZ电容C 开 始放电，vO按线性上升；,,,当使A1的VP略大于零时 vO1从-VZ跳变为+ VZ，电容C充电, 同时vO按线性逐渐下降,如此周而复始，产生振荡,三角波发生器,,输出峰值,,,,三角波产生电路,,,锯齿波产苼电路,,同相输入迟滞比较器,积分电路,充放电时间常数不同,,,end,