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1、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,反相放大电路,电压并联负反馈,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，,所以,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合的放大电路。,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
2、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）利用反相信号求和以实现减法运算,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。,对数运算电路,利用PN结
3、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,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。,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,
4、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？,实际滤波器的幅频响应,(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,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,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
5、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
6、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。,vI 0 时，vOH=+VCC,vI 0 时，vOL=-VEE,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？,单门限比较器的抗干扰能力,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,（2）门限电压：,门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,迟滞比较器,（3）传输特性,(VOH),当vi增大时，直到viVT+时（
7、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）输出电压波形,例,电路如图所示，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，Xo0时，电路产生自激振荡，AF=，即1-AF=0。,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
8、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,
9、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,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,幅频响应,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压增益为,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
10、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,所以当输出电压振幅增大时，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，振动时的摩擦损耗用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，产生压电谐振现象
11、，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，电路发生翻转，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，输出电压变为高电平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.工作原理,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,锯齿波产生电路,同相输入迟滞比较器,积分电路,充放电时间常数不同,end,
