南京郵電學(xué)院《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第7章模擬集成電路系統(tǒng)

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1、1 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 7 1 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 在 基 本 運(yùn) 算 中 的 應(yīng) 用7 2 有 源 RC及 開(kāi) 關(guān) 電 容 濾 波 器 7 3 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 精 密 二 極 管 電 路 7 4 電 壓 比 較 器 及 弛 張 振 蕩 器7 5 模 擬 開(kāi) 關(guān)7 6 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 選 擇 指 南 2 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)71 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 在 基 本 運(yùn) 算 中 的 應(yīng) 用 v 理 想 集 成 運(yùn) 放 的 理 想 參 數(shù) ：1) 開(kāi) 環(huán) 差 模 電 壓 增 益 A

2、od；2) 差 模 輸 入 電 阻 Rid；3) 輸 出 電 阻 Ro0；4) K CMR；5) 輸 入 失 調(diào) 電 流 IIO、 失 調(diào) 電 壓 UIO和 它 們 的 溫 漂 均 為 零 ；6) 輸 入 偏 置 電 流 IIB=0； 3dB帶 寬 fH=,等 等 。 3 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 711 相 加 器 一 、 反 相 相 加 器 1.電 路 如 圖 71所 示 。直 流 平 衡 電 阻 ： v理 想 集 成 運(yùn) 放 工 作 在 線 性 區(qū) 時(shí) 有 兩 個(gè) 重 要 特 點(diǎn) ： 理 想 運(yùn) 放 的 差 模 輸 入 電 壓 等 于 零 。 即 U+=U- “虛 短 ”

3、 理 想 運(yùn) 放 的 輸 入 電 流 等 于 零 。 即 I+=I-=0 “虛 斷 ” fP RRRRR 3212.關(guān) 系 式 ：因 為 點(diǎn) “ 虛 地 ” ， 所 以 4 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) Rf R1 R2 R3 Rf ui1 ui2 ui3 u o R1 R2 R3 i1 i2 i3 if ii 圖 71反 相 相 加 器 332211332211321 ifififofoiiiF uRRuRRuRRuRuRuRuRuiiii 5 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) )( 1111 iiifo uuuRRu 若 則 RRRR 321例 1： 利 用 集 成 運(yùn)

4、 放 實(shí) 現(xiàn) 以 下 求 和 運(yùn) 算 關(guān) 系 ： 321 2.05 iiio uuuu 要 求 對(duì) 應(yīng) 于 各 個(gè) 輸 入 信 號(hào) 來(lái) 說(shuō) ， 電 路 的 輸 入 電 阻 不 小 于10K， 試 確 定 電 路 的 參 數(shù) 。 解 ： 電 路 如 圖 7-1所 示 ， 由 題 可 得 ： 2.0,5,1 321 RRRRRR fff 6 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 又 因 為 各 路 的 輸 入 電 阻 不 小 于 10K， 所 以 選 R2=10K， 則 Rf=5R2=50 K R1=Rf=50 K KRRR ff 25052.03 KRRRRR fP 9.6502501050

5、321 7 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 二 、 同 相 相 加 器 1.電 路 如 圖 73所 示 。 2.同 相 端 與 反 相 端 可 視 為 “ 虛 短 路 ” ， 即 U+=U- Rf u i1 uo ui2 R R1 R2 R3圖 73 同 相 相 加 器 電 路 8 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 2132 131231 23 ii uRRR RRuRRR RRU fof UuRR RU 所 以 ： 2132 131231 231 iifo uRRR RRuRRR RRRRu當(dāng) R1=R2時(shí) ， 21131 131 iifo uuRRR RRRRu 9 第

6、7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 712相 減 器 (差 動(dòng) 放 大 器 ) 相 減 器 的 輸 出 電 壓 與 兩 個(gè) 輸 入 信 號(hào) 之 差 成 正 比 。如 圖 74所 示 。 可 應(yīng) 用 疊 加 原 理 來(lái) 計(jì) 算 。 當(dāng) ui2=0時(shí) ， 相 當(dāng) 于 同 相 比 例 放 大 器 ， 則 142 413131 11 io uRR RRRURRu 當(dāng) ui1=0時(shí) ， 相 當(dāng) 于 反 相 比 例 放 大 器 ， 則 2132 io uRRu 10 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)總 的 輸 出 電 壓 uo為 ： 213142 41321 1 iiooo uRRuRR RRR

7、uuu 當(dāng) R1=R2， R3=R4時(shí) 2113 iio uuRRu 11 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) R3 ui2 uou i1 R1 R2 R 4 R3 ui2 uo2 R1 R2 R 4 R3 ui1 uo1 R1 R4 R2 (分 解 )圖 74 相 減 器 電 路 12 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)例 2 利 用 相 減 電 路 可 構(gòu) 成 “ 稱 重 放 大 器 ” 。 圖 75給 出 稱 重 放 大 器 的 示 意 圖 。 圖 中 壓 力 傳 感 器 是 由 應(yīng) 變 片 構(gòu) 成 的 惠 斯 頓 電 橋 ， 當(dāng)壓 力 (重 量 )為 零 時(shí) ， Rx=R，

8、 電 橋 處 于 平 衡 狀 態(tài) ， ui1=ui2,相減 器 輸 出 為 零 。 而 當(dāng) 有 重 量 時(shí) ， 壓 敏 電 阻 Rx隨 著 壓 力 變化 而 變 化 ， 從 此 電 橋 失 去 平 衡 ， ui1 ui2,相 減 器 輸 出 電 壓與 重 量 有 一 定 的 關(guān) 系 式 。 試 問(wèn) ， 輸 出 電 壓 u o與 重 量 (體 現(xiàn)在 Rx變 化 上 )有 何 關(guān) 系 。 13 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) R2 uo R2 R1 R1 RxR R R Er 激 勵(lì) 源 壓 力 傳 感 器 相 減 放 大 器 壓 敏 電 阻 圖 75稱 重 放 大 器 R2 ui2 u

9、ou i1 R1 R1 R2 Rx R圖 76稱 重 放 大 器 的 簡(jiǎn) 化 圖 14 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 解 圖 75的 簡(jiǎn) 化 電 路 如 圖 76所 示 。 圖 中 xxrxxiri RRRRRERRRuEu ,2,2 21那 么 1 1 212 221 2 )1( ixixo uRR RRRR RuRR Ru 若 保 證 則,2 11 xRRRR rxxxxriio ERR RRRRRRRERRuuRRu )(2)21()( 12122112 重 量 (壓 力 )變 化 ， Rx隨 之 變 化 ， 則 uo也 隨 之 變 化 ，所 以 測(cè) 量 uo就 可 以 換

10、算 出 重 量 或 壓 力 。 15 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 713 積 分 器 積 分 器 能 實(shí) 現(xiàn) 積 分 運(yùn) 算 ， 即 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓的 積 分 成 正 比 。 電 路 如 圖 7-7所 示 。 2.復(fù) 頻 域 傳 遞 函 數(shù) 為 ： 即 其 頻 域 傳 輸 函 數(shù) 為 ： 1.頻 域 表 達(dá) 式 為 : juCRjjuR Cjju iio 11 RCjjU jUjA io 1 sRCsU sUsA io 1 16 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) RCjA 1)( 傳 輸 函 數(shù) 的 模 (712a) 理 想 積 分 器 的 頻 率 響

11、 應(yīng) 如 圖 78所 示 。 ui uo R C 圖 77 積 分 器 電 路 附 加 相 移 (712b) oj 90)( 17 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)3.在 時(shí) 域 ： (uC(0)=0) dttuRCdttiCtu ico 114. 差 動(dòng) 積 分 器 ： 將 相 減 器 的 兩 個(gè) 電 阻 R3和 R4換 成 兩 個(gè) 相 等 電容 C， 而 將 R1=R2=R， 則 構(gòu) 成 了 差 動(dòng) 積 分 器 如 圖 7-9所 示 dttutuRCtuuu dtR utuCdttiCu dtR utuCdttiCtuu iio ic ico 2121 1 2111 11式式 18

12、 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 0 |Au(j)|/dB 20dB /10倍 頻 程 1/RC 0 90 (j) 圖 78 理 想 積 分 器 的 頻 率 響應(yīng) ui2 uo ui1 R R C C 圖 79 差 動(dòng) 積 分 器 19 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 例 3 電 路 如 圖 710所 示 ， R=100k， C=10F。 當(dāng)t=0t1(1s)時(shí) ， 開(kāi) 關(guān) S接 a點(diǎn) ； 當(dāng) t=t1(1s)t2(3s)時(shí) ， 開(kāi) 關(guān) S接 b點(diǎn) ； 而 當(dāng) t t2(3s)后 ， 開(kāi) 關(guān) S接 c點(diǎn) 。 已 知 運(yùn) 算 放 大器 電 源 電 壓 UCC=|-UEE|=1

13、5V， 初 始 電 壓 uC(0)=0,試 畫 出 輸出 電 壓 uC(0)的 波 形 圖 。 R 15V 15V C 10 100k uo S a b c E1 2V E2 3V 圖 710 例 3電 路 圖 20 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 解 (1)因 為 初 始 電 壓 為 零 (uC(0)=0)， 在 t=01s間 ，開(kāi) 關(guān) S接 地 ， 所 以 uo=0。 (2)在 t=13s間 ， 開(kāi) 關(guān) S接 b點(diǎn) ， 電 容 C充 電 ,充 電 電 流 mkVREiC 02.010021 輸 出 電 壓 從 零 開(kāi) 始 線 性 下 降 。 當(dāng) t=3s時(shí) : VsFV ttRC

14、EdtERCtu tto 42101010 2 )(1)( 65 121121 21 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) (3)在 t 3s后 ， S接 c點(diǎn) ， 電 容 C放 電 后 被 反 充 電 ， uo從 -4V開(kāi) 始 線 性 上 升 ， 一 直 升 至 電 源 電 壓 UCC就 不 再 上升 了 。 那 么 升 到 電 源 電 壓 (+15V)所 對(duì) 應(yīng) 的 時(shí) 間 tx是 多 少 ?st VttV tUdtERCVtu x x ottxo x33.9328 4)(101010 3 )(115)( 265 222 所 以 ， u o(t)的 波 形 如 圖 711所 示 。 2

15、2 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 15 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 uo(t)/V t/s圖 711 例 3電 路 的 輸 出 波 形 u o(t) 23 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 714 微 分 器 將 積 分 器 的 C和 R的 位 置 互 換 ， 就 成 了 微 分 器 ， 如圖 712所 示 。 微 分 器 的 傳 輸 函 數(shù) 為RCjjA )(:.1頻 域 表 達(dá) 式其 頻 率 響 應(yīng) 如 圖 713所 示 。 dttduCRRitu ifo : 3.時(shí) 域 表 達(dá) 式 sRCsAS )(:.2 域 表 達(dá) 式 24 第 7章 模 擬 集

16、成 電 路 系 統(tǒng) ui uo R C 圖 712 微 分 器 0 |Au(j)|/dB 20 dB/10 倍 頻 程 1/RC 0 90 (j) 圖 713理 想 微 分 器 的 頻 率 響 應(yīng) 25 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 可 見(jiàn) ， 輸 出 電 壓 和 輸 入 電 壓 的 微 分 成 正 比 。 微 分 器 的 高 頻 增 益 大 。 如 果 輸 入 含 有 高 頻 噪 聲 的話 ， 則 輸 出 噪 聲 也 將 很 大 ， 而 且 電 路 可 能 不 穩(wěn) 定 ， 所以 微 分 器 很 少 有 直 接 應(yīng) 用 。 在 需 要 微 分 運(yùn) 算 之 處 ， 也盡 量 設(shè) 法

17、用 積 分 器 代 替 。 例 如 ， 解 如 下 微 分 方 程 ： dttudttudttutu dttudt tudtudt tud tutudt tuddt tud ooio ooio iooo )(10)(2)()( )(2)(10)()( )()(2)(10)(2 (718) 26 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 一 、 對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 器 最 簡(jiǎn) 單 的 對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 器 是 將 反 相 比 例 放 大 器 的 反 饋電 阻 Rf換 成 一 個(gè) 二 極 管 或 三 極 管 ， 如 圖 714所 示 。 由 圖 可 見(jiàn) : SCTBEo IiUuu ln式 中 ， V的

18、 集 電 極 電 流 Ruii iC 1故 RIuUu SiTo ln 715 對(duì) 數(shù) 、 反 對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 器 表 明 u o與 ui成 對(duì) 數(shù) 關(guān) 系 。 27 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 28 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)存 在 問(wèn) 題 ： ui必 須 為 正 ； IS和 UT都 是 溫 度 的 函 數(shù) ， 運(yùn) 算 結(jié) 果 受 溫 度 的 影 響 很 大改 善 方 法 ： 用 對(duì) 管 消 除 IS的 影 響 ； 用 熱 敏 電 阻 補(bǔ) 償 UT的 溫 度 影 響 。如 圖 7-15所 示 。 29 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 715具 有 溫

19、 度 補(bǔ) 償 的 對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 器ui R1 Rp A1 A2 uoV1 V2i1 IR R UCCR3R2對(duì) 管 RT A 30 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 715中 ， V1和 V2是 一 對(duì) 性 能 參 數(shù) 匹 配 的 晶 體 管 ，用 以 抵 消 反 向 飽 和 電 流 的 影 響 ， Rt是 熱 敏 電 阻 ， 用 以補(bǔ) 償 UT引 起 的 溫 度 漂 移 。 由 圖 可 見(jiàn) : 2112 112212 2 3ln lnln)1( SSccT ScTScTBEBEA ATo IIiiU IiUIiUuuu uRR Ru 31 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系

20、統(tǒng)因 為 V1、 V2有 匹 配 對(duì) 稱 的 特 性 ， 所 以 IS1=IS2， 則 )ln()1( )1( )(, lnln 12 32 3 12211 112 RRuUqkTRR R uRR Ru RUR uuUiIRui iIUiiUu iCCT ATo CCBEBECCCRiC CRTCCTA 32 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 式 (722)表 明 ， 用 對(duì) 管 消 除 了 反 向 飽 和 電 流 的 不 良影 響 ， 而 且 只 要 選 擇 正 溫 度 系 數(shù) 的 熱 敏 電 阻 RT,也 可 消除 UT =kT/q引 起 的 溫 度 漂 移 ， 實(shí) 現(xiàn) 溫 度 穩(wěn)

21、 定 性 良 好 的對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 關(guān) 系 。 33 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 二 、 反 對(duì) 數(shù) (指 數(shù) )運(yùn) 算 器 指 數(shù) 運(yùn) 算 是 對(duì) 數(shù) 的 逆 運(yùn) 算 ， 因 此 在 電 路 結(jié) 構(gòu) 上 只 要將 對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 器 的 電 阻 和 晶 體 管 位 置 調(diào) 換 一 下 即 可 ， 如圖 716所 示 。 由 圖 可 見(jiàn) ： Ti TBEUuSo iBE U uSCfo Iu uu eRIRiRiu Re 實(shí) 現(xiàn) 了 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓 的 指 數(shù) 運(yùn) 算 關(guān) 系 。 34 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) u i u o i f R f

22、i C R p圖 716 反 對(duì) 數(shù) (指 數(shù) )運(yùn) 算 器 35 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 三 、 乘 法 器 和 除 法 器 用 對(duì) 數(shù) 和 反 對(duì) 數(shù) 運(yùn) 算 器 可 構(gòu) 成 乘 法 器 和 除 法 器 。如 圖 717(a)(b)所 示 對(duì) 數(shù) 電 路 ui1 求 和 電 路 對(duì) 數(shù) 電 路 u i2 lnui2 lnui1 指 數(shù) 電 路 lnui1+lnui2 uo=Kui1ui2 對(duì) 數(shù) 乘 法 器 方 框 圖 對(duì) 數(shù) 電 路 ui1 減 法 電 路 對(duì) 數(shù) 電 路 u i2 lnui2 lnui1 指 數(shù) 電 路 lnui1-lnui2 uo=Kui1/ui2

23、對(duì) 數(shù) 除 法 器 方 框 圖 36 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) A1 uoKui1 ui2 ui1 “ 對(duì) 數(shù) ” “ 對(duì) 數(shù) ” “ 相 加 器 ” “ 反 對(duì) 數(shù) ” (a) ui2 A2 A3 A4 A1 uoK ui1 “ 對(duì) 數(shù) ” “ 對(duì) 數(shù) ” “ 相 減 器 ” “ 反 對(duì) 數(shù) ” (b) ui2 A2 A3 A4 ui1 ui2 R R R R R R R R R 圖 717乘 法 器 和 除 法 器 (a)乘 法 器 ； (b)除 法 器 37 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 716 V/I變 換 和 I/V變 換 一 、 電 壓 源電 流 源 變

24、 換 電 路 (V/I變 換 ) 電 路 圖 718所 示 。 ui R1 R2 uo R4 R3 負(fù) 載 A ILZL圖 718 V/I變 換 電 路 23 RIRUuU Lo oi uRR RuRR RU 41 141 4 由 ， 并 設(shè) ，則 可 得 UU 4231 RRRR 2RuI iL 可 見(jiàn) IL與 ui成 正 比 ， 與 負(fù) 載 ZL無(wú) 關(guān) 。 38 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)二 、 電 流 源電 壓 源 變 換 電 路 (I/V變 換 )如 圖 719所 示 。 uo 1M 1M (a) (b) A 15V 1M uo A圖 719 將 光 電 流 變 換 為

25、電 壓 輸 出 的 電 路 39 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 720所 示 電 路 ， 是 用 來(lái) 測(cè) 量 大 電 流 的 實(shí) 際 電 路 。圖 中 R3(=0.01)為 電 流 采 樣 電 阻 。 由 于 運(yùn) 放 輸 入 電 流 極小 ， 負(fù) 載 電 流 IL全 部 流 經(jīng) R3， 產(chǎn) 生 的 采 樣 電 壓 U3=R3IL。運(yùn) 放 輸 出 加 到 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 柵 極 ， 構(gòu) 成 深 度 負(fù) 反 饋 ， 故 利用 “ 虛 短 路 ” 特 性 ， 有 U+=U-,即 LD IRIR 31而 ID=IS， 輸 出 電 壓 Uo為 1322 R IRRRIU LDo 40 第

26、 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 5G24 0.01 R 3 R1 1k 3DJ6 R 2 5k U o I L 負(fù) 載 I D 圖 720測(cè) 量 大 電 流 IL的 電 路 41 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 利 用 式 (725)， 測(cè) 出 Uo， 就 可 以 換 算 出 負(fù) 載 電 流 IL。例 如 ， R2=5k， R1=1k， R3=0.01， 則 電 流 電 壓 變 換比 為 ， 若 測(cè) 得 輸 出 電 壓 Uo =5V， 則可 知 負(fù) 載 電 流 IL=100A。 AVRRR /05.01 32 7-4 42 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)72 有 源

27、 RC及 開(kāi) 關(guān) 電 容 濾 波 器 濾 波 器 是 具 有 頻 率 選 擇 功 能 的 電 路 ， 它 允 許 一 定頻 率 范 圍 內(nèi) 的 信 號(hào) 通 過(guò) ， 而 對(duì) 不 需 要 傳 送 的 頻 率 范 圍的 信 號(hào) 實(shí) 現(xiàn) 有 效 的 抑 制 。 濾 波 器 在 通 信 、 電 子 工 程 、儀 器 儀 表 等 領(lǐng) 域 中 有 著 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 本 章 著 重 介 紹 由運(yùn) 算 放 大 器 構(gòu) 成 的 RC有 源 濾 波 器 、 開(kāi) 關(guān) 電 容 濾 波 器 的原 理 及 典 型 電 路 。 43 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 721有 源 濾 波 器 的 類 型 、

28、 傳 遞 函 數(shù) 及 零 、 極 點(diǎn) 分 布 根 據(jù) 濾 波 器 通 帶 和 阻 帶 的 不 同 ， 有 源 RC濾 波 器 可 分為 低 通 (LowPass)、 高 通 (HighPass)、 帶 通 (BandPass)、帶 阻 (BandReject)和 全 通 (AllPass)等 。 一 階 和 二 階 濾 波器 是 比 較 常 用 的 濾 波 器 ， 而 且 高 階 濾 波 器 可 由 一 階 和二 階 組 合 而 成 ， 所 以 我 們 主 要 介 紹 二 階 濾 波 器 。 表 71給 出 了 二 階 濾 波 器 的 標(biāo) 準(zhǔn) 傳 遞 函 數(shù) 表 達(dá) 式 ,零 、 極 點(diǎn) 分布

29、 以 及 幅 頻 特 性 示 意 圖 。 44 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)表 71二 階 濾 波 器 的 標(biāo) 準(zhǔn) 傳 遞 函 數(shù) ,零 、 極 點(diǎn) 分 布 以 及 幅 頻 特 性 示 意 圖 45 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 46 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 如 圖 721所 示 ， 有 巴 特 沃 茲 濾 波 器 、 契 比 雪 夫 濾波 器 、 貝 塞 爾 濾 波 器 和 橢 圓 濾 波 器 之 分 。 巴 特 沃 茲 濾波 器 具 有 最 平 坦 的 通 帶 ， 但 過(guò) 渡 帶 不 夠 陡 峭 。 契 比 雪夫 濾 波 器 帶 內(nèi) 有 起 伏 ，

30、 但 過(guò) 渡 帶 比 較 陡 峭 。 貝 塞 爾 濾波 器 過(guò) 渡 帶 寬 而 不 陡 ， 但 具 有 線 性 相 頻 特 性 。 橢 圓 濾波 器 不 僅 通 帶 內(nèi) 有 起 伏 ， 阻 帶 內(nèi) 也 有 起 伏 ， 而 且 過(guò) 渡帶 陡 峭 。 我 們 應(yīng) 根 據(jù) 實(shí) 際 的 需 要 來(lái) 設(shè) 計(jì) 所 需 的 濾 波 器特 性 。 47 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 721各 種 低 通 濾 波 器 特 性 比 較 48 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 722運(yùn) 放 作 為 有 限 增 益 放 大 器 的 有 源 濾 波 器 電 路 這 類 濾 波 器 的 一 般 電

31、 路 如 圖 722(a)所 示 。 其 中 ，運(yùn) 放 接 成 同 相 放 大 器 ， 其 增 益 K為 1 12 f ff R RRK (726) 因 此 ， 圖 722(a)電 路 可 簡(jiǎn) 化 為 圖 722(b)電 路 。 該電 路 的 傳 遞 函 數(shù) 推 導(dǎo) 如 下 ： 根 據(jù) 電 路 ， 分 別 列 出 節(jié) 點(diǎn) C及 B的 電 流 方 程 I=0 ， 得 49 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)運(yùn) 放 約 束 條 件 ）( 0)( 0)( 343 321321 KUU YUYYU YUYUYUYYYU oB CB BoiC (727a) (727b) (727c) 聯(lián) 立 解

32、方 程 (727)， 得 3213214 31 )1()()( )( YKYYYYYY YKYsU sUA iouf (728) 50 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) K Y4 Y3 Y2 Y1 ui Rf1 Rf2 uo (a) (b) K Y4 Y3 Y2 Y1ui uoC B圖 722運(yùn) 放 作 為 有 限 增 益 放 大 器 的 有 源 濾 波 器 電 路 51 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 給 Y1Y4賦 予 不 同 的 阻 容 元 件 ， 則 可 構(gòu) 成 不 同 的 濾波 器 。 例 如 ， 令 Y1=Y3= , Y2=Y4=sC,如 圖 723所 示 ，則

33、傳 遞 函 數(shù) R1 22 2222 22 13 1)( oo ouf sQs KCRsRCKs CRKsA (729) 與 表 71中 的 標(biāo) 準(zhǔn) 表 達(dá) 式 比 較 ， 該 傳 遞 函 數(shù) 有 兩個(gè) 共 軛 復(fù) 根 (極 點(diǎn) )而 沒(méi) 有 零 點(diǎn) ， 可 見(jiàn) 是 一 個(gè) 二 階 低 通濾 波 器 。 其 中 ： KQRRKRC ffo 3 1,1,1 12 52 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 當(dāng) K 3時(shí) ,分 母 中 s項(xiàng) 系 數(shù) 變 負(fù) ， 極 點(diǎn) 就 會(huì) 移 至 S平面 的 右 半 平 面 ， 從 而 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 不 穩(wěn) 定 。 一 般 這 種 電 路的 Q只 能 做

34、 到 10以 下 。 53 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) u i uo Rf1 Rf2 C R C R u i uo Rf1 Rf2 C4R1 R4 C3 R2 (a) (b)圖 723低 通 濾 波 器 及 帶 通 濾 波 器 (a)低 通 濾 波 器 ； (b)帶 通 濾 波 器 54 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 同 理 ， 若 將 圖 723(a)的 電 阻 與 電 容 位 置 互 換 ， 就得 到 高 通 濾 波 器 。 444332211 1,11 sCRYsCYRYRY ，若 令電 路 則 為 帶 通 濾 波 器 。 55 第 7章 模 擬 集 成 電 路

35、 系 統(tǒng) 723運(yùn) 放 作 為 無(wú) 限 增 益 放 大 器 的 多 重 反 饋 有 源 濾 波 器 電 路 如 圖 724所 示 ， 運(yùn) 放 同 相 端 接 地 ， 信 號(hào) 從 反 相端 輸 入 ， 輸 出 信 號(hào) 分 別 通 過(guò) Y4和 Y5反 饋 到 輸 入 端 。 根據(jù) 電 路 可 列 出 如 下 方 程 ： 運(yùn) 放 約 束 條 件 ）(0 0)( 0)( 5353 3414321 B oCB BoiCU YUYUYYU YUYUYUYYYYU (730a) (730b) (730c) 聯(lián) 立 解 方 程 式 (730)， 得 傳 遞 函 數(shù) 4343215 31 )( )( )( YY

36、YYYYY YYsU sUA iouf (731) 56 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) A R p Y 1 u i Y3 Y 5 Y 4 Y 2 u o C B圖 724 多 重 反 饋 有 源 濾 波 器 57 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 5544332211 1,11 RYsCYsCYRYRY ，若 令 則 該 電 路 為 帶 通 濾 波 器 ， 如 圖 725(a)所 示 。 令C3=C4=C， 其 傳 遞 函 數(shù) 為 5212 2152 12 1)( RRRC RRsCRs sCRsAuf (732) 與 表 71中 帶 通 濾 波 器 的 標(biāo) 準(zhǔn) 傳 遞 函

37、 數(shù)2002 00)()( sQs sQAsA (733) 58 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)比 較 ， 得 中 心 角 頻 率 CRQBW RRCRCRA RRC RRRC 50 155 10 250 2150 2 221)( 11 )11(11 (734)(735) (736) -3dB帶 寬中 心 頻 率 增 益 取 R2R1,有 59 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 畫 出 幅 頻 特 性 如 圖 725(b)所 示 。 調(diào) 節(jié) R2,使 中 心 頻率 變 化 ， 但 帶 寬 不 變 ， 增 益 也 不 變 。 這 是 該 電 路 的 特點(diǎn) ， 也 是 優(yōu) 點(diǎn) ，

38、 如 圖 725(c)所 示 。 圖 725帶 通 濾 波 器 Aui uoRpC3R1 (a)R5C4R2 60 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) | A(j) | 0 A(0) 0 BW 0.707A(0) 0 Q (b) | A(j) | 0 01 R2 02 03 (c) 圖 725 帶 通 濾 波 器 (a)電 路 ； (b)幅 頻 特 性 ； (c)調(diào) 節(jié) R2,幅 頻 特 性 移 動(dòng) 61 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 724有 源 帶 阻 濾 波 器 帶 阻 濾 波 器 又 稱 陷 波 器 ， 用 來(lái) 濾 除 某 一 不 需 要 的頻 率 。 例 如 ， 在

39、 微 弱 信 號(hào) 放 大 器 中 濾 除 50Hz工 頻 干 擾 ；在 電 視 圖 像 信 號(hào) 通 道 中 濾 除 伴 音 干 擾 等 等 。 組 成 帶 阻濾 波 器 有 以 下 幾 種 方 案 ： 62 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 一 、 用 低 通 和 高 通 濾 波 器 并 聯(lián) 組 成 帶 阻 濾 波 器 最 典 型 的 電 路 是 無(wú) 源 雙 T網(wǎng) 絡(luò) 加 運(yùn) 算 放 大 器 ， 如 圖726(a)所 示 。 無(wú) 源 雙 T網(wǎng) 絡(luò) 是 典 型 的 由 低 通 (R2CR)和高 通 (CR/2C)組 合 構(gòu) 成 的 帶 阻 濾 波 器 ， 但 其 Q值 很 低 。加 之

40、反 饋 后 ， Q值 有 了 很 大 的 提 高 (見(jiàn) 圖 726(b)。 該 電路 的 傳 遞 函 數(shù) 為 221 22 22 )1()1(4 )1()( )()( RCsRC RR Rs RCssU sUsA iouf (737) 可 見(jiàn) ， 調(diào) 節(jié) R2與 R1的 比 例 ， 可 以 控 制 Q值 。 63 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) A1 PR R 2 2C B A C uo C Rui A2 R1 R2 R2 R1 R uo | A(j) | 0 0 有 源 帶 阻 Q高 無(wú) 源 雙 TQ小 (a) (b)圖 726雙 T網(wǎng) 絡(luò) 帶 阻 濾 波 器 及 其 幅 頻 特

41、性 (a)電 路 ； (b)幅 頻 特 性 64 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 二 、 用 帶 通 和 相 加 器 組 成 帶 阻 濾 波 器 用 帶 通 和 相 加 器 組 成 的 帶 阻 濾 波 器 其 框 圖 如 圖 727所 示 。 例 如 ， 采 用 圖 725(a)的 帶 通 濾 波 器 和 相 加 器 組 合便 構(gòu) 成 帶 阻 濾 波 器 。 因 為 221)( oo ouf sQs sQAsA (738) 65 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) BPF u o 圖 727 用 帶 通 濾 波 器 和 相 加 器 組 成 帶 阻 濾 波 器 66 第 7章 模

42、 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)只 要 令 A=-1(即 令 圖 725(a)中 的 R5=2R1)， 則 2002 2022002 01)( sQs ssQs sQsAuf (739) 67 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 728給 出 一 個(gè) 用 于 濾 除 50Hz工 頻 干 擾 的 50Hz陷波 器 電 路 。 其 中 ， A1組 成 帶 通 濾 波 器 ， A2組 成 相 加 器 。其 幅 頻 特 性 和 輸 入 輸 出 波 形 如 圖 729所 示 (用Workbanch分 析 的 結(jié) 果 )。 圖 中 輸 入 信 號(hào) (1V/1.5Hz)代 表待 放 大 的 信 號(hào) ，

43、 它 受 到 1V/50Hz的 干 擾 。 經(jīng) 50Hz陷 波器 處 理 后 ， 50Hz干 擾 被 抑 制 ， 輸 出 了 比 較 干 凈 的 信 號(hào) 。該 電 路 可 作 為 生 物 電 信 號(hào) 放 大 電 路 中 的 工 頻 干 擾 抑 制電 路 。 68 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) ui A2 C4 C3 R5 R1 R R uo Rf A(0)1 200k 0.22 400k A10.22 1k 10k 10k 10k R2 圖 728 50Hz陷 波 器 電 路 69 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 1 V/50 Hz /0 Deg 1 V/1.5 Hz /

44、0 Deg R/ 1k/ 51% 12V 741 10k 10k 12V 10k 741 400k0.22 0.22200k 圖 729 50Hz陷 波 器 的 幅 頻 特 性 及 輸 入 輸 出 波 形 70 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 725全 通 濾 波 器 全 通 濾 波 器 的 幅 頻 特 性 是 平 行 于 頻 率 軸 的 直 線 ，所 以 它 對(duì) 頻 率 沒(méi) 有 選 擇 性 。 人 們 主 要 利 用 其 相 位 頻 率特 性 ， 作 為 相 位 校 正 電 路 或 相 位 均 衡 電 路 。 圖 730所示 ， 是 一 個(gè) 一 階 全 通 濾 波 器 或 移 相

45、器 ， 其 傳 遞 函 數(shù) 為 RCj jA CsRCsRsA ufuf arctan2)( 1)( 11)( 11 (740) (741a)(741b) 71 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)畫 出 輻 頻 特 性 及 相 頻 特 性 如 圖 731(a)、 (b)所 示 。 二 階 全 通 濾 波 器 的 電 路 較 復(fù) 雜 ， 讀 者 可 參 考 有 關(guān) 參 考 書 。 uo R R ui R1 C 圖 730一 階 全 通 濾 波 器 (移 相 器 )電 路 72 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 90 0 1 () A() 1/R 1 C 0圖 731一 階 移 相

46、器 的 幅 頻 特 性 及 相 頻 特 性 73 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 726模 擬 電 感 電 路 當(dāng) 前 的 集 成 工 藝 ， 還 不 能 制 作 電 感 。 人 們 可 利 用運(yùn) 算 放 大 器 和 RC電 路 ， 產(chǎn) 生 等 效 的 模 擬 電 感 。 圖 732所 示 是 一 個(gè) 簡(jiǎn) 單 的 模 擬 電 感 產(chǎn) 生 電 路 。 由圖 可 推 導(dǎo) 出 等 效 阻 抗 Zi為 212 21221 )(RRCL IjRRRCjRRIUZa aiii (742) (743) 74 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) A u i C 2 I i R 1 R 2圖 7

47、32簡(jiǎn) 單 的 模 擬 電 感 產(chǎn) 生 電 路 75 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 稱 等 效 電 感 或 模 擬 電 感 。 令 C 2 = 1 F ，R1=R2=10k， 則 La=100H(享 利 )。 圖 733給 出 一 個(gè) 著 名 的 “ 頻 變 負(fù) 阻 ” 電 路 ， 它 可以 產(chǎn) 生 模 擬 電 感 。 圖 中 顯 示 了 各 支 路 電 流 和 各 節(jié) 點(diǎn) 電壓 的 表 達(dá) 式 。 42 531 ZZ ZZZIUZ iii (744) 容 易 導(dǎo) 出 ， 等 效 輸 入 阻 抗 為 76 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) Ii U i Z 2 Z 4 Z

48、1 Z 3 Z 5 . . Z 1 Z i Z 2 Z 3 U i Z 4 U i Z 5 Z 5 U i U i UiZ2Z4 Z3Z5 . . Ui Z5 U i Z4 Ui . . . . . . 圖 733 頻 變 負(fù) 阻 電 路 產(chǎn) 生 模 擬 電 感 77 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 模 擬 電 感 ）( 1,2 2 4253CRL LjCRjZ CjZRZZZZa aiI (745) (746) 78 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 該 電 路 和 R、 C元 件 配 合 ， 可 以 組 成 各 種 濾 波 器 。例 如 ， 如 圖 734所 示 ， 在

49、該 電 路 前 端 加 電 阻 R6和 電 容C6,便 構(gòu) 成 一 帶 通 濾 波 器 。 圖 中 K為 輸 出 緩 沖 放 大 器 。變 換 元 器 件 ， 該 電 路 還 可 實(shí) 現(xiàn) 其 它 類 型 的 有 源 濾 波 器 ，讀 者 可 自 行 去 組 合 。 有 時(shí) ， 我 們 也 稱 圖 733電 路 為 “ 頻 變 負(fù) 阻 ” 電 路 。這 是 因 為 ， 令 RZZZ CjZZ 542 31 1 (747) 79 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) CR R RR u o K R6ui C6 La 圖 734 由 模 擬 電 感 構(gòu) 成 的 帶 通 濾 波 器 80 第 7章

50、 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 可 見(jiàn) ， Zi是 一 個(gè) 隨 頻 率 變 化 的 負(fù) 阻 ， 故 稱 為 “ 頻 變負(fù) 阻 ” 或 “ 二 階 電 容 ” 。 “ 頻 變 負(fù) 阻 ” 器 件 在 構(gòu) 成 有源 梯 形 濾 波 器 中 有 著 特 殊 用 途 ， 因 而 受 到 人 們 的 重 視 。 RCRCjZi 222 1)( 1 81 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 727基 于 雙 積 分 環(huán) 的 二 階 有 源 濾 波 器 現(xiàn) 在 我 們 介 紹 一 種 多 功 能 濾 波 器 ， 即 基 于 雙 積 分環(huán) 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 的 二 階 有 源 濾 波 器 。 因 為 這

51、 類 濾 波 器 可 以用 狀 態(tài) 方 程 描 述 ， 所 以 又 稱 狀 態(tài) 變 量 濾 波 器 。 這 類 濾波 器 往 往 可 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 高 通 、 帶 通 和 低 通 ， 而 且 由 積 分器 和 相 加 器 組 成 ， 在 實(shí) 際 中 有 著 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 我 們 知 道 ， 二 階 高 通 濾 波 器 的 傳 遞 函 數(shù) 為 82 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) HPHPiHP iHPuf UsUsQAUU sQs AsUUsA 2200 2002 2 )(1)( (748) (749) 其 中 A為 高 頻 增 益 。 將 該 式 移 項(xiàng) 整 理 ， 得

52、 83 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 式 中 ： 第 一 項(xiàng) 表 示 輸 入 信 號(hào) Ui經(jīng) A倍 放 大 ； 第 二 項(xiàng)表 示 輸 出 UHP經(jīng) 過(guò) 一 次 反 相 積 分 (-0/s)再 數(shù) 乘 1/Q； 第三 項(xiàng) 表 示 UHP經(jīng) 二 次 反 相 積 分 (20/s2)再 反 相 ， 而 UHP又 等 于 這 三 項(xiàng) 相 加 。 式 (749)的 信 號(hào) 流 圖 如 圖 735所示 。 )()( )()( )(2002 2002233 )(2002 2001122 sAsQs AUUsUUUUUU sAsQs AUUsUUUUUU LPufiBPioooio LPufiHPi

53、oooio 由 圖 735可 知 ： (750) (751) 該 式 具 有 一 個(gè) 原 點(diǎn) 零 點(diǎn) ， 所 以 是 帶 通 濾 波 器 的 傳 遞 函數(shù) 。 同 理 ： 84 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) Ui S 0 Uo1 1/Q U HP U BP A 1 S 0 Uo2 U o3 U LP (高 通 輸 出 ) (帶 通 輸 出 ) (低 通 輸 出 )圖 735 狀 態(tài) 變 量 濾 波 器 的 信 號(hào) 流 圖 表 示 法 85 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 該 式 沒(méi) 有 零 點(diǎn) ,可 見(jiàn) 是 一 個(gè) 低 通 濾 波 器 的 傳 遞 函 數(shù) 。 由 上 可

54、見(jiàn) ， 該 濾 波 器 三 個(gè) 不 同 輸 出 端 分 別 對(duì) 應(yīng) 高 通 、帶 通 和 低 通 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 多 種 濾 波 功 能 。 圖 736給 出 一 個(gè) 具體 電 路 的 例 子 ， 其 中 A2、 A3組 成 反 相 積 分 器 ， A1為 相 加器 。 對(duì) 照 圖 735的 信 號(hào) 流 圖 ， 相 加 器 必 須 體 現(xiàn) 數(shù) 乘 及 符號(hào) 關(guān) 系 ， 故 應(yīng) 滿 足 下 列 關(guān) 系 式 ： 滿 足 第 一 項(xiàng) 系 數(shù) ）， 即） （ 滿 足 第 二 項(xiàng) 系 數(shù) ）即） （ （ 滿 足 第 三 項(xiàng) 系 數(shù) ）即 (12) (12,1),1 321132 3 231132 2 1

55、1 ARRARRRRR R QRRQRRRRR R RRRR ffff (752c) (752b) (752a) 86 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 由 式 (752b)和 (752c)可 見(jiàn) ， 該 電 路 在 滿 足 R1=Rf條 件 下 ， 品 質(zhì) 因 素 Q與 放 大 倍 數(shù) A之 間 有 一 定 的 制 約 關(guān)系 ， 即 QK 12 (753) 87 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) A1 UHP Rf Ui R2 R3 A2 R C UBP A3 R ULP C R1 圖 736 狀 態(tài) 變 量 濾 波 器 實(shí) 例 88 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)

56、 728 開(kāi) 關(guān) 電 容 網(wǎng) 絡(luò) RC有 源 濾 波 器 的 濾 波 特 性 取 決 于 RC時(shí) 常 數(shù) 及 運(yùn) 放的 性 能 。 如 果 要 求 時(shí) 常 數(shù) 很 大 ， 全 集 成 化 幾 乎 是 不 可 能的 。 這 也 是 制 約 通 訊 設(shè) 備 全 集 成 化 的 因 素 之 一 。 人 們 尋求 一 種 能 夠 實(shí) 現(xiàn) 濾 波 器 全 集 成 化 的 途 徑 ， 開(kāi) 關(guān) 電 容 因 此應(yīng) 運(yùn) 而 生 。 它 是 基 于 電 容 器 電 荷 存 貯 和 轉(zhuǎn) 移 原 理 ， 由 受時(shí) 鐘 控 制 的 MOS開(kāi) 關(guān) 、 MOS電 容 和 MOS運(yùn) 放 組 成 的 網(wǎng)絡(luò) 。 它 沒(méi) 有 電

57、阻 ， 而 用 開(kāi) 關(guān) 和 電 容 代 替 電 阻 的 功 能 。 開(kāi)關(guān) 電 容 網(wǎng) 絡(luò) 是 一 種 時(shí) 間 離 散 、 幅 度 連 續(xù) 的 取 樣 數(shù) 據(jù) 處 理系 統(tǒng) ， 在 信 號(hào) 產(chǎn) 生 、 放 大 、 調(diào) 制 、 A/D、 D/A中 有 著 廣泛 的 應(yīng) 用 。 89 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 一 、 開(kāi) 關(guān) 電 容 模 擬 電 阻 如 圖 737(a)所 示 ， MOS場(chǎng) 效 應(yīng) 管 開(kāi) 關(guān) V1和 V2分 別受 兩 相 不 重 疊 時(shí) 鐘 1和 2控 制 (如 圖 737(b)所 示 )。 當(dāng)1為 高 電 平 、 2為 低 電 平 時(shí) ， V1導(dǎo) 通 ， V2截

58、止 ， u1對(duì) C充 電 ， 其 存 貯 的 電 荷 Q1為 11 CuQ 90 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) C V1 V2 u1 u2 1 2 1 2 Tc u1 u2 R 1 fcC i (a) (b) (c) 圖 737 用 開(kāi) 關(guān) 和 電 容 代 替 電 阻 (a)開(kāi) 關(guān) 電 容 電 路 ； (b)兩 相 時(shí) 鐘 ； (c)等 效 電 阻 91 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 而 當(dāng) 1為 低 電 平 而 2為 高 電 平 時(shí) ， V1截 止 ， V2導(dǎo)通 ， 那 么 C存 貯 的 電 荷 Q2變 為 在 時(shí) 鐘 的 一 個(gè) 周 期 Tc內(nèi) ， 電 容 C存 貯

59、 的 電 荷 由 Q1變 為 Q2,則 意 味 著 流 過(guò) 的 等 效 電 流 22 uCQQ cceq ccceq CfCTi RuuCT uuTCCT QQi 212121 )( (754) 92 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 就 是 由 開(kāi) 關(guān) 和 電 容 組 成 的 等 效 模 擬 電 阻 (如 圖 737(c)。 它 不 僅 與 電 容 值 有 關(guān) ， 而 且 與 時(shí) 鐘 頻 率 fc成 反比 。 可 見(jiàn) ， 不 僅 可 用 電 容 和 開(kāi) 關(guān) 代 替 電 阻 ， 且 可 通 過(guò)fc來(lái) 控 制 R的 大 小 。 93 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 二 、 開(kāi)

60、關(guān) 電 容 積 分 器 我 們 知 道 ， 用 積 分 器 和 相 加 器 可 以 組 成 狀 態(tài) 變 量濾 波 器 ， 其 中 積 分 器 是 關(guān) 鍵 的 單 元 電 路 ， 如 圖 738(a)所 示 。 根 據(jù) 開(kāi) 關(guān) 和 電 容 代 替 電 阻 的 原 理 ， 開(kāi) 關(guān) 電 容 積分 器 電 路 如 圖 738(b)所 示 。 RC積 分 器 的 時(shí) 常 數(shù) 為 RC，而 開(kāi) 關(guān) 電 容 積 分 器 的 時(shí) 常 數(shù) 為 12122 CCfCCTCR cceq 時(shí) 常 數(shù) (755) 94 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 可 見(jiàn) ， 開(kāi) 關(guān) 電 容 積 分 器 的 時(shí) 常 數(shù) 取

61、 決 于 時(shí) 鐘 頻 率 fc 和 電 容 比 (C2/C1)。 在 MOS集 成 工 藝 中 ， 電 容 比 的 精 度可 以 達(dá) 到 很 高 (0.1%0.01%)， 而 且 通 過(guò) 控 制 fc可 以 十 分精 確 地 控 制 時(shí) 常 數(shù) 。 因 此 ， 濾 波 器 的 精 度 也 很 高 。 95 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) ui uo R C uo C2 C1 ui 1 2 (a) (b) 圖 738 開(kāi) 關(guān) 電 容 積 分 器 (a)RC積 分 器 ； (b)開(kāi) 關(guān) 電 容 積 分 器 96 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)理 想 RC積 分 器 和 開(kāi) 關(guān)

62、電 容 積 分 器 的 傳 輸 函 數(shù) 分 別 為 121)( 1)( CfCjjH RCjjH c (756a) (756b) 圖 738(b)開(kāi) 關(guān) 電 容 積 分 器 的 工 作 過(guò) 程 為 ： 當(dāng) 1為 高 時(shí) ，ui對(duì) C1充 電 ， 電 荷 q1=UiC1;而 當(dāng) 2為 高 時(shí) ， C1被 接 到 運(yùn) 放虛 地 點(diǎn) ， C1被 強(qiáng) 迫 放 電 ， 而 將 前 個(gè) 時(shí) 刻 積 累 的 電 荷 q1全 部轉(zhuǎn) 移 給 C2,如 圖 739所 示 。 97 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) ui C1 uo C 2 (a) uo C 2 C 1 (b) 1 為 高 時(shí) 2 為 高

63、時(shí)圖 739 開(kāi) 關(guān) 電 容 積 分 器 工 作 情 況 98 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 740(a)、 (b)分 別 給 出 具 有 普 遍 應(yīng) 用 價(jià) 值 的 有 耗積 分 器 和 差 分 積 分 器 。 對(duì) 于 圖 740(a)， V1、 V2和 C1等 效 為 R1,V3、 V4和 C2等 效 為 R2,R2并 聯(lián) 在 積 分 電 容 C上 ， 所 以 是 一 個(gè) 有耗 積 分 器 。 而 對(duì) 于 圖 740(b)， 當(dāng) 1為 高 時(shí) ， (ui1-ui2)給 C1充 電 ， 其 電 荷 q1=C1(ui1-ui2)， 而 當(dāng) 2為 高 時(shí) ， C1被 接 至 運(yùn)

64、放 虛 地 與 地 之 間 ， 所 以 C1電 荷 全 部 轉(zhuǎn) 移 給C2,所 以 是 一 個(gè) 差 分 積 分 器 。 99 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) uo C C1 ui 1 2 (a) 2 1 C2圖 740開(kāi) 關(guān) 電 容 有 耗 積 分 器 和 差 分 積 分 器 100 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 740開(kāi) 關(guān) 電 容 有 耗 積 分 器 和 差 分 積 分 器(b) uo C 2 C 1 u i1 1 2 u i2 1 2 101 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 741(a)是 一 個(gè) 多 功 耗 的 二 階 RC狀 態(tài) 變 量 濾 波

65、 器 ，A1構(gòu) 成 有 耗 積 分 器 ， A2組 成 理 想 積 分 器 ， 第 三 級(jí) (A3)組 成 反 相 比 例 放 大 器 (Auf3=-1)。 用 開(kāi) 關(guān) 電 容 網(wǎng) 絡(luò) 實(shí) 現(xiàn)的 相 應(yīng) 電 路 如 圖 741(b)所 示 ， 利 用 第 一 級(jí) 組 成 差 分 有耗 積 分 器 ， 可 以 省 去 A3的 反 相 器 。 102 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) A1 Uo2 R1 ui R4 A2 R2 C1 A3 C2 (帶 通 ) (低 通 )U o1 R R3 R R4R3 (a) 圖 741 開(kāi) 關(guān) 電 容 濾 波 器 (a)RC狀 態(tài) 變 量 濾 波 器

66、； (b)相 應(yīng) 的 開(kāi) 關(guān) 電 容 網(wǎng) 絡(luò) 實(shí) 現(xiàn) 103 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng) 圖 741 開(kāi) 關(guān) 電 容 濾 波 器 (a)RC狀 態(tài) 變 量 濾 波 器 ； (b)相 應(yīng) 的 開(kāi) 關(guān) 電 容 網(wǎng) 絡(luò) 實(shí) 現(xiàn)ui A1C1 UBF(帶 通 輸 出 ) C1 C2 A2C2 uo1ULF(低 通 輸 出 )S2C3S1 S3 S4uo2(b) 104 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系 統(tǒng)73 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 精 密 二 極 管 電 路 731 精 密 整 流 (限 幅 )電 路 在 第 一 章 ， 我 們 曾 經(jīng) 介 紹 過(guò) 半 波 整 流 (限 幅 )電 路 。如 圖 742(a)所 示 ， 這 種 電 路 由 于 二 極 管 死 區(qū) 電 壓UVON(硅 管 一 般 為 0.60.7V左 右 )的 影 響 ， 存 在 限 幅 模糊 現(xiàn) 象 。 也 就 是 當(dāng) 信 號(hào) 較 小 時(shí) ， 二 極 管 不 導(dǎo) 通 或 導(dǎo) 通不 良 。 一 般 要 求 ui0.7V才 行 。 如 圖 742(b)所 示 。 105 第 7章 模 擬 集 成 電 路 系