第4章集成变换器及其应用.ppt

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1、2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 14.1 阻抗变换器阻抗变换器4.2 U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器4.3 U/F变换器和变换器和F/U变换器变换器4.4 精密精密T/I和和T/U变换器变换器4.5 D/A转换器转换器4.6 A/D转换器转换器第第4章章 集成变换器及其应用集成变换器及其应用2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 24.1.1 负阻抗变换器负阻抗变换器4.1.2 阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器4.1.3 模拟电感器模拟电感器4.1.4 电容倍增器电容倍增器4.1 阻抗变换器阻抗变换器2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 3第第4章章 集

2、成变换器及其应用集成变换器及其应用 变换器或变换电路是指从一种电量或参数变换为变换器或变换电路是指从一种电量或参数变换为另一种电量或参数的电路另一种电量或参数的电路。本章主要介绍集成变。本章主要介绍集成变换器及其应用，包括：阻抗变换器、换器及其应用，包括：阻抗变换器、U/I、I/U、U/F、F/U、T/I、T/U、A/D、D/A变换器等。变换器等。本节主要介绍负阻抗变换器、阻抗模拟变换器、本节主要介绍负阻抗变换器、阻抗模拟变换器、模拟电感器、电容倍增器等阻抗变换器。模拟电感器、电容倍增器等阻抗变换器。阻抗的模拟和变换是集成运放的一个重要应用方阻抗的模拟和变换是集成运放的一个重要应用方面，例如电

3、容的损耗补偿、电阻时间常数补偿、面，例如电容的损耗补偿、电阻时间常数补偿、电流互感器的误差补偿等。电流互感器的误差补偿等。4.1 阻抗变换器阻抗变换器2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 4图图4-1-1中，若去掉电阻中，若去掉电阻R1，实，实际是一个同相放大器，其输入际是一个同相放大器，其输入阻抗很高，输出电压为阻抗很高，输出电压为)1(2ioZRUU （4-1-1）图图4-1-1 负阻抗变换器负阻抗变换器4.1.1 负阻抗变换器负阻抗变换器当电阻当电阻R1接入后，其等效输入接入后，其等效输入阻抗将发生很大变化。阻抗将发生很大变化。这时由这时由输入电压输入电压引起的输入电流为引起的

4、输入电流为1oi1i)(RUUII （4-1-2）将式将式(4-1-1)代入式代入式(4-1-2)，可得等效可得等效输入阻抗为输入阻抗为2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 521iiieRZRIUZ 由上式可知，从阻抗由上式可知，从阻抗Z变换到等效输入阻抗变换到等效输入阻抗 Zie，它不仅按比值它不仅按比值R1/R2变化，而且其特性也由正变为变化，而且其特性也由正变为负，因此称之为负阻抗变换器。负，因此称之为负阻抗变换器。若将若将Z取为电阻取为电阻R,则等效输入阻抗为负电阻则等效输入阻抗为负电阻,称之称之为负电阻变换器为负电阻变换器。21ieRRRZ 若将若将Z取为电容取为电容C，

5、则等效输入阻抗为电感，则等效输入阻抗为电感e221iejjLCRRZ CRRL221e 为等效模为等效模拟电感。拟电感。2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 6图图4-1-2 阻抗阻抗模拟变换器模拟变换器图中运放图中运放A1是同相放是同相放大器，起隔离作用和大器，起隔离作用和放大作用；运放放大作用；运放A2是是阻抗变换电路。阻抗变换电路。4.1.2 阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器工作原理工作原理:A1的输出电压的输出电压)1(12io1ZZUU A2的输出电压的输出电压34o134io2)1(ZZUZZUU 解得解得)1(3142io2ZZZZUU 2023年11月15日星期三集成电路

6、原理及应用 7图图4-1-2 输入电流为输入电流为5o2i5iZUUII 代入得等效输入阻抗代入得等效输入阻抗42531iiieZZZZZIUZ 当当选择不同性质的元件选择不同性质的元件时，时，可构成不同性质的可构成不同性质的阻抗模拟电路阻抗模拟电路。)1(3142io2ZZZZUU 图图4-1-2 阻抗阻抗模拟变换器模拟变换器如可构成模拟对地电如可构成模拟对地电感、模拟对地电容、感、模拟对地电容、模拟对地负阻抗等。模拟对地负阻抗等。2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 81.模拟对地电感模拟对地电感若取若取Z1、Z2、Z3、Z5分别为分别为电阻电阻R1、R2、R3、R5，而，而Z4

7、为电阻为电阻R4和电容和电容C4并联并联阻抗，则构成等效模拟电阻抗，则构成等效模拟电感电路。感电路。其等效阻抗为其等效阻抗为2531442531iejRRRRCRRRRRZ 等效电感和内阻分别为等效电感和内阻分别为42531iiieZZZZZIUZ 25314eRRRRCL 42531eRRRRRR 由上式可知，调节由上式可知，调节R1、R3、R5中任一个电阻，中任一个电阻，即可线性调节等效电即可线性调节等效电感的大小。感的大小。若增大电阻若增大电阻R4，可，可获得低内阻的等效模获得低内阻的等效模拟电感。拟电感。2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 92.模拟对地电感模拟对地电感若若

8、Z1、Z2、Z4、Z5分别取为电阻分别取为电阻R1、R2、R4、R5，而取而取Z3为电容为电容C3，则可构成对地电容模拟电路。，则可构成对地电容模拟电路。151423ie)(j RRRRCZ 其等效电容为其等效电容为51423eRRRRCC 调节调节R2、R4中任一个电阻，即中任一个电阻，即可线性调节电容量的大小。可线性调节电容量的大小。其等效阻抗为其等效阻抗为42531iiieZZZZZIUZ 2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 103.模拟对地负阻抗模拟对地负阻抗若取若取Z1和和Z3分别为电容分别为电容C1、C3，而，而Z2、Z4分分别取为电阻别取为电阻R2、R4，Z5为任一阻

9、抗，为任一阻抗，则等效则等效对地阻抗为对地阻抗为423125ieRRCCZZ 由上式可知，这是一个由上式可知，这是一个Z5的负阻抗的负阻抗变换器，其阻抗随频率变化。变换器，其阻抗随频率变化。42531iiieZZZZZIUZ 2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 11如图如图4-1-3所示，所示，是密勒积分式模是密勒积分式模拟电感器。拟电感器。图图4-1-3 密勒积分式模拟电感器密勒积分式模拟电感器A1构成同相放大器，构成同相放大器，A2构成积分器。构成积分器。4.1.3 模拟电感器模拟电感器假定集成运放满足理假定集成运放满足理想化条件，由图可知想化条件，由图可知SoiiRUUI 1

10、00o100o)j11(j1UCRUCRU ifi12o1)1(UAURRU 可得可得2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 12所以，等效输所以，等效输入阻抗为入阻抗为当当 Af 1 时，输入阻抗可近似为时，输入阻抗可近似为fS00iejARRCZ 其中等效电感值为其中等效电感值为fS00ieARRCL 图图4-1-3 密勒积分式模拟电感器密勒积分式模拟电感器i00fij1URCRAIS 1jfS00iiie ARCRIUZ 2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 131.由反相放大器组成由反相放大器组成 的电容倍增器的电容倍增器4.1.4 电容倍增器电容倍增器图图4-1-4

11、 反相放大器反相放大器构成的电容倍增器构成的电容倍增器输入电流为输入电流为i212210i11jURRRRRCI i1210)(j1URRRC 等效输入阻抗为等效输入阻抗为)(j12101iiieRRCRIUZ 2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 14由上式可知，此电路的输入阻抗是由上式可知，此电路的输入阻抗是电阻电阻R1和等效电容和等效电容Cie的并联。的并联。)1(120ieRRCC )1(j111201RRCR 11j11CR )(j12101iiieRRCRIUZ 其中等效电容为其中等效电容为2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 152.可变电容倍增器可变电容倍增

12、器图图4-1-5 可变电容倍增器可变电容倍增器图中电位器图中电位器RP的作用是调节的作用是调节电容的倍增系电容的倍增系数，由数，由A1组成组成的跟随器，起的跟随器，起缓冲作用，以缓冲作用，以消除调整时对消除调整时对Cie的影响。的影响。iab0oi0i)1(j)(jURRCUUCI 其输入阻抗为其输入阻抗为)1(j1ab0iiieRRCIUZ 其输入电流为其输入电流为2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 16可见，该电可见，该电路输入端等路输入端等效为一电容，效为一电容，其等效电容其等效电容的容值为的容值为)1(ab0ieRRCC调节电位器调节电位器RP即可改变电容即可改变电容Cie

13、的值。的值。该电路突出的优点是，该电路突出的优点是，通过改变电阻就可以得到通过改变电阻就可以得到任意大的电容值。任意大的电容值。图图4-1-5 可变电容倍增器可变电容倍增器2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 174.2.2 精密精密U/I变换器变换器4.2.1 接地负载的接地负载的U/I变换器变换器4.2.3 精密精密I/U变换器变换器4.2 U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 184.2 U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器A1为同相加法器，为同相加法器，A2为跟随器。为跟随器。由图可知由图可知 Uo2=RL IL,I1=I

14、2 图图4-2-1 由两个运放由两个运放构成的构成的U/I变换器变换器1.由两个运放构成的由两个运放构成的U/I变换器变换器4.2.1 接地负载的接地负载的U/I变换器变换器4o23RUURUUi o2334i4URURURUR 2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 19LL433i434RIRRRURRRU URRRU1211o图图4-2-1 由两个运由两个运放构成的放构成的U/I变换器变换器代入代入U+得得123124o1iLL134134()()()()RR RRR RUUI RR RRR RRL5LLI RI R要使要使IL与与RL无关，必须使无关，必须使 1)()(4313

15、21RRRRRR或或 321431)()(RRRRRR为此运放电路的匹配条件。为此运放电路的匹配条件。2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 20i4351421L)()(URRRRRRRI所以所以 i512LURRRI 注意，因此电路为正反馈，所以必须注意，因此电路为正反馈，所以必须分析其稳定性，为保证至少有分析其稳定性，为保证至少有10dB的的稳定储备，应选择稳定储备，应选择 R52RL5Li431421)()(RIURRRRRR解得解得图图4-2-1 由两个运由两个运放构成的放构成的U/I变换器变换器为简化分析，选取为简化分析，选取 R3=R1,R4=R2,得得2023年11月1

16、5日星期三集成电路原理及应用 21图图4-2-2 由运放构由运放构成的成的U/I变换器变换器由图可知由图可知 I1=I2 2o1iRUURUU 21o1i2RRURURU L433URRRU oL435L43LLL/)(/)(URRRRRRRIRU 由该式得由该式得2.由一个运放构成的由一个运放构成的U/I变换器变换器2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 22代入上式得代入上式得LLL43L43521121i2/)(/)(RIRRRRRRRRRRRRUR 整理得整理得LL433RIRRR 2i1o12R UR UUURR5341521iLLL12123412RRRRRRRUI RIRRRRRRRR3LL34RI RRR要使要使IL与与RL无关，必须使无关，必须使43343435211RRRRRRRRRRR 将将534LoLL34L()/()/RRRRUR IRRR2023年11月15日星期三集成电路原理及应用 23由由若若选取选取 RRRRR543221RR 则得则得i512LURRRI iL2URI 整理得整理得2154313RRRRRRR解得解得5341521iLLL12