《集成电路原理》课件.ppt

4.1阻抗变换器,4.2U/I变换器和I/U变换器,4.3U/F变换器和F/U变换器,4.4精密T/I和T/U变换器,4.5D/A转换器,4.6A/D转换器,第4章集成变换器及其应用,4.1.1负阻抗变换器,4.1.2阻抗模拟变换器,4.1.3模拟电感器,4.1.4电容倍增器,4.1阻抗变换器,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。本章主要介绍集成变换器及其应用，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。,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。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。,4.1阻抗变换器,图4-1-1中，若去掉电阻R1，实际是一个同相放大器，其输入阻抗很高，输出电压为,（4-1-1）,图4-1-1负阻抗变换器,4.1.1负阻抗变换器,当电阻R1接入后，其等效输入阻抗将发生很大变化。这时由输入电压引起的输入电流为,（4-1-2）,将式(4-1-1)代入式(4-1-2)，可得等效输入阻抗为,图4-1-1负阻抗变换器,由上式可知，从阻抗Z变换到等效输入阻抗Zie，它不仅按比值R1/R2变化，而且其特性也由正变为负，因此称之为负阻抗变换器。,若将Z取为电阻R,则等效输入阻抗为负电阻,称之为负电阻变换器。,若将Z取为电容C，则等效输入阻抗为电感,为等效模拟电感。,图4-1-2阻抗模拟变换器,图中运放A1是同相放大器，起隔离作用和放大作用；运放A2是阻抗变换电路。,4.1.2阻抗模拟变换器,工作原理:,A1的输出电压,A2的输出电压,解得,图4-1-2输入电流为,代入得等效输入阻抗,当选择不同性质的元件时，可构成不同性质的阻抗模拟电路。,图4-1-2阻抗模拟变换器,如可构成模拟对地电感、模拟对地电容、模拟对地负阻抗等。,1.模拟对地电感,若取Z1、Z2、Z3、Z5分别为电阻R1、R2、R3、R5，而Z4为电阻R4和电容C4并联阻抗，则构成等效模拟电感电路。其等效阻抗为,等效电感和内阻分别为,由上式可知，调节R1、R3、R5中任一个电阻，即可线性调节等效电感的大小。,若增大电阻R4，可获得低内阻的等效模拟电感。,2.模拟对地电容,若Z1、Z2、Z4、Z5分别取为电阻R1、R2、R4、R5，而取Z3为电容C3，则可构成对地电容模拟电路。,其等效电容为,调节R2、R4中任一个电阻，即可线性调节电容量的大小。,其等效阻抗为,3.模拟对地负阻抗,若取Z1和Z3分别为电容C1、C3，而Z2、Z4分别取为电阻R2、R4，Z5为任一阻抗，则等效对地阻抗为,由上式可知，这是一个Z5的负阻抗变换器，其阻抗随频率变化。,如图4-1-3所示，是密勒积分式模拟电感器。,图4-1-3密勒积分式模拟电感器,A1构成同相放大器，A2构成积分器。,4.1.3模拟电感器,假定集成运放满足理想化条件，由图可知,可得,所以，等效输入阻抗为,当Af1时，输入阻抗可近似为,其中等效电感值为,图4-1-3密勒积分式模拟电感器,1.由反相放大器组成的电容倍增器,4.1.4电容倍增器,图4-1-4反相放大器构成的电容倍增器,输入电流为,等效输入阻抗为,由上式可知，此电路的输入阻抗是电阻R1和等效电容Cie的并联。,其中等效电容为,2.可变电容倍增器,图4-1-5可变电容倍增器,图中电位器RP的作用是调节电容的倍增系数，由A1组成的跟随器，起缓冲作用，以消除调整时对Cie的影响。,其输入阻抗为,其输入电流为,可见，该电路输入端等效为一电容，其等效电容的容值为,调节电位器RP即可改变电容Cie的值。,该电路突出的优点是，通过改变电阻就可以得到任意大的电容值。,图4-1-5可变电容倍增器,4.2.2精密U/I变换器,4.2.1接地负载的U/I变换器,4.2.3精密I/U变换器,4.2U/I变换器和I/U变换器,4.2U/I变换器和I/U变换器,A1为同相加法器，A2为跟随器。,由图可知,Uo2=RLIL,I1=I2,图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器,由两个运放构成的U/I变换器,4.2.1接地负载的U/I变换器,图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器,代入U+得,要使IL与RL无关，必须使,或,为此运放电路的匹配条件。,所以,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10dB的稳定储备，应选择R52RL,解得,图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器,为简化分析，选取R3=R1,R4=R2,得,图4-2-2由运放构成的U/I变换器,由图可知I1=I2,由该式得,2.由一个运放构成的U/I变换器,代入上式得,整理得,要使IL与RL无关，必须使,将,由,若选取,则得,整理得,解得,XTR110可将05V或110V电压信号变换成420mA、020mA、525mA和其它电流范围。XTR110采用标准16脚DIP封装。,1.XTR110的性能特点,通过对管脚的不同连接实现不同的输入/输出范围。,最大非线性：不大于0.005(具有14bit精度)。,4.2.2精密U/I变换器,提供+10V基准。,电源电压范围：13.540V，为单电源工作。,2.XTR110的内部结构,图4-2-3XTR110的内部结构图,图4-2-4XTR110的基本接法,3.XTR110的基本接法,表4-2-1输入/输出与引脚关系,图4-2-5010V输入，200mA大电流输出变换电路,4.XTR110的应用,RCV420是精密I/U变换器。它能将420mA的环路电流变成05V的输出电压。,1.RCV420的性能特点,420mA的电流输入，05V的电压输出。,具有精密10V电压基准，温漂小于510-6/C。,具有40V共模电压输入范围。,总的变换误差小于0.1。,具有86dB的噪声抗干扰能力。,4.2.3精密I/U变换器,2.RCV420的内部结构,图4-2-7RCV420的内部结构图,3.RCV420的基本接法,图4-2-8RVC420的基本接法,4.RCV420的应用,图示电路是由XTR101变送器部分和RCV420变换器部分组成。其中，XTR101将温度信号(如热电偶信号)变送成420mA的电流输出。,图4-2-9远距离高精度测温系统,4.3.1VFC100同步型U/F、F/U变换器,4.3.2LMx31系列U/F、F/U变换器,4.3U/F变换器和F/U变换器,4.3U/F变换器和F/U变换器,电压/频率变换电路简称为U/F变换电路或U/F变换器（UFC）。频率/电压变换电路简称为F/U变换电路或F/U变换器（FUC）。,VFC100同步型U/F、F/U变换器是通过外时钟频率获得精密积分周期，实现U/F变换。,4.3.1VFC100同步型U/F、F/U变换器,图4-3-1VFC100引脚排列图,1.引脚及其功能,1脚：V+，为正电源端。2脚、3脚：NC，为空脚。4脚：IOUT，为内部积分输出端，一般与5脚之间接入积分电容。5脚：CINT,为积分负输入端，接积分电容。6脚、7脚：IN+、Ui，为积分同相输入与模拟电压输入端。8脚：V，为负电源端。9脚：Cos，输出单稳电容端。10脚：CLK，同步时钟输入端。,11脚：f0，U/F变换频率输出端。,图4-3-1VFC100引脚排列图,12脚：DGND，为数字地。,13脚：AGND，为模拟地。,14脚、15脚：-CIN、+CIN，内部比较器输入端。,16脚：VREF，为内部5V参考电压输出端。,2.性能特点,满量程频率输出可通过外时钟设置。,在精密满10V电压输入时,增益误差不超过0.5。,内设精密5V参考电源。,极好的线性，在100kHz时，最大误差不超过0.02，在1MHz时，不超过0.1。,具有低的增益漂移：不超过5010-6/C。,图4-3-2VFC100的内部结构图及U/F变换模式的基本接法,3.内部结构与基本接法,图4-3-3U/F变换模式时的变换波形图,4.双极性输入与调整,VFC100有单极性输入和双极性输入两种接法。,图4-3-4双极性U/F变换接法,双极性接法：时钟频率为1MHz，R1为20k，积分电容为0.01F，输入模拟电压为-5+5V，输出频率为0500kHz。,图4-3-5失调与增益调整电路,失调与增益调整电路，RP2的作用是对失调电压进行细调，RP1的作用是对增益进行细调。,5.F/U变换模式,图4-3-6VFC100的F/U变换模式,频率从14脚输入，要求输入频率的最小脉宽为200ns。,7脚与4脚相连作为电压输出端。,图4-3-7VFC100的F/U变换模式的变换波形,式中，fi是输入频率，fCLK是同步输入时钟频率。,输出电压的公式为,变换波形为,4.3.2LMX31系列U/F、F/U变换器,LMX31系列包括：LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331等。这类集成芯片的性能价格比较高。LM131/231/331因内部具有新的温度补偿能隙基准电路，所以在整个工作温度范围内和电源电压低到4.0V时，也具有极高的精度，能满足100kHz的U/F转换所需要的高速响应，精密定时电路具有低的偏置电流，高压输出可达40V，可防止V+的短路，输出可驱动3个TTL负载。,这类器件常应用于A/D转换、精密F/U转换、长时间积分、线性频率调制和解调、数字系统、计算机应用系统等方面。,1.性能特点,最大线性度：0.01。,双电源或单电源工作(单电源可以在5V以下工作)。,脉冲输出与所有逻辑形式兼容。,最佳温度稳定性：最大值为5010-6/C。,小功耗：5V以下典型值为15mW。,宽动态范围：10kHz满量程频率下最小值100dB。,满量程频率范围：1Hz100kHz。,图4-3-8LM131/231/331内部结构和基本接法,2.内部结构与基本接法,图4-3-9LM131/231/331内部结构和基本接法的简化图,在图4-3-8和图4-3-9中，每当单稳态定时器触发产生一宽度为t0的等宽度脉冲时，S接通，电容CL充电。t0结束后，S断开，CL经RL放电，到放电电压等于Ui时，再次触发单稳态触发器，这样反复循环，构成了自激振荡器。在图中，IR是恒定的，CL的充电电流是随着Ui的增加而减小。,则,放电电荷平均值,因充电和放电是平衡的，所以由得,在实际应用时，Ux大约在10mV的范围内波动，其平均值UxUi，用Ui代替上式中的Ux得,式中，t0=1.1RtCt,Rt,Ct为单稳态定时器的外接电阻和电容。,典型工作状态为Rt=6.8k,Ct=0.01F,t0=7.5s。,IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接,电阻RS决定，,通常调节Rs的值，可调节转换增益。,3.U/F变换模式,电阻Rs由Rs1=12k和Rs2=5k电位器组成。作用是调节增益偏差和由RL、Rt、Ct引起的偏差，以及校正输出频率。,7脚上增加的R1、C1，其作用是提高精度。当元件取图示中的参数值时，可将010V输入电压信号变成10Hz10kHz的输出频率信号。,图4-3-12LMx31组成的F/U变换模式的基本电路,4.F/U变换模式,输出电压的公式为,图4-3-13LMx31组成的F/U变换模式的精密电路,求输出电压的公式为,4.4.1AD590T/I变换器,4.4.2LM135/235/335T/U变换器,4.4精密T/I和T/U变换器,4.4精密T/I和T/U变换器,下面以AD590为例，介绍T/I变换器。,1.性能特点,宽的测温范围：-55150C。,宽的工作电压范围：430V。,线性电流输出：1A/K。,极好的线性：在整个测温范围内非线性误差小于0.3C（AD590M）。,4.4.1AD590T/I变换器,激光微调使定标精度达到：0.5C(AD590M)。,2.内部结构,图4-4-1AD590的金属圆壳封装结构,AD590外形采用TO52金属圆壳封装结构。其引脚排列如图4-4-1所示。图4-4-2是AD590的内部电路结构。,图4-4-2AD590的内部电路结构,图4-4-3AD590的基本接法,3.基本接法,图4-4-4摄氏温度检测典型接法,4.应用电路,利用AD590测温时，可由绝对温度的单位K，计算出摄氏温度的单位C，其计算公式为,K=C+273.15（或C=K-273.15）,图4-4-5利用AD590和差分电路实现摄氏温度测量,摄氏温度检测电路。,LM135/235/335广泛应用于温度测量、温度控制和热电偶冷端补偿等方面。,1.性能特点,输出电压与绝对温度成正比。,输出动态电阻：小于1。,温度范围：-55+150C（LM135）。,输出灵敏度：10mV/K。,在整个温度范围内，误差小于1C（LM135A/235A）。,4.4.2LM135/235/335T/U变换器,图4-4-7LM135系列内部电路结构,2.内部结构,图4-4-6LM135/235/335的金属圆帽封装,3.基本接法,图4-4-8LM135/235/335的基本连接电路,图4-4-9LM135/235/335的基本温度检测电路,图4-4-10LM135/235/335接地热电偶冷端补偿电路,4.应用,下图是双电源工作时的热电偶冷端补偿电路。,4.5.1D/A转换器的基础知识,4.5.212位串行D/A转换器DAC7512,4.5.316位D/A转换器PCM54,4.5D/A转换器,4.5D/A转换器,D/A转换器按工作方式可分为并行D/A转换器、串行D/A转换器和间接D/A转换器等。在并行D/A转换器中，又分为权电阻D/A转换器和R-2RT型D/A转换器。,4.5.1D/A转换器的基础知识,图示电路是一个三位二进制数的D/A转换电路，每位二进制数控制一个开关S。当第i位的数码为“0”时，开关Si打在左边；当第i位的数码为“1”时，开关Si打在右边。,图4-5-1D/A转换原理电路,1.D/A转换器的基本原理,对于B点对地电阻相当于两个2R并联，即等于R。,同理,则可推出,图4-5-1D/A转换原理电路,S0接通时,所以,将上式推广到n位二进制数的转换得一般表达式,图4-5-1D/A转换原理电路,其输出电压为,输出电压会因器件误差、集成运放的非理想特性而产生转换误差。,2.双极性工作,双极性工作是指D/A转换器可以转换有正有负的数据。计算机中的数字量表示为双极性的方法很多，如用原码、补码、反码和二进制码等。其中补码和偏移二进制码用于D/A转换器。,3.D/A转换器的特性与技术指标,DAC的性能指标很多，主要有以下几个：,分辨率：是指DAC能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。,转换精度：转换精度和分辨率是两个不同的概念。转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。,偏移量误差：偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。,线性度：线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。,输入编码形式：输入编码形式是指DAC输入数字量的编码形式，如二进制码、BCD码等。,输出电压：输出电压是指DAC的输出电压信号。,转换时间：转换时间是指输入的数字信号转换为输出的模拟信号所需要的时间。,4.5.212位串行D/A转换器DAC7512,微功耗：5V供电时的工作电流消耗为135A；在掉电模式时，5V电源供电下的电流消耗为135nA，若采用3V供电时，其电流消耗仅为50nA。宽的供电电压范围：2.7V5.5V。上电复位后输出电压为0。具有三种关断工作模式可供选择，5V电压下的功耗仅为0.7mW。具有低功耗施密特输入串行接口。内置满幅输出的缓冲放大器。,1.主要特性,1脚VOUT：模拟输出电压。,2脚GND：地。,3脚VDD：供电电源，直流2.7V5.5V。,4脚DIN：串行数据输入。,5脚SCLK：串行时钟输入。,图4-5-4DAC7512的引脚排列图,2.引脚功能,DAC7512采用SOT23-6封装如图所示。其引脚定义如下：,图4-5-5DAC7512内部结构框图,3.内部结构,输入控制逻辑用于控制DAC寄存器的写操作;,掉电控制逻辑与电阻网络一起用来设置器件的工作模式，即选择正常输出还是将输出端与缓冲放大器断开，而接入固定电阻;芯片内的缓冲放大器具有满幅输出特性，可驱动2k及1000pF的并联负载。,4.时序及工作模式,DAC7512采用三线制串行接口，串行写操作时序。,图4-5-6DAC7512的写操作时序,片内输入寄存器宽度为16位，格式如下：DB15、DB14是空闲位，B13、DB12是工作模式选择位，DB11DB0是数据位。,器件内部带有上电复位电路，上电后寄存器内容为0，所以在正常工作模式时，上电复位后模拟输出电压为0。,DAC7512的四种工作模式可由寄存器内的DB13、DB12来控制。其控制关系见下表。,表4-5-1DAC7512的工作模式选择,掉电模式下，不仅器件功耗要减小，而且缓冲放大器的输出级通过内部电阻网络接到1k、100k或开路。而处于掉电模式时，所有的线性电路都断开，但寄存器内的数据不受影响。,5.与MCS-51单片机的接口应用,DAC7512与MCS-51微控制器的接口如图4-5-7。,图4-5-7DAC7512与单片机的连接,而P1.2则驱动DAC7512的串行数据线DIN。在16位数据传输期间，P1.0要一直保持低电平。,根据图4-5-7接口电路，D/A转换程序编制如下：,设12位数字量存放在单片机片内RAM的两个单元50H和51H中，12位数的高4位存放在50H单元，低8位存放在51H单元的低4位。现将12位数据送到DAC7512中进行D/A转换，接口电路的转换程序如下：,SCLKBITP1.1；DAC7512的SCLK与8051的P1.1相连,DINBITP1.2；DAC75121的DIN与8051的P1.2相连,DAHDATA50H；12位数据高字节,DALDATA51H；12位数据低字节,DAOUT：MOVR7，#08H；置循环次数,MOVA，DAH；取高4位数,ANLA，#0FH；正常工作模式,CLRSYNC；启动写时序,DA1：RLCA；从最高位开始串行移位,MOVDIN，C；输出数据,SETBSCLK；产生SCLK上升沿,CLRSCLK；产生SCLK下降沿,DJNZR7，DA1；8位数据传送完毕？,MOVR7，#08H,MOVA，DAL；取低8位数据,DA2：RLCA,MOVDIN，C,SETBSCLK,CLRSCLK,DJNZR7，DA2；低8位数据传送完毕？,NOP,SETBSYNC,SETBDIN,RET,4.5.316位D/A转换器PCM54,图4-5-816位D/A转换器PCM54的应用电路,4.6.1A/D转换器的基础知识,4.6.2并行A/D转换器AD574,4.6.316位串行A/D转换器MAX195,4.6A/D转换器,4.6A/D转换器,4.6.1A/D转换器的基础知识,集成A/D转换器通常采用逐次逼近式A/D转换器和双积分式A/D转换器。,图4-6-1逐次逼近型A/D转换原理框图,1.逐次逼近式A/D转换电路,2.双积分式A/D转换电路,先将S置于Ui端，积分器对输入信号进行积分，积分时间固定为T，积分器的输出为：,当t=T时，S转为接Uref，开始对参考电压Uref积分，积分器输出从负值开始上升，,图4-6-2双积分型A/D转换原理框图,当积分器输出上升到ui=0V时，第二次积分结束。设这段时间为T，则有,图4-6-2双积分型A/D转换原理框图,由上式和式,得,由上式可知，T正比于输入电压Ui，在T内进行时钟脉冲计数，所计得的数字量正比于输入电压Ui。,右图是A/D转换电路的工作过程。双积分式A/D转换电路的转换精度很高，但转换速度较低。,图4-6-3双积分A/D转换过程波形图,3.A/D转换器的主要技术指标,分辨率：对应于最小数字量的模拟电压值称为分辨率，它表示对模拟信号进行数字化能够达到多细的程度。量程：即所转换的电压范围。精度：有绝对精度和相对精度两种表示法。对应一个给定的数字量的理论模拟量输入与实际模拟量输入之差称为绝对精度或绝对误差。绝对精度通常用最小有效位LSB的分数表示，如精度为:,通常用百分比表示满量程时的相对误差表示，如0.05。,输出逻辑电平：多数与TTL电平配合。,转换时间和转换率：完成一次A/D转换所需要的时间称为转换时间。,对参考电压的要求：要考虑器件是否需要内部参考电压，或是否需要外部参考电压。,4.6.2并行A/D转换器AD574,AD574A是一种带有三态缓冲器的快速12位逐次比较式A/D转换芯片，可以直接与8位或16位微处理器相连，而无需附加逻辑接口电路。片内有高精度的参考电源和时钟电路，不需要外接时钟和参考电压等电路就可以正常工作。AD574A的转换时间为25S。芯片内含有逐次逼近式寄存器SAR、比较器、控制逻辑、DAC转换电路及三态缓冲器等。,图4-6-