集成電路原理與應(yīng)用

1、 1、討論集成運(yùn)放穩(wěn)定性與閉環(huán)增益的關(guān)系，并簡(jiǎn)述相位補(bǔ)償?shù)姆椒āＳ捎谶\(yùn)放電路是一個(gè)多極點(diǎn)高增益放大器，且一般都工作在閉環(huán)狀態(tài)，所以在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)自激振蕩，而使運(yùn)放電路不能正常工作。產(chǎn)生自激振蕩的條件：A(j)F(j)=1 其中幅值條件： A(j)F(j)=1 相位條件：只有同時(shí)滿(mǎn)足幅值條件和相位條件，運(yùn)放才會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，只滿(mǎn)足其中條件之一，運(yùn)放不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。要使集成運(yùn)放在閉環(huán)下能穩(wěn)定地工作，就必須破壞產(chǎn)生自激振蕩的兩個(gè)條件或兩個(gè)條件之一。所以運(yùn)放電路閉環(huán)穩(wěn)定工作的條件應(yīng)為時(shí)，相移相移時(shí)，單極點(diǎn)集成運(yùn)放最大相移為，所以單極點(diǎn)運(yùn)放電路在任何反饋深度下都不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于兩個(gè)極點(diǎn)的

2、集成運(yùn)放，只有在頻率時(shí)，相移才能達(dá)到，而此時(shí)增益，也不會(huì)滿(mǎn)足自激振蕩的振幅條件，所以也不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，但由于集成運(yùn)放中分布電容的影響，對(duì)于兩個(gè)極點(diǎn)的運(yùn)放電路也有可能產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于三個(gè)極點(diǎn)的運(yùn)放電路，其最大相移為，其幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)如圖1所示。圖1 三極點(diǎn)放大器頻率特性假設(shè)環(huán)路增益是與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)，則環(huán)路增一為，取對(duì)數(shù)后為其中，是開(kāi)環(huán)增益頻率特性曲線(xiàn)，是反饋曲線(xiàn)。當(dāng)負(fù)反饋系數(shù)時(shí)，反饋曲線(xiàn)為M，當(dāng)環(huán)路增益為0dB時(shí)，開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)與反饋曲線(xiàn)M相交于m點(diǎn)。在m點(diǎn)，環(huán)路增益為1，滿(mǎn)足自激振蕩的幅度條件，m點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為如為，相應(yīng)的相移為，不滿(mǎn)足自激振蕩的相位條件，既當(dāng)反饋系數(shù)時(shí)，滿(mǎn)足閉

3、環(huán)穩(wěn)定條件，所以運(yùn)放電路工作是穩(wěn)定的。當(dāng)增加負(fù)反饋深度時(shí)，反饋系數(shù)時(shí)，這時(shí)將減小，反饋曲線(xiàn)M變?yōu)榍€(xiàn)S，曲線(xiàn)S與開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)相交于s點(diǎn)，設(shè)s點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為，如果當(dāng)時(shí)，相移，這時(shí)就同時(shí)滿(mǎn)足了自激振蕩的兩個(gè)條件，運(yùn)放電路在閉環(huán)時(shí)工作是不穩(wěn)定的。當(dāng)在增加負(fù)反饋深度時(shí)，反饋系數(shù)時(shí)，這時(shí)將會(huì)更小，反饋曲線(xiàn)S變?yōu)镹，在反饋曲線(xiàn)N上，總可以找到相移時(shí)的頻率，當(dāng)時(shí)，這時(shí)既滿(mǎn)足自激振蕩的幅度條件，又滿(mǎn)足自激振蕩的相位條件，所以當(dāng)反饋系數(shù)時(shí)，運(yùn)放電路閉環(huán)更不穩(wěn)定。由以上分析可知，集成運(yùn)放反饋越深，既閉環(huán)增益越小，越容易產(chǎn)生自激振蕩。相位補(bǔ)償?shù)淖饔檬怯醚a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)改變集成運(yùn)放開(kāi)環(huán)的頻響特性，以增加負(fù)反饋放大器的相

4、位余量。相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袦笙辔谎a(bǔ)償、超前相位補(bǔ)償。滯后相位補(bǔ)償是通過(guò)相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使放大器開(kāi)環(huán)增益的附加相移進(jìn)一步滯后。常用的滯后相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ校汉?jiǎn)單電容補(bǔ)償、電阻電容串聯(lián)補(bǔ)償、密勒電容補(bǔ)償?shù)?。它們的共同點(diǎn)是壓低第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率，結(jié)果使反饋放大器的上限頻率受影響，這是用犧牲帶寬換取放大器閉環(huán)工作的穩(wěn)定性。超前補(bǔ)償則是在不壓低第一轉(zhuǎn)折頻率的前提下，設(shè)法引入一個(gè)超前相移的零點(diǎn)頻率，這樣既擴(kuò)大了的范圍，又有效地?cái)U(kuò)展了反饋放大器的上限頻率，也就擴(kuò)大了反饋放大區(qū)的穩(wěn)定工作范圍。因?yàn)檠a(bǔ)償后，第二個(gè)轉(zhuǎn)折頻率推遲出現(xiàn)，所以比未補(bǔ)償時(shí)相位超前，故稱(chēng)為超前補(bǔ)償。其缺點(diǎn)是不一定能實(shí)現(xiàn)單位增益補(bǔ)償。2、 舉例說(shuō)明（至

5、少三個(gè)）集成運(yùn)放線(xiàn)性應(yīng)用時(shí)如何選擇它的技術(shù)參數(shù)？A、反相放大器反相輸入放大電路如圖2所示，信號(hào)電壓通過(guò)電阻加至運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓通過(guò)反饋電阻反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路。為平衡電阻應(yīng)滿(mǎn)足。圖2 基本反相放大器 利用理想集成運(yùn)放條件：虛短和虛斷，即 ， ，可得出此電路的閉環(huán)增益為 即 此電路輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系為 或 即為反相放大器的放大倍數(shù)。此電路的等效輸入電阻為此電路的等效輸出電阻為在理想條件下，很大，很小，所以。一般，取值范圍為1K1M，阻值太小，字則輸入電阻太低，但大到超出1M又難以保證阻值的穩(wěn)定性和精度，所以對(duì)于基本反相放大器必須設(shè)法提高其輸入電阻

6、。B、積分電路積分電路是應(yīng)用非常廣泛的一種集成運(yùn)放電路。它在控制系統(tǒng)中常作為積分環(huán)節(jié)，在變換中用來(lái)產(chǎn)生線(xiàn)性度很高的斜坡電壓，在變換器和壓控振蕩器中用來(lái)產(chǎn)生三角波、鋸齒波波形，在測(cè)量電路中用于實(shí)現(xiàn)積分變換，如實(shí)現(xiàn)加速度到速度、速度到位移振動(dòng)信號(hào)的變換等。圖3所示為基本反相積分器。當(dāng)運(yùn)放為理想集成運(yùn)放時(shí)，分析積分器的以下特性。圖3 基本反相積分器（1） 傳輸函數(shù)式中，T為積分時(shí)間常數(shù)。（2） 頻率特性其中，幅頻特性為式中，為幅頻特性的交接頻率。相頻特性為（3） 輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系C、微分電路微分電路與積分電路互為模擬量間的逆運(yùn)算、逆變換。微分電路和積分電路一樣應(yīng)用非常廣泛，除了在線(xiàn)性系統(tǒng)中做

7、微分運(yùn)算外，在控制系統(tǒng)中用于實(shí)現(xiàn)微分校正，在脈沖數(shù)字電路中常用來(lái)做波形變換，如將矩形波變?yōu)榧忭斆}沖波。圖4為基本微分器，在理想運(yùn)放條件下，微分器的理想積分常數(shù)為式中，為微分時(shí)間常數(shù)。圖4 基本微分器此微分器的頻率特性為其中，幅頻特性為式中，為幅頻特性的交接頻率。相頻特性為輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為基本微分器在實(shí)際使用中存在穩(wěn)定性差、高頻輸入阻抗低、高頻干擾大等缺點(diǎn)。3、 闡述抽樣數(shù)據(jù)電路的特點(diǎn)和分析方法。 數(shù)據(jù)抽樣電路是處理抽樣信號(hào)（時(shí)間離散、幅度連續(xù)信號(hào)）的電路。由于抽樣信號(hào)是幅度連續(xù)信號(hào)，常將抽樣數(shù)據(jù)電路歸入模擬電路大類(lèi)。只要滿(mǎn)足抽樣定理所規(guī)定的條件，抽樣數(shù)據(jù)信號(hào)可以無(wú)失真地復(fù)原抽樣前的模

8、擬信號(hào)，所以用抽樣數(shù)據(jù)電路處理模擬信號(hào)時(shí)，只要電路特性理想，就不會(huì)產(chǎn)生失真。而數(shù)據(jù)信號(hào)是用有限個(gè)離散值逼近連續(xù)值，因而它不可能無(wú)失真地復(fù)原數(shù)字化前的模擬信號(hào)，增加字長(zhǎng)只能減小誤差，但不可能消除，所以用數(shù)字電路處理模擬信號(hào)，肯定會(huì)產(chǎn)生失真。因?yàn)槌闃訑?shù)據(jù)電路要處理時(shí)間離散的抽樣信號(hào)，所以電路中必含有存儲(chǔ)信號(hào)的元件和控制電路工作的時(shí)鐘，對(duì)存儲(chǔ)信號(hào)的精度和時(shí)鐘信號(hào)參量將影響電路性能。因?yàn)槌闃訑?shù)據(jù)電路的輸入和輸出都是抽樣信號(hào)，它們的頻譜按抽樣時(shí)鐘頻率的整倍數(shù)重復(fù)，所以抽樣數(shù)據(jù)電路的頻率特性也按抽樣時(shí)鐘頻率的整倍數(shù)重復(fù)。抽樣數(shù)據(jù)電路目前有三種型式：由電荷耦合器器件（CCD）構(gòu)成的電路、開(kāi)關(guān)電容電路（SC）

9、和開(kāi)關(guān)電流電路（SI）。在信號(hào)處理中得到廣泛應(yīng)用的是開(kāi)關(guān)電容電路和開(kāi)關(guān)電流電路。開(kāi)關(guān)電容電路和開(kāi)關(guān)電流電路的輸入輸出信號(hào)均是離散時(shí)間信號(hào)，它們的輸出輸入關(guān)系都是用差分方程描述。在開(kāi)關(guān)電容電路時(shí)域分析中，需要使用電荷守恒原理。電荷守恒原理是指在開(kāi)關(guān)電容電路中，用“閉合面”包圍各電容器一個(gè)極板的集合，只要閉合面內(nèi)沒(méi)有存儲(chǔ)電荷的元件，并且沒(méi)有導(dǎo)電路徑穿過(guò)這個(gè)“閉合面”，那么閉合面內(nèi)所有電容器極板上所存儲(chǔ)的總電荷就不會(huì)發(fā)生變化，并且與整個(gè)電路中開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)以及電容器上的電壓因任何原因而發(fā)生的變化無(wú)關(guān)。以簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電容電路為例，其圖為圖5，假定電路中的開(kāi)關(guān)和電容器具有理想特性，時(shí)鐘信號(hào)使用兩相不重疊時(shí)

10、鐘，并假定各電容器上的初始電壓均為零。從(n-1)TC到(n-1/2)TC時(shí)區(qū)間，電容器C1兩端電壓隨輸入電壓變化，電容器C2兩端電壓為零。在(n-1/2)TC時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)、S2閉合，利用電荷守恒原理和KVL計(jì)算電容器上電壓，選擇閉合面為SC，可得：時(shí)間上標(biāo)“”表示開(kāi)關(guān)閉合后電容器上的電壓值，時(shí)間上標(biāo)“”表示開(kāi)關(guān)閉合前電容器上的電壓值。圖5 簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電容電路根據(jù)KVL，可得可得該時(shí)刻電容器C2上的電壓為假定，所以有 從到區(qū)間，電容器C1和C2上的電壓均保持時(shí)刻的值。至此，電路完成了一個(gè)時(shí)鐘周期工作，此后在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都將重復(fù)上述工作過(guò)程，只是電容器上電壓的數(shù)值將不斷變化。因?yàn)榭傻靡粋€(gè)

11、時(shí)鐘周期內(nèi)輸出與輸入電壓的關(guān)系 圖6為基本開(kāi)關(guān)電流電路，其中（a）為電路圖，（b）為工作波形。（a）(b)圖6 基本開(kāi)關(guān)電流電路 在時(shí)刻，S1閉合，S2斷開(kāi)，則 在時(shí)刻，S2閉合，S1斷開(kāi)，則因柵源電容的保持作用可得該式表明，在時(shí)刻輸出電流值比時(shí)刻輸入電流值延時(shí)了1/2時(shí)鐘周期，并反相。此后，在每個(gè)時(shí)鐘周期將重復(fù)上述過(guò)程。4、運(yùn)用運(yùn)算仿真法設(shè)計(jì)二階以上的有源濾波器并進(jìn)行仿真分析。用運(yùn)算仿真法設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，其3dB帶寬為1KHz，信源阻抗和負(fù)載阻抗均為600，在5KHz處衰減大于60dB。 采用巴特沃斯逼近的五階無(wú)源LC低通濾波器滿(mǎn)足給定頻率特性的要求，圖7所示為其電路圖，其頻率特性如圖8

12、所示，其參數(shù)值為， ，圖7 LC低通濾波器圖8 五階巴特沃斯低通濾波器頻率特性 利用KVL和KCL可以列出圖3所示的電路的狀態(tài)方程組，表示為可以看出方程組中每個(gè)方程均為一階積分方程，但它們輸入輸出變量量綱不同。為減少電路中積分器的類(lèi)型，需要將它們變換成輸出變量和輸入變量相同的積分方程，引入?yún)⒖甲兞浚儞Q為輸入輸出參考變量均為電壓的積分方程，通常取，定義帶入上式中，整理可得滿(mǎn)足此方程組數(shù)學(xué)關(guān)系的信號(hào)流圖如圖9所示。圖9 信號(hào)流程圖用有源電路實(shí)現(xiàn)圖9的信號(hào)流圖，電路如圖10所示，在不考慮濾波器動(dòng)態(tài)范圍的情況下，所有電阻均取600，則圖10 運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的有源濾波器為調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍，需要計(jì)算各積分器輸出處的峰值，圖11為不同頻率下各積分器的輸出幅度。圖中各積分器的最大輸出幅度為 ，圖11 調(diào)整增益前各積分器的輸出幅度為了使整個(gè)濾波器動(dòng)態(tài)范圍最大，需要調(diào)整各支路增益，使各支路增益輸出幅度的峰值相等。具體方法是，若原連接第j 個(gè)積分器的輸出和第i個(gè)積分器的輸入之間的支路增益為，需要調(diào)整為，為第j 個(gè)積分器輸出節(jié)點(diǎn)處的峰值，為第i個(gè)積分器輸出節(jié)點(diǎn)處的峰值。信號(hào)輸入支路增益的處理規(guī)則是用輸出節(jié)點(diǎn)的峰值與對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分的積分器的峰值比調(diào)整。所以調(diào)整各支路增益后，使動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大。調(diào)整后的電