第10章 高性能模拟集成器件及应用.doc

甘肃工业职业技术学院 教 序 案 授课 计划 10 号 2 课时 班级 课 *第十章 高性能模拟集成器件及应用 题 教学目的 及 1、掌握模拟乘法器的工作原理； 2、掌握集成锁相环在信号处理中的应用； 教学要求 3、掌握集成多路模拟开关及应用； 本章重点： 1、模拟乘法器的工作原理 重点 2、锁相环在信号处理中的应用。 和 3、多路模拟开关及应用 难点 本章难点： 1、模拟乘法器的工作原理 2、锁相环在信号处理中的应用。 1、模拟电子技术（第二版） 参考资料 教 材 胡宴如主编 高等教育出版社 2004.2 2、数字电路技术 杨志忠主编 高等教育出版社 2000.4 3、电子技术基础 康华光等编 高等教育出版社 1995.8 4、电工电子技术 林平勇编 高等教育出版社 2000.4 教材：《电子电路与电子器件》（第二版） 郭培源主编 高等教育 出版社 2004.2. 一、教学内容 1 10.1 模拟乘法器的工作原理 10.2 集成锁相环路 10.3 集成多路模拟开关 10.4 集成定时电路及应用 二、内容提要 模拟信号的处理需要高质量的模拟集成电路完成，模拟集成电路被广泛应用在信号处理、通信 工程、自动化控制等技术领域 。本章介绍集成模拟乘法器、集成锁相环、集成模拟开关的工作原 理及应用。 三、教学过程（教案） 第十章 高性能模拟集成器件及应用 10.1 集成模拟乘法器 模拟乘法器：可以实现两个模拟量相乘功能。 功能：（1）模拟量的乘、除、乘方、开方等运算； （2）无线电通信、电视、测量仪表等电子技术领域。如，通信电路的振幅调制、混频、 倍频、同步检波、鉴相、鉴频等。 10.1.1 模拟乘法器的基本概念 模拟乘法器可实现两个互不相关的模拟电信号（模拟电压或电流）相乘。 模拟乘法器有两个输入端和一个输出端，是一个三端有源网络。 理想模拟乘法器的输出可表示为： z  k  x y k 称为乘积系数。 乘法器有四个工作区域，极性由输入端 x，y 组合来决定，有四种组合， 如图 x-y 平面的四个 工作象限。 四象限乘法器：两个输入电压具有四种极性组合； 二象限乘法器：一个输入端具有正负两种极性，而另一个输入端只能是单一极性的模拟量； 单象限乘法器：两个输入端都限定为单一极性的模拟量。 1．四象限输出特性 若以一个输入电压 uy 作为参变量，则乘法器输出电压 uz 与另一个输入电压 ux 关系关系为： uz  k  uy  ux 2 【结论】 （1）全部输出特性曲线过零点； （2）输入信号有一个为零时，输出为零； （3）输入信号中一个是非零恒压时，乘法器相当于放大器。 2．平方律输出特性 当乘法器的两个输入量相同，或者幅度相同相位相反时有： uz  k  u2 2 或 uz  k  u 10.1.2 模拟乘法器的应用 1.模拟运算中的应用 （1）除法运算 电路图： 运算关系式： uA  k uY uZ R uA   2 uX R1 整理得 uz   R2 ux R1K uy 特点： uy 必须限制为正极性，才能使 ux 和 ua 的极性相反，保证反馈是负反馈； ux 可正可 （2）平方运算 电路图： 运算关系式： uz  k ux uy  k ui2 特点：可以利用平方运算实现倍频功能，当输入信号为正弦信号，即 ui  U zm sinwt 角频率为ω的信号 ui 经耦合电容 C1 送到乘法器的 X 和 Y 端，因而可 得 2 uz  k  ui 2  k U zm  sin2 wt  1 1 2 k U zm  kU 2 2 （3）开平方运算 电路图： 3 运算关系式： k  uz2   R2 ux R1 整理得： uz   R2 ux KR1 特点： ux 必须是负值。 在放大器的反馈电路中串入多个乘法器就可以得 到开高次方运算的电路。两个乘法器组成开三次方的运算电 路。 uz  3  R2 R1K 1K 2 ux K1，K2 分别为两个乘法器的乘积系数。 （4）函数发生器 基本概念：是实现输出电压与输入电压具有多项式函数关系的电路。可以是 n 阶多项方程式， 或曲线形式，或表格数据形式。如果是 n 阶多项式 f x a0  a1x  a2 x2  a3x2  ..... an xn 可以通过加、减、乘、除、平方和开方等基本运算予以组合。 2.通信系统及测量中的应用 （1） 通信系统基本概念 通信系统是能用电信号传输信息的系统。 通信系统组成由信源、输入变换器、发送设备、信道、接受设备、输出变换器等组成。 信源:信息来源,它可以是声音,图像,数码,等信息,也可以是温度,压力等非电物理参量。 输入变换器:是将信源信号变换成电信号—基带信号。例如,话筒可将人的声音变成音频信号,温 度传感器可将温度变化转换成相应变化的电信号,摄像机能将图像,文字变成视频电信号等等。 发送设备:是对信号进行处理,把基带信号变换成适合于信道传输的信号,其中包括振荡,放大, 调制,A/D 转换等。 4 接收设备:是将信道传送来的信号还原为发送端的基带信号,通常包括对接受信号进行放大,滤 波,混频,调制以及 D/A 转换等。 输出变换器:是将接收设备输出的电信号还原来形式的信息,例如声音,电视图像等。 干扰源:电信系统不可避免地要受到干扰,例如电磁干扰,工业干扰等。一般将干扰折合成信道干 扰,以干扰源的集中形式影响信道。 信道:是信号传输的通道,可分为有线信道（架空明线、同轴电缆、视频电缆、光缆等）和无线 信道（地球表面、地下、水下、地球大气层等） 。 （2）通信系统组成 ① 无线电发送系统 由输入变换器得到的基带信号一般是音频信号或者视频信号,而音频信号或视频信号是不能直 接通过天线发射出去的,通常将它们调制在一个高频载波上，以实现有效的发射。 产生高频信号：在发送设备中由振荡电路输出一个高频信号，频率为几百千赫，可将其加到适 当高度的天线辐射出去，这个高频信号成为载波信号，用来作为传输信息的“运载工具”。 调制高频信号：把需要传输的低频信号“装载”到高频载波信号上（这一过程称为调制），形成 的高频信号称为已调波。已调波本身是高频信号，它会带着要传输的信息一起被发射出去。通常把 需要传输的低频信号称为调制信号。 按调制信号形式可分为：模拟调制和数字调制两类。 高频振荡器：产生一个等幅高频信号。 高频放大及倍频器：对高频震荡器产生的信号进行放大和倍频。 话筒：将声音变成音频电信号，作为调制信号的信号源。 音频放大器：对音频信号进行放大，得到调制信号，以满足调制要求。 调制器：用调制信号去控制载波信号的振幅，使其振幅随调制信号成比例地变化，调制后的信 号（已调波）可直接由天线发送出去，或经高频率放大器放大后再由天线发出。 5 ② 无线电接收系统 电台选择电路：选择电台和阻抗匹配。 高频放大器：由于天线所收到的信号十分微弱，通常在微安级或毫安级范围，因此必须经高频 放大器对已调信号进行放大。 本机振荡器：输出高频信号。在超外差接收机中，本振频率通常比接收的已调信号频率高一个 中频值（在我国收音机中频率为 465kHz） 。 混频器：将本机振荡器送来的高频信号同高频放大器送来的已调高频信号进行差频，从而产生 一个某一固定的频率（一般称为中频）信号。混频的目的是为了改善和提高接收机的工作性能。 中频放大器：将混频器送来的已调中频信号进行放大。 解调器：从已调中频波中解调出音频信号。如果是从调幅信号中解调出音频信号，解调器称为 检波器；如果从调频信号中解调出音频信号，解调器称为鉴频器。 低频放大器：对解调出的音频信号进行功率放大，以满足扬声器的要求。 AGG 电路（自动增益控制电路）：当接收信号电台时，AGG 电路输出信号可使中放、高放增益自 动减小；反之，当收到弱信号电台时，AGG 电路输出信号能使中放、高放增益自动增大。 （3）模拟乘法器构成的振幅调制电路 uc :高频载波信号，从乘法器的 X 端输入； um:调制信号，与直流电压一起从乘法器的 Y 端输 入； E ：直流电压，与调制信号一起从乘法器的 Y 端输 入。 （4）模拟乘法器构成的混频电路 设本机振荡电压为 ui  U im cos i t 高频放大器送来的调幅信号为 u j  U jm(1 mcos mt) cos ct 6 高频放大器送来的调幅信号电压且  i   c   m, （  c 为载波频率）则乘法器输出 uo  ui  u j  12 kUimU jm(1 mcos mt)  [cos( i   c )t  cos( i   c )t] 10.1.3 集成模拟乘法器 BG314 简介 封装：国产集成模拟乘法器 BG314 采用 14 脚双列直插式，陶瓷封装。 辅助电路:为消除共模电压并进行输出转换，采用集成放大器 A 作为电平移动。A 一般选择高增 益、宽频带集成放大器。 引脚功能：乘法器 4 脚和 9 脚分别接输入信号 ux 和 uy ； 8 脚和 12 脚分别外接输入失调调整电 路，2 脚和 4 脚分别接负载电阻，负反馈电阻 Rx,Ry 以及 R1 偏置电阻均需外接。 10.2 集成锁相环在信号处理中的应用 锁相技术是研究系统相位关系的专门技术。 锁相环能高性能地完成信号的同步跟踪、提取、抑制噪声对有用信号的干扰。 锁相环特点：（1）窄频带的良好滤波特性和宽频带的信号跟踪特性。 （2）具有良好的线性跟踪性能。 锁相环的应用：在通信，空间探测，精密测量仪器，控制等许多先进技术领域中得到广泛应用。 10.2.1 基本锁相环工作原理 锁相环系统组成：相位比较器（PD）、压控振荡器（VCO）和环路滤波器（LF）三部分基本电路 组成的一个闭环反馈系统。 7 锁相环组成部分功能： PD：将输入信号 ui (t) 的相位与压控振荡器的输出信号 uo (t) 的相位进行比较，将两者的相位差 通过 PD 变换成与之成比例的输出电压 uD (t) 。 【当输入电压为零时】环路滤波器就没有输出电压，压控振荡器输出处于频率为  0 的自由振荡 状态。 LF：对相位比较器输出的误差电压 uD (t) 进行平滑滤波，滤除其中的高频分量与噪声，以保证 系统的稳定性。 【控制作用】环路滤波器输出一个控制电压 uc (t) ，控制压控振荡器，使压控振荡器输出电压 的相位 i 和相位比较器输入电压的相位 0 靠近。直到 uo (t) 与 ui (t) 的频率相等而相位差等于常数 时，环路达到锁定。 【锁相环的两种调节过程】 一种是跟踪过程：是在环路锁定时，若输入频率发生变化，VCO 输出频率能及时跟踪输入信号 频率。 一种是捕捉过程：是在环路 VCO 输出频率偏移超过某一数值，环路失去平衡，导致环路失真， 由失锁进入锁定的过程。 10.2.2 锁相环的应用 1．锁相倍频器 在锁相环的反馈通道中加入数字式可 变分频器就可构成锁相倍频器。 电路框图： 倍频关系：当环锁定时，相位比较器 的两个输入信号角频率是相等的，即有  i   '0 ，则  i= 0 或  0 =n  i n 2.锁相分频器 在锁相环的反馈通道中加入数字式可变倍频器就可构成锁相分频器，将锁相倍频电路中的分频器换 成 N 倍频器。则  0= i N 3．锁相混频器 在锁相环路的反馈通道中接入混频器和 中频放大器，就可构成锁相混频器。 电路框图： 混频关系： 8 当环路锁定时，  0   j   i 。 VCO 输出频率有两钟情况：  0   j  i 或  0   j  i 4．V/F 变换电路 应用：需要把模拟电压变换成频率信号，以便通过计数 器而获得数字读数；或者可将频率信号传输到远程端，再借 助频率/电压转换器还原为模拟信号。在工业检测中，经常需 要 V/F 变换电路 锁相环 CD4046： CD4046 电路：CD4046 组成的 V/F 变换电路。 CD4046 应用：FM 调制与解调、倍频与频率合成、频率跟 踪 un、数据同步、V/F 变换等。 10.3 集成多路模拟开关及应用 模拟开关是能够按照控制指令对模拟信号传输进行通、断控制的电子器件。 理想开关的特点： 开关接通时，导通电阻为零，开关两端的残留电压为零，有一定的负载电流能力； 开关断开时，关断电阻为无穷大，开关的漏电流为零，并有一定的耐压能力； 开关由接通到断开，或由断开到接通的转换速度应足够快，转换时间足够小。 10.3.1 常用四种模拟开关 CD4066 组成的开关：CMOS 模拟开关 CD4066 集成电路中有 4 个独立的模拟开关，可以按不同的 连接方式组成四种模拟开关： 单刀单掷开关 单刀双掷开关 双刀单掷开关 双刀双掷开关 CD4066 的应用：数据采集、数字程控及多路遥感、遥测。 10.3.2 集成多路模拟开关及应用 1.集成多路模拟开关 【传输信号的性质】集成多路模拟开关的输入和输出信号都是模拟电压。 【基本工作原理】当二进制码加在多路模拟开关的地址输入端时，就可以从几种输入模拟信号电压 中选取一个传送到输出端。 【多路模拟开关类型】 四选一、双四选一、八选一、双八选一和十六选一。 【常用的多路模拟开关】CD4051B 八通道双向模拟选择开关；CD4067B 十六通道模拟选择开关。 9 2.集成多路模拟开关的应用 CMOS 集成多路模拟开关应用于可寻址采样-保持电路、可编程集成放大器、程控振荡器、数字滤 波器、键控电子乐器的音调发生器、多路数据采集、巡回检测、工业实时控制以及遥测遥控制等许 多技术领域。 （1）程控方波信号发生器 原理电路：利用集成多路模拟开关 CD4051B 和电压比较器构成振荡频率受数字信号控制可调的 方波发生器。多路模拟开关 CD4051B 受数字信号 D1 D2 D3 控制，依次接通电容 C1 ～ C2 支路。 参数计算： 输出方波的周期： T  2RCi 1n(1 方波频率： f 2R2 ) R1 其中 i  1,2,...,8 1 T （2）程控增益同相放大器 原理电路：采用集成放大器和多路模拟开关 CD4051B，可以构成程序控制增益同相放大器。在 3 位二进制地址信号 D1,D2,D3 控制下，将反馈电阻 Rf1～Rf8 经多路模拟 CD4051B 跨接在反相输出端之 间。 参数计算： 电压放大倍数： 10 Au  U 0 R fi  U i R2 （3）数据采集系统 多路选择模拟开关在数据采集和巡检系统中应用非常广泛。 系统一般由传感器、多路模拟开关、采样保持放大器、模/数转换器、数微计算机组成的。 四、本章小节 本章主要介绍了集成模拟乘法器、集成锁相环、集成模拟开关工作原理及应用。集成电路品种 多，并且由于大规模和超大规模集成电路在近年来发展十分迅速。 1．集成模拟乘法器为模拟信号处理提供了一个非常有用的非线性集成器件，凡是在处理两个以 上变量的非线性函数关系时，它都具有功能电路设计上的灵活性和技术上的有效性。 2．集成锁相环在现在高科技电子，通信技术中有着广泛的用途，它可高效地完成信号的同步跟 踪，提取模拟和数字信号的调制和解调、倍频与分频、相位测量等许多任务。 3．集成模拟开关也称电子开关，它能在数字信号的控制下使模拟信号得以单向或双向传输，模 拟开关在程控放大器，程控信号放生器以及数据采集和巡检系统有着广泛的用途。 五、作业 2、4、6、7 11