集成电路第四章

第4章集成变换器及其应用第4章集成变换器及其应用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变换器4.6A/D变换器第4章集成变换器及其应用4.1阻抗变换器负阻抗变换器阻抗模拟变换器模拟电感器第4章集成变换器及其应用4.1.1负阻抗变换器（1）若去掉电阻R1)1(2ZRUUiOR1+-ZuiAR2IiI1I2IZ（2）若接入电阻R111RUUIIoii则：21RZRIUZiiie负电阻变换器第4章集成变换器及其应用R1+-ZuiAR2IiI1I2IZ右图只适用于信号源内阻小于Ｚ的情况ZZS即：ZZS若：应将右图同相端和反相端位置互换（１）若Ｚ＝Ｒ21RRRZie（２）若Ｚ＝ＣLjCRRjZie221负电阻变换器等效模拟电感，其中CRRL221对于右图：第4章集成变换器及其应用4.1.２阻抗模拟变换器Ｚ５+-Z１uiAＺ2Ii+-AＺ４Ｚ３Ｚ５电路如下所示：第4章集成变换器及其应用4.1.２阻抗模拟变换器Ａ１的输出：Ａ２的输出：)1(121ZZUUiOＡ１：同相放大器Ａ２为阻抗变换器341342)1(ZZUZZUUOiO则：)1(31422ZZZZUUiOＺ５+-Z１uiA１Ｚ2Ii+-A２Ｚ４Ｚ３I５输入电流为：525ZUUIIOii等效输入阻抗：42531ZZZZZIUZiiie可构成不同性质的阻抗模拟电路第4章集成变换器及其应用１、模拟对地电感42531ZZZZZZie在中取：Ｚ1、Ｚ2、Ｚ3、Ｚ5为电阻，Ｚ4为Ｒ4和C4并联，则等效阻抗为：2531442531RRRRCjRRRRRZie其等效内阻和等效电感为：42531RRRRRRe25314RRRRCLe第4章集成变换器及其应用２、模拟对地电容42531ZZZZZZie在中取：Ｚ1、Ｚ2、Ｚ４、Ｚ5为电阻，Ｚ３为电容C３，则等效阻抗为：151423)(RRRRCjZie其等效电容为：51423RRRRCZie第4章集成变换器及其应用３、模拟对地负阻抗42531ZZZZZZie在中取：Ｚ1、Ｚ3为电容C1、C3，Ｚ2、Z4为电阻R2、R4，Z5为任一阻抗则等效阻抗为：42125RRCZZie为一负阻抗变换器第4章集成变换器及其应用4.1.３模拟电感器电路如下所示：CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC第4章集成变换器及其应用4.1.３模拟电感器1RUUIoiiiOOOOOOUCRjUCRjU)11(11ifiOUAURRU)1(121CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC第4章集成变换器及其应用等效输入阻抗为：1fARCRjIUZSOOiiie当Ａｆ远大于１时：fARCRjZSOOie其中等效电感值为：fARCRLSOOie第4章集成变换器及其应用4.1.４电容倍增器１、由反相放大器组成的电容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3第4章集成变换器及其应用１、由反相放大器组成的电容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3iOiOiURRRCjURRRRRCjI12121221)(111等效输入阻抗为：1111CjRIUZiiie电阻Ｒ和电容Ｃ的并联第4章集成变换器及其应用２、可变电容倍增器电位器调节电容的倍增系数Ａ1组成的时跟随器，起缓冲作用-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie第4章集成变换器及其应用２、可变电容倍增器iabOoiOiURRCjUUCjI)1()(其输入阻抗：)1(1oabiiieRRCjIUZ其等效电容为：)1(oabieRRCC调整电位器可改变电容容量-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie第4章集成变换器及其应用4.2U/I变换器和I/U变换器4.2.1接地负载的U/I变换器1、由两个运放构成的U/I变换器R５+-R１uiA１R2IiA２R４R３+-RLI2ILuouo1uo2A1为同相加法器A2为跟随器第4章集成变换器及其应用R５+-R１uiA１R2IiA２R４R３+-RLI2ILuouo1uo2LLoIRu2由电路可知21II4023RUURUUi则:LLiRIRRRURRRU433434同时:URRRUo1211则LL5L4313LL4211)())((RIRIRRRRRIRURRUio第4章集成变换器及其应用LL5L4313LL4211)())((RIRIRRRRRIRURRUio为了让IL和RL无关,必须使既:LL5LLL431321431421)()()()(RIRIRIRRRRRRURRRRRRi1)()(431321RRRRRR或)()(213431RRRRRR为简化分析取R3=R1,R4=R2则:i512LURRRI第4章集成变换器及其应用1、由一个运放构成的U/I变换器由电路可知21II201RUURUUi则:R3R4R5I1I2ILuLuOui2112RRURURUoi而LURRRU434OLURRRRRRRRIUL43L435LL//)(//)(第4章集成变换器及其应用R3R4R5I1I2ILuLuOui则:LLL43L435//)(//)(IRRRRRRRRUO由得UULL433L2152LL43435212212)(RIRRRIRRRRRIRRRRRRRRURRRi为了让IL和RL无关,必须使43343435212)(RRRRRRRRRRR第4章集成变换器及其应用则:iURRRI512L若取RRRRR54322/1RR则:iURI2L说明IL与Ui成正比,实现了线性变换第4章集成变换器及其应用4.2.2精密U/I变换器以XTR110为例XTR110可完成电压到电流的变换1、XTR110的性能特点第4章集成变换器及其应用2、XTR110的内部结构反馈端反馈电阻公共端调零量程调解量程控制基准电压输入4、5脚完成信号输入输出端基准调解12、15基准电路反馈、耦合（接一起）第4章集成变换器及其应用2.XTR110的内部结构图4-2-3XTR110的内部结构图第4章集成变换器及其应用图4-2-4XTR110的基本接法3.XTR110的基本接法第4章集成变换器及其应用第4章集成变换器及其应用•Figure1showsthebasicconnectionsrequiredfor0to10Vinputand4to20mAoutput.Otherinputvoltageandoutputcurrentrangesrequirechangesinconnectionsofpins3,4,5,9and10asshowninthetableofFigure1(P113表4-2-1).•ThecompletetransferfunctionoftheXTR110is:.APPLICATIONSINFORMATION第4章集成变换器及其应用TheinternalopampA1canbedamagedifitsnon-invertinginput(aninternalnode)ispulledmorethan0.5Vbelowcommon(0V).Thiscouldoccurifinputpins3,4or5weredrivenwithanopampwhoseoutputcouldswingnegativeunderabnormalconditions第4章集成变换器及其应用内部第二级负载接地的U-I转换器o9osIRIRUCC8500IIRUOO89O8sC101IIRRIRRI内部第一级运放为同相加法器2164211ieiiUUUUceee1IRIRU因为虚短:ce212164IRUUUieiiOe101IRe21O]2164[10RUUUIieii所以:第4章集成变换器及其应用输入范围/V输出范围/mA3脚4脚5脚9脚10脚0～100～202输入2222～104～202输入2220～104～2015、12输入22开路0～105～2515、12输入2220～50～2022输入221～54～2022输入220～54～2015、122输入2开路0～55～2515、122输入22表4-2-1输入/输出与引脚关系第4章集成变换器及其应用图4-2-50~10V输入，±200mA大电流输出变换电路4.XTR110的应用第4章集成变换器及其应用Forspansbeyond40mA,theinternal50Wresistor(R9)maybereplacedbyanexternalresistorconnectedbetweenpins13and16.Itsvaluecanbecalculatedasfollows:REXT=R9(SpanOLD/SpanNEW)第4章集成变换器及其应用第4章集成变换器及其应用上图中02eiiUU当VUi101时2164211ieiiUUUUVUi5.241041O8O8sC2IRIRRIeCee1RIRIUeO5002RI因为虚短:eO50025.2RI即:eO625RI其中:Re=(1562.5+402)//5K2K//5K=(10/7)K=1.43KIO625/1430=0.437A而Ui1=0时IO=0，故0~10V输入得到0~0.4A输出。可见，通过调节精密电位器RP2、RP3增大Re,总可使IO降低到400mA，电流方向向下;第4章集成变换器及其应用•为保证精度，避免源内阻的影响，输入经缓冲器A1进入XTR110的Ui1端，Ui2接地=0，接地的缓冲调零器A2使UR=0，这样当Ui1=0时IO=0。•因A3的U-=U+=0，故IR3=(VF-0)/20K=10V/20K=0.5mA，则UR4=0.5mA*2K=1V。据虚短，UR2=UR4=1V，IR2=1V/5Ω=0.2A，于是A4、R2构成0.2A的恒流源，电流方向向下，可将由XTR110组成的0～400mA电流源下拉200mA。•Iout=IO-IR2=0-0.2A=-200mA；•当Ui1＝10V时Iout=IO-IR2=0.4A-0.2A=200mA•为保证精度，R1、R2应选0.5W低温度系数金属膜电阻，VT1~VT3可选功率较大的MOS管。第4章集成变换器及其应用转移电导特性曲线第4章集成变换器及其应用由图可知fSO=Riv－可见输出电压与输入电流成比例。输出端的负载电流：SLfLfSLOO=iRRRRiRvi－此时该电路也可视为电流放大电路。若LR固定，则输出电流与输入电流成比例，电流-电压变换电路电流—电压变换电路：第4章集成变换器及其应用4.2.3精密I/U变换器以RCV420为例RCV420可完成电流到电压的变换1、RCV420的性能特点（1）4-20mA的电流输入，0-5V的电压输出（2）具有精密10V电压基准（3）具有±40V共模电压输入范围（4）总的变换误差小于0.1%（5）具有86dB的噪声干扰能力第4章集成变换器及其应用2、RCV420的内部结构包括精密集成运放/电阻网络/10V基准1、3脚完成信号输入公共抽头13脚:器件公共端5脚:基准参考端基准调整端噪声抑制端基准电路反馈基准电压输出变换电压输出变换电路反馈基准电压输入第4章集成变换器及其应用3、RCV420的基本接法第4章集成变换器及其应用输入端电压：Ui15、12脚节点处电压：Uc同时利用虚短性质则：25.1315.0INOIU第4章集成变换器及其应用4、RCV420的应用利用XTR101及RCV420可构成远距离测温系统首先利用XTR101将温度变化变换成4-20mA的电