模拟系统设计汇编

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1、6.1 模拟系统设计方法 6.2 模拟信号常用处理单元集成运放 6.3 模拟信号变换单元 6.4 A/D、D/A转换器和取样/保持（S/H） 电路 6.5 常用传感器及其应用电路 6.6 低频模拟系统设计举例 6 模拟系统设计 6.1.1 6.1.1 概述概述 6.1.2 6.1.2 模拟系统的设计方法和步骤模拟系统的设计方法和步骤 6.1 模拟系统设计方法 模拟电子系统设计特点：模拟电子系统设计特点： 模拟领域中单元电路的类型多，要求设计者具模拟领域中单元电路的类型多，要求设计者具 有较宽的知识。传感器电路、电源电路、放大电路、音有较宽的知识。传感器电路、电源电路、放大电路、音 响电路、视频

2、电路、通信电路（调制、解调、振荡）、响电路、视频电路、通信电路（调制、解调、振荡）、 执行部件电力；执行部件电力； 工作于线性状态。工作点选择、工作点稳定性工作于线性状态。工作点选择、工作点稳定性 、运行范围的线性、耦合形式等很重要；、运行范围的线性、耦合形式等很重要； 输入单元与信号源之间的匹配（提高信噪比、输入单元与信号源之间的匹配（提高信噪比、 不反射）及输出单元与负载之间的匹配（输出最大功率不反射）及输出单元与负载之间的匹配（输出最大功率 、提高效率）。、提高效率）。 调试工作难；布线、连线、接地、供电、去耦调试工作难；布线、连线、接地、供电、去耦 等。等。 模拟电子系统设计自动技术进

3、展缓慢。模拟电子系统设计自动技术进展缓慢。 6.1.1 概述 （1 1）任务分析、方案比较、确定总体方案）任务分析、方案比较、确定总体方案 器件：分立、集成、器件：分立、集成、ASICASIC 功能、性能、体积、功耗、成本功能、性能、体积、功耗、成本 （2 2）划分各个相对独立的功能块，得出总）划分各个相对独立的功能块，得出总 体的原理框图体的原理框图 根据系统的功能、总体指标、按信号输入到输出的根据系统的功能、总体指标、按信号输入到输出的 流向划分各个独立的功能方框。得到初步总体原理框流向划分各个独立的功能方框。得到初步总体原理框 图，在图上标明各级的功能和主要指标。图，在图上标明各级的功能

4、和主要指标。 如如: : 音响系统：前置放大（匹配、频率均衡）、音调音响系统：前置放大（匹配、频率均衡）、音调 控制放大（音调调节）、功放等；控制放大（音调调节）、功放等； 数据采集系统：输入放大、滤波、取样数据采集系统：输入放大、滤波、取样/ /保持、多路保持、多路 模拟开关、模拟开关、A/DA/D等。等。 6.1.2 模拟系统的设计方法和步骤 （3 3）以集成块为中心，完成各功能单元配）以集成块为中心，完成各功能单元配 置的外电路设计置的外电路设计 根据各单元的功能和指标，首先选用合适的集成电根据各单元的功能和指标，首先选用合适的集成电 路，然后计算其外参数。路，然后计算其外参数。 输入输

5、出单元的匹配设计。输入输出单元的匹配设计。 （4 4）单元之间的耦合及整体电路的配合）单元之间的耦合及整体电路的配合 得到整体系统电原理图得到整体系统电原理图 单元间的耦合：直接耦合时工作点的影响、后级输单元间的耦合：直接耦合时工作点的影响、后级输 入阻抗的影响等；入阻抗的影响等； 系统整体的配合：加负反馈、加校正网络、加电源系统整体的配合：加负反馈、加校正网络、加电源 滤波等；滤波等； （5 5）根据第三、四步得到的结果，重新核）根据第三、四步得到的结果，重新核 算系统的主要技术指标算系统的主要技术指标 留取一定的裕量。留取一定的裕量。 （6 6）画出系统元器件的布置图和印刷电路）画出系统元

6、器件的布置图和印刷电路 板的布线图，并考虑好测试方案，设置测试板的布线图，并考虑好测试方案，设置测试 点点 布线、抗干扰。布线、抗干扰。 数字系统与模拟系统的主要区别数字系统与模拟系统的主要区别: : 模拟系统自动化设计工具少。器件种类多、实际模拟系统自动化设计工具少。器件种类多、实际 因素影响大、人工设计成份多、对设计者的知识面和经验因素影响大、人工设计成份多、对设计者的知识面和经验 要求高；要求高； 客观环境影响。对于模拟电路而言，小信号、高客观环境影响。对于模拟电路而言，小信号、高 精度电路、高频、高速电路、微波等，不可能单由理论设精度电路、高频、高速电路、微波等，不可能单由理论设 计解

7、决。（印制板、屏蔽、抗干扰等）计解决。（印制板、屏蔽、抗干扰等） 6.2 模拟信号常用处理单元 集成运放 6.2.1集成运放应用设计基础 6.2.2 数据放大器和可编程数据放大器 6.2.3 隔离放大器 6.2.1 集成运放应用设计基础 （1）种类 通用型： 性能指标适合一般使用，常用于速度和 精度要求均不太高的场合。如： A741：通用单运放，双电源供电（5V18V），典 型值为15V； CF124/CF224/CF324：四运放，军品/工业品/民品， CF324既可双电源供电（1.5V16V），也可单电源 供电（3V32V） 高速型： 有较高工作速度，摆率SR较大。如： F118/F218

8、：摆率SR可达70V/S。 低温漂高精度型：低温漂高精度型： 输入失调电压及其温漂输入失调电压及其温漂 、输入失调电流及其温漂都很小，因而精度很高、输入失调电流及其温漂都很小，因而精度很高 。如：。如： OP-07OP-07：工作速度比工作速度比A741A741低，常用于积分、低，常用于积分、 精密加法、比较、检波和弱信号精密放大等，如精密加法、比较、检波和弱信号精密放大等，如 传感器输出信号等。双电源供电。传感器输出信号等。双电源供电。 高输入阻抗型：输入阻抗很高。如：高输入阻抗型：输入阻抗很高。如： CF355/CF356/CF357CF355/CF356/CF357：输入阻抗约为输入阻抗

9、约为101012 12 ， 有较高工作速度，如摆率有较高工作速度，如摆率SRSR分别为分别为5V/S5V/S、 12V/S 12V/S 、50V/S 50V/S 。双电源供电。对应工业品为双电源供电。对应工业品为 CF255/CF256/CF257CF255/CF256/CF257，军品为军品为 CF155/CF156/CF157CF155/CF156/CF157。 （2）集成运放的四个重要参数 集成运放的性能参数包括：输入输出电阻 、差模增益、输入失调电压、输入失调电流 等。 增益带宽乘积GBW GBW=AvdfH 其中：Avd是中频开环差模增益，fH为上限 截止频率（3dB带宽）。 对于运

10、放而言，GBW是常数。 摆率 摆率SR是表示运放所允许的输出电压对时间变 化率的最大值： 若输入一正弦信号vi=Vimsint ，则输出为 vo=Vomsint： 共模抑制比CMRR 表示对共模信号的抑制能力。定义为开环差 模增益Avd和开环差模增益Avc之比： 最大差模输入电压VidM和最大共模输入电 压VicM 任何情况下，不能超过此值，否则将损坏器件 。 （3）集成运放使用要点 基本应用 反相输入比例运算电路 同相输入比例运算电路 反相输入比例求和电路 差动放大电路 基本积分电路 单电源应用 集成运放电路一般双电源供电。在交流放大器中，输入输出可 加隔直流电容，为供电方便，也可单电源供电

11、。 （1）数据放大器 又称仪表放大器、测量放大器 。特点：高增 益、高CMRR、高精度（失调、漂移等很小）、 高速（频带宽、摆率大）。 用途：数据采集系统。 6.2.2 数据放大器和可编程数据放大器 用三运放构成测量放大器 图为三运放构成的数据放大电路。 单片集成测量放大器 通用型：INA110、INA114/115、INA131等； 高精度型：AD522、AD524、AD624等； 低噪声低功耗型：INA102、INA103等。 下图给出高精度型单片测量放大器AD522： 引脚说明如下： 1、3：信号同相及反相输入端； 2、14：接增益调节电阻RG； 7：放大器输出端； 8、5、9：分别为V

12、+、V-及地端； 4、6：接调零电位器； 11：参考电位端； 12：用于检测； 13：接输入信号的屏蔽网，以减小外电场的干扰； AD522电桥放大电路如上图。 几点说明： 信号地必须与电源地9脚相连； 负载接于11脚与7脚之间； 11脚必须与9脚相连，以使负载电流流至 地端。 （2）可编程数据放大器 放大器的放大倍数可由一组数据控制端来控 制，以满足大动态范围的要求。 如AD526、PGA102、BB3606等。 下图是三运放基础上发展起来的可编程数据放 大器BB3606。 表给出可编程数据放大器的数据输入和增益关 系。 几点说明： A1、A2 、A3组成三运 放数据放大器。 A4是末级放大

13、，两者通过3脚 和8脚相连； D3、D2 、D1、D0是模 拟开关，受四位 锁存译码与驱动 器控制，共有16 种状态； 放大器的 放大倍数以2的 幂次分档； 输入输出之间没有直接耦合的电路，即输入输 出不共地。 使用场合：医用（确保病人安全）、仪用（提 高精度）、工业用（强弱电隔离等）。 隔离方式：光电耦合隔离。特点：重量轻、成 本低、线性范围宽、带宽宽。变压器隔离。 下图给出TLP521-1/2/4（用于数字信号隔离） 及HCNR200/201（用于模拟信号隔离）引脚图及 实际应用图。 6.2.3 隔离放大器 几点说明： IPD1和IPD2是两个 特性相同的光耦合器件； 输入信号经A1、 I

14、PD2、A2输出； IPD1的输出信号反 馈到运放A1的反相端组成 非线性负反馈电路，以补 偿IPD2的非线性特性。 A1 A2 IPD1 IPD2 6.3 模拟信号变换单元 6.3.1 6.3.1 集成电压比较器集成电压比较器 6.3.2 6.3.2 多路模拟开关多路模拟开关 6.3.3 6.3.3 跨导型放大器（电压跨导型放大器（电压/ /电流转换器电流转换器 ） 6.3.46.3.4、V/FV/F转换器和转换器和F/VF/V转换器转换器 6.3.1 集成电压比较器 电压比较器：完成两个电平大小的比较，并 将结果以逻辑1（高电平）或逻辑0（低电平） 输出的电路。 高精度通用型：CJ111等

15、； 高速型：CJ119系列（双电压比较器） 低功耗低失调：CJ193系列（双电压比较器 ） CJ139系列（四电压比较器） 电压比较器需注意OC输出，使用非常简单 。 下图电路是由CJ111构成的过零比较电路。 几点说明： 输出为集电极开路电路； 电位器W用于调零，电容C用于防止振荡，典型值 为1000pF； 电阻R1和D1、D2构成比较器的输入端保护电路； 6.3.2 多路模拟开关 多路模拟开关常用于测控系统中模拟信号通 道的选择。 常用的CMOS多路模拟开关： 四1对1双向开关 CC4066； 三2对1单向开关 CC4053； 双4对1单向开关 CC4052； 单8对1双向开关 CC405

16、1； 单16对1双向开关 CC4067； 图是CC4051逻辑图、引脚图和真值表。 6.3.3 跨导型放大器 （电压/电流转换器） 远距离传送信号时，将电压信号转为电流信号传送， 抗干扰、提高精度。 （1）基本电压/电流变换电路 图给出基本电压电流变换 电路。 特点： 负载RL不能直接接地，RL处 于浮地状态； 待变换的输入电压VI受到 最大共模输入电压的限制； （2）允许负载接地的电压/电流变换电路 下图给出允许负载接地的电压电流变换电路。 A1：同相放大器； A2：电压跟随器。 特点： 允许负载接地； 当运放为双电源供 电时，随VI极性的正、负 可提供双向电流输出。 （3）跨导可数控的电压/电流变换电路 采用双向模拟开关和相应的电阻R0R7代替原电路中的 RO，即构成了跨导可数控