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1、2018年10月18日星期四,1,1 阻抗变换器,2 U/I变换器和I/U变换器,3 U/F变换器和F/U变换器,4 精密T/I和T/U变换器,5 D/A转换器,6 A/D转换器,集成变换器及其应用,2018年10月18日星期四,2,1.1 负阻抗变换器,1.2 阻抗模拟变换器,1.3 模拟电感器,1.4 电容倍增器,4.1 阻抗变换器,2018年10月18日星期四,3,第4章 集成变换器及其应用,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
2、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,2018年10月18日星期四,4,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,2018年10月18日星期四,5,由上式可知，从阻抗Z变
3、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。,2018年10月18日星期四,6,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,2018年10月18日星期四,7,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
4、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。,2018年10月18日星期四,8,1. 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。,2018年10月18日星期四,9,2.模拟对地电感,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
5、，即可线性调节电容量的大小。,其等效阻抗为,2018年10月18日星期四,10,3.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。,2018年10月18日星期四,11,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,2018年10月18日星期四,12,所以，等效输入阻抗为,当 Af 1 时，输入阻抗可近似为,其中等效电感
6、值为,图4-1-3 密勒积分式模拟电感器,2018年10月18日星期四,13,1.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,2018年10月18日星期四,14,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,2018年10月18日星期四,15,2.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,2018年10月18日星期四,16,可见，该电路输入端等效
7、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,2018年10月18日星期四,17,4.2.2 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,4.2 U/I变换器和I/U变换器,2018年10月18日星期四,18,4.2 U/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 = RL IL ,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,20
8、18年10月18日星期四,19,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。,2018年10月18日星期四,20,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,2018年10月18日星期四,21,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,2018年10月18日星期四,22,代入上式得,整理得,要使IL与RL无
9、关，必须使,将,2018年10月18日星期四,23,由,若选取,则得,整理得,解得,2018年10月18日星期四,24,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14 bit 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。,2018年10月18日星期四,25,2.XTR110的内部结构,图4-2-3 XTR110的内部结构图,2018年
10、10月18日星期四,26,图4-2-4 XTR110的基本接法,3.XTR110的基本接法,2018年10月18日星期四,27,表4-2-1 输入/输出与引脚关系,2018年10月18日星期四,28,图4-2-5 010V输入，200mA大电流输出变换电路,4.XTR110的应用,2018年10月18日星期四,29,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
11、能力。,4.2.3 精密I/U变换器,2018年10月18日星期四,30,2.RCV420的内部结构,图4-2-7 RCV420的内部结构图,2018年10月18日星期四,31,3.RCV420的基本接法,图4-2-8 RVC420的基本接法,2018年10月18日星期四,32,4.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,2018年10月18日星期四,33,4.3.1 VFC100同步型U/F、F/U变换器,4.3.2 LMx31系列U/F、
12、F/U变换器,4.3 U/F变换器和F/U变换器,2018年10月18日星期四,34,4.3 U/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。,4.3.1 VFC100同步型U/F、F/U变换器,2018年10月18日星期四,35,图4-3-1 VFC100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
13、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。,2018年10月18日星期四,36,11脚：f0 ，U/F变换频率输出端。,图4-3-1 VFC100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。,2018年10月18日星期四,37,2. 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
14、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 。,2018年10月18日星期四,38,图4-3-2 VFC100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,2018年10月18日星期四,39,图4-3-3 U/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。,2018年10月18日星期四,40,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
15、模拟电压为-5+5V，输出频率为0500kHz。,2018年10月18日星期四,41,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。,2018年10月18日星期四,42,5.F/U变换模式,图4-3-6 VFC100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。,2018年10月18日星期四,43,图4-3-7 VFC100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,2018年10月18日星期四,
16、44,4.3.2 LMX31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。,2018年10月18日星期四,45,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。,
