測控電路信號轉(zhuǎn)換電路7.1模擬開關(guān)7.2采樣保持電路7.3電壓比較電路7.4電壓頻率轉(zhuǎn)換電路7.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路7.6模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路本章知識點口通過常用器件構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路的工作原理口以常用的集成轉(zhuǎn)換器件介紹其基本應(yīng)用

口轉(zhuǎn)換電路的性能參數(shù)或誤差源分析信號轉(zhuǎn)換電路》信號轉(zhuǎn)換電路口信號轉(zhuǎn)換電路用于將各類型的信號進行相互轉(zhuǎn)換，使具有不同輸入、輸出的器件與電路可以聯(lián)用。在進行信號轉(zhuǎn)換時，需要考慮以下兩個問題：①轉(zhuǎn)換電路應(yīng)具有所需特性；②要求信號轉(zhuǎn)換電路具有一定的輸入阻抗和輸出阻抗以與之相聯(lián)的器件或

電路阻抗匹配?！沸盘栟D(zhuǎn)換電路7.1

模擬開關(guān)7.1.1

模擬開關(guān)及其主要參數(shù)7.1.2增強型MOSFET

開關(guān)電路7.1.3模擬開關(guān)誤差源分析7.1.3集成模擬開關(guān)7.1.4模擬多路開關(guān)電路7.1

模擬開關(guān)口模擬開關(guān)是在電路中用于實現(xiàn)模擬信號通與斷的電子開關(guān)器件，它的作用類似于機械式轉(zhuǎn)換開關(guān)，信號電流從輸入端流到輸出端，其信號傳送方向可以

是雙向的.口模擬開關(guān)通常有三個端子：控制端C

、信號輸入端I及輸出端O。I/O可以互

換的為“雙向開關(guān)”?？诔Ｓ玫哪M開關(guān)元件包括二極管開關(guān)、雙極型晶體管開關(guān)、結(jié)型場效應(yīng)晶體管

(JFET)開關(guān)、MOS

型場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)等》

信號轉(zhuǎn)換電路7.1.1模擬開關(guān)及其主要參數(shù)口導通電阻R是指開關(guān)閉合時所呈現(xiàn)的電阻口截止電阻R。是指開關(guān)關(guān)斷時所呈現(xiàn)的電阻，它主要由于漏電所致；□電荷注入是指與構(gòu)成模擬開關(guān)的NMOS

和PMOS

管相伴的雜散電容引起的一

種電荷變化，是開關(guān)過程中模擬開關(guān)的寄生電容失配及其對輸出信號完整性

影響的函數(shù)；口延遲時間是指控制信號改變時對應(yīng)產(chǎn)生的輸出延遲時間，包括開關(guān)導通延遲

時間和開關(guān)截止延遲時間，由模擬開關(guān)的寄生電容所致。》

信號轉(zhuǎn)換電路7.1.2增強型MOSFET開關(guān)電路□N

溝道增強型MOSFET開關(guān)電路·N

溝道管導通的條件u?<uc-U·

缺點：Rn隨u;增大而增大信號轉(zhuǎn)換電路》1i7.1.2增強型MOSFET開關(guān)電路□CMO

S開關(guān)電路·

P溝道增強型MOSFET

的襯底接+E,外加柵極控制電壓與N溝道增強型MOSFET

相反，當控制電壓uGN=+E、UGP=-E時，二管均導通；當uG

n=-E、UGP=+E時，二管均截止。RonRon(P)Ron(N)信號轉(zhuǎn)換電路》Ron(C)olb)uj7.1.3模擬開關(guān)誤差源分析口實際的模擬開關(guān)存在導通電阻Ron、漏電流ILKG、

結(jié)電容CS、CDS

和CD

等多種誤差源，會影響其直流和交流性能?！?/p>

信號轉(zhuǎn)換電路口在開關(guān)導通狀態(tài)下，受導通電阻和漏電流的影響，漏電流流過Rn+Rg和

R的并聯(lián)等效電阻，輸出電壓為：口在開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下，漏電流流過負載電阻，產(chǎn)生一個電壓：u

。=ILKG×RL。a)

導通時

b)

關(guān)斷時圖7-4CMOS開關(guān)直流誤差等效電路1

、CMOS開關(guān)直流特性口開關(guān)的極點影響電路的帶寬，為了使帶寬最大化，開關(guān)應(yīng)具有低輸入電容、低輸出電容和低導通電阻。在關(guān)斷狀態(tài)下Cps會把輸入信號耦合至輸出端，

導致開關(guān)隔離性能劣化，關(guān)斷隔離度隨輸入頻率增大而下降。就此誤差源而2

、CMOS開關(guān)交流特性口在導通狀態(tài)下，該電路的傳遞函數(shù)為：言，解決方法是選擇Cps盡量小的開關(guān)。Uo》

信號轉(zhuǎn)換電路a)導通時b)關(guān)斷時2

、CMOS開關(guān)交流特性口構(gòu)成CMOS開關(guān)的P溝道和N溝道的柵漏分布電容的失配，形成所謂的等效柵漏電容CQ□CMOS

開關(guān)的控制端在開、關(guān)控制期間對柵漏極電容CQ

注入電荷，這將導致輸出電壓的階躍變化，其大小與CQ和負載電容CL有關(guān)。Uoa)電荷注入等效電路b)

對輸出的影響圖7-6電荷注入》信號轉(zhuǎn)換電路7.1.4集成模擬開關(guān)□C544、CD4066

均為單片集成CMOS

四模擬開關(guān)電路ouiV4|

+EUe

1DGIvsV?V?DG2-E信號轉(zhuǎn)換電路V?7.1.5模擬多路開關(guān)電路》

信號轉(zhuǎn)換電路7.2.1

基本原理7.2.2單片集成采樣保持電路7.2

采樣保持電路7.2.1

基本原理口采樣保持電路的基本組成：·

模擬開關(guān)·

模擬信號存儲電容·

緩沖放大器Tsb)

模擬信號采樣信號轉(zhuǎn)換電路a)S/H電路原理7.2.2單片集成采樣保持電路口采樣保持電路的主要性能指標·

捕捉時間TAc:

從發(fā)出采樣指令的時刻

起，到輸出值達到規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)

所需的時間。TAc大則跟蹤性能差?！?/p>

孔徑時間TA:

指從發(fā)出保持指令的時

刻起，到開關(guān)真正斷開所需的時間。TAp大則電路保持性能差?！?/p>

孔徑誤差：實際保持值與期望值存在的差

異?！?/p>

信號轉(zhuǎn)換電路TAT

厘保持

采樣保持實際輸出

希望輸出孔徑誤差7.3電壓比較電路7.3.1電平比較器7.3.2電壓比較器特性指標7.3.3

滯回比較電路7.3.4

窗口比較電路7.3.5多閾值比較器7.3電壓比較電路口閾值電壓：·

輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平所對應(yīng)的輸入電壓值，用UT

表示當u;=U時

：up-un=0輸出電壓翻轉(zhuǎn)□比較器分類·

單限比較器：只有一個閾值電壓

√若閾值電壓為0則稱為過零比較器·

滯回比較器電壓比較器是一種電壓-開關(guān)信號轉(zhuǎn)換器。》

信號轉(zhuǎn)換電路up=u,

un=UR當u,=UR時：

up-u?=UR-UR=0

輸出電壓翻轉(zhuǎn)閾值電壓：

UT=UR即u=Ur=U時，輸出電壓翻轉(zhuǎn)u;>UR

up-u?=u;-UR>0

u。=UoMu?<URup-U?=u;-UR<0u。=-UoM7.3.1電平比較器口單限比較器：運放處于開環(huán)狀態(tài)，沒有負反饋，

u、不能跟隨up變

化》7.3.1電平比較器口求和比較電路：閾值可變·

閾值電壓不僅與UR有關(guān)，而且與電阻R1與R2的比值有關(guān)，這給閾值電》

信號轉(zhuǎn)換電路壓的選擇帶來靈活性。當u,=U時：up-u?=0當u=U?時：up=07.3.1電平比較器口輸出鉗位：輸出所要求的邏輯電平·

雙向穩(wěn)壓管用于輸出鉗位信號轉(zhuǎn)換電路》7.3.1電平比較器口輸出鉗位：輸出所要求的邏輯電平·

雙向穩(wěn)壓管用于輸出鉗位·

二極管實現(xiàn)鉗位信號轉(zhuǎn)換電路》7.3.2

電壓比較器特性指標口響應(yīng)時間：反映了電壓比較器響應(yīng)的速率，定義在輸入加一階躍信號輸出完成輸出轉(zhuǎn)換的50%所需要的時間(tpD)口直流參數(shù)對門限電平的影響·

電壓比較器的失調(diào)電壓和偏置電流會使得輸入門限電平發(fā)生偏移△u=Uos+InRN-IpRp》信號轉(zhuǎn)換電路7.3.3滯回比較器口簡單比較器應(yīng)用中存在的問題·

輸出電壓轉(zhuǎn)換時間受運放的限制，使高頻脈沖的邊緣不夠陡峭·

抗干擾能力差。在比較門限處，輸出將產(chǎn)生多次跳變》

信號轉(zhuǎn)換電路7.3.3

滯回比較器口從電路的輸出端至運算放大器同相輸入端之間引入一個正反饋，構(gòu)成遲滯比較器a)

電路原理圖

b)

傳輸特性信號轉(zhuǎn)換電路》當u,=U時：up-u?=

0,輸出翻轉(zhuǎn)當u

。=-Uom時，閾值電壓為：當u。=UoM時

，兩個閾值a)

電路原理圖,Un=u;Un=u7.3.4

窗口比較器口雙閾值比較器信號轉(zhuǎn)換電路7.3.5

多閾值比較器信號轉(zhuǎn)換電路7.4.1

V/f轉(zhuǎn)換器7.4.2

f/V轉(zhuǎn)換器7.4

電壓頻率轉(zhuǎn)換電路

信號轉(zhuǎn)換電路7.4.1V/f轉(zhuǎn)換電路口定義：V/f(電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩

器(VCO)?？趹?yīng)用：在調(diào)頻(電壓調(diào)頻),鎖相和A/D

變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用?？谥笜耍侯~定工作頻率和動態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等》u;越高uc越快達到up電平，比較器翻轉(zhuǎn)越快7.4.1

V/f轉(zhuǎn)換電路》

信號轉(zhuǎn)換電路口積分復原型7.4.1

V/f轉(zhuǎn)換電路□電荷平衡型△Q?=it?△Q?=(I-i)to=△Q信號轉(zhuǎn)換電路》口集成f/V轉(zhuǎn)換器+U

o-R。Ca

u?R,c?》

信號轉(zhuǎn)換電路輸入比較器R一定時比較器2RI

RsS?RL8R?U?_R?5

u?SRSR觸發(fā)器V?7.4.2f/V

轉(zhuǎn)換電路U?U?QQ132□oS?7.5電壓電流轉(zhuǎn)換電路7.5.1電流/電壓轉(zhuǎn)換電路7.5.2電壓/電流轉(zhuǎn)換電路7.5.1

電流/電壓轉(zhuǎn)換電路口電流-電壓變換器(CVC)又稱為跨阻放大器(Transimpedance

Amplifiers,TIA)

用來將電流信號變換為成正比的電壓信號。·

可作為微電流測量裝置來測量漏電流；·在使用光敏電阻、光電池等恒電流傳感器的場合，是一個常見的光檢測

電路

；理想的V/I轉(zhuǎn)

換

：R,=0,R=0》

信號轉(zhuǎn)換電路7.5.1

電流/電壓轉(zhuǎn)換電路口反相輸入型：·

要求電流源i

的內(nèi)阻R,必須很大，

i

需遠大于運算放大器偏置電流，通常IB的數(shù)值應(yīng)比被測電流i,低1～2個數(shù)量級以上i=isu?≈-iR?=-isR?信號轉(zhuǎn)換電路》7.5.1

電流/電壓轉(zhuǎn)換電路口同相輸入型為減小運放偏置電流的誤差R?=R?//R?由于采用同相端輸入，電路中應(yīng)選用共模抑制比較高的運放信號轉(zhuǎn)換電路》7.5.1

電流/電壓轉(zhuǎn)換電路口對微弱電流的反相輸入型·

反饋電阻要選用高值電阻：如輸入電流為10nA

、轉(zhuǎn)換為1V電壓時，RF=100MQ,如此大的電阻很難滿足對其穩(wěn)定性和高精度的要求?！啡?=1MQ,R?=1kΩ,R?=99kΩ,就可近似于R,=100MS

的效果?！?/p>

解決辦法：T形網(wǎng)絡(luò)電路替換反饋電阻信號轉(zhuǎn)換電路7.5.2電壓/電流轉(zhuǎn)換電路□V/I轉(zhuǎn)換器的作用是將電壓轉(zhuǎn)換為電流信號，它不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系，而且要求輸出電流隨負載電阻變化所引起的變化量不超過允許范圍，即轉(zhuǎn)換器具有恒流性能?！?/p>