集成电路的设计与应用.docx
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集成电路的设计与应用
第一章模拟类集成电路
第一节DC/DC变换器集成电路LT1073-12
的工作原理及应用
一.特点
1应用电路简单,外围元件少
2输入电压宽(1~30V)
3静态电流小(≤95μA)
二.应用领域
一切需要小体积直流电源的场合。
三.应用说明
LT1073是一种多用途微功耗DC/DC变换IC,仅需少量的外围元器件就可以组成应用电路,LT1073可以组成升压或降压DC/DC变换电路,但应用得比较广的是升压电路。
LT1073的内部结构如图1,它由212mV的基准电压源、比较器A1、误差放大器A2、振荡器OSC(19KHz)、驱动器等组成。
图1
其工作原理可由图2加以说明。
Q1在振荡器的控制下周期的导通与截止,当Q1导通时,电感L中有电流流过,储存能量;当Q1截止时,根据电磁感应定律,电感L中的自感电动势的方向是与电源E的方向相同的,L中储存的能量和电源同时经二极管D供给负载,同时对C充电,使C两端的的电压大于电源电压,达到了升压的目的。
在Q1导通或截止时,当由L提供的电流小于负载电流时,C再放电,使输出电压保持稳定。
另外,由SENSZ端检测输出的电压VOUT的大小,经R1和R2分压后送给A1与基准电压比较后控制Q1的导通及截止时间的占空比,保证输出电压的稳定。
图2
ILIM脚的使用:
LT1073的开关峰值电流是受ILIM端控制的,在输入电压为2.0V时其电流为800mA,若输入电压为4V时,则其电流将达到1.6A,超过了开关管允许的最大电流.因此,可以在VIN与ILIM之间接一个限流电阻,使开关电流受到限制,此电阻一般在50~200Ω之间选取。
误差放大器A2的应用:
在电池供电的仪表中,利用误差放大器可检测电池电压的变化情况,如图3所示。
因为误差放大器A2是集电极开路输出的,因此需要接上拉电阻R3,外接电阻R1和R2组成分压器完成对电池电压的取样工作,其分压值与片内的212mV基准电压进行比较,由AO端输出电池电压低的信号Vo。
当SET端的电压大于212mV时,Ao端输出高电平,否则输出低电平,此信号经逻辑电路即可判断出电池E的输出电压的具体情况设。
VLB为池电压低的阈值,在输出电压的转折点有:
(1)
整理得:
(2)
由式
(2)即可确定R1和R2的参数。
注意:
计算时先确定R1和R2中的某一个,参数要在KΩ级(为什么这样取值,同学们自己考虑),再计算另一个电阻的参数。
图3
四.典型应用
1.管脚排列的应用及定义见图4。
图 4
2.应用电路
LT1073的应用电路见图5和图6.
图5的电路是将1.5V升至12V的,电感L是储能元件,电容C是滤波元件,D是隔离二极管,注意,二极管一定要选用肖特基或快速二极管。
在电池电压为1.5V时,可输出16mA电流,当电压降至1.0V时,仍可输出5mA电流。
因电源电压小于2伏,所以LT1073-12的1脚直接接电源,电路中的元器件参数无需计算,是典型的应用电路。
图5
图6的电路是LT1073的另一应用电路。
本电路的输入电压为5V,输出也是+12V,C1是输入滤波电容,其余同图5。
由于电源电压较高,储能电感和滤波电容的值均较大,当电源电压降到4.5V时输出电流仍可达130mA。
由于输入电压大于2V,应在1脚至电源加限流电阻R1。
此处取值50Ω(同时注意功率)。
以防止开关管过流而损坏。
图6
第二节变压器耦合精密隔离放大器3656
的工作原理及应用
线性隔离放大器一般有两种:
变压器隔离线性放大器和光电隔离线性放大器,其目的是隔离被放大的模拟信号。
这里介绍变压器隔离线性放大器的3656工作原理、特点及应其用。
一特点
1.内设隔离电源,隔离测试电压大于8000V
2.漏电流小于0.5μA(120V/60Hz)
3.具有三端口隔离特性(输入、输出和电源相互隔离,不共地)
4.隔离抑制比,125dB
二应用领域
1.医疗器械
2.工业控制
3.信号变换及微弱信号放大
三应用说明
1.工作原理
图1是3656的工作原理方框图。
其中输入运放和输出运放已接成单位增益同相缓冲器的最简单形式。
如果需要也可接成具有增益的放大电路。
3656采用一个具有多个绕组的小型变压器进行信号和电源的隔离,由外接+15V供电的脉冲发生器作为放大器的电源,工作频率为750KHz。
脉冲发生器将+15V直流电源变成交流信号后通过绕组W1加到变压器的铁心上。
来自次级绕组W2、W3、W4、W5的电压经D1、D2、D3和D4整流和滤波后为输入和输出级提供两路正、负隔离电源。
输入级电源:
+V和-V,输入级电源由W2、W3、D1、D3和滤波电容C1,C2组成,电容已封在放大器内。
输出级电源:
V+和V-,输出级电源由W3、W5、D2、D4和外接滤波电容C3,C4(0.47uF)组成。
输入信号经调制后,由W6和W7藕合到两个相匹配的解调器D1和D2,两个解调器的特性完全一致,其输出阻抗为100KΩ。
一个解调器D1在输入级,另一个解调器D2在输出级。
两个解调器在10和11脚上输出相同的电压(相对于各自的公共端3和7)。
在输入级,放大器A1,调制器M和解调器D1三者接成负反馈回路。
6脚上的电压等于7脚上的输入信号电压。
因此11脚对17脚的电压等于10脚对3脚的电压,由于A2也接成单位增益,因此有15脚上的电压等于11脚上的电压,最终使15脚上的输出电压等于7脚上的输入电压。
而15脚和7脚之间是隔离的,无电流流过的,从而达到了输入和输出信号之间完全隔离的目的。
根据不同应用电路的要求,3656内部的A1和A2可以接成增益大于1的放大器,也可以通过外部隔离电源分别为A1和A2供电而不用内部的电源。
图 1
3656在设计应用中的注意事项:
1)两个解调器的输出阻抗为100K,使用时应注意阻抗的匹配,解调器的负载阻抗应不小于2M。
2)解调器的输出电压不应超过5V,否则易产生失真。
3)内部隔离电源的负载电流不应超过5mA,超过时应外接电容补偿,建议电容值应大于0.1uF/mA。
2.管脚排列及定义见图2。
1+V电源11输出解调器输出端
2调制器输入端12V-电源
3输入公共端13A2同相输入端
4–V电源14A2反相输入端
5平衡调节端15A2输出端
6A1反相输入端16V+电源
7A1同相输入端17输出公共端
8平衡调节端18空
9A1输出端19供电电源正极端
10输入解调器输出端20供电电源负极端
图2
3.典型应用
V/I转换器的工作原理如图3。
虚线框为放大器部分,工作电源独立,其作用是保证Vi=VA,T和24V源保证电路能提20mA电流。
由于放大器接成跟随器,所以有VA=Vi=1~5V。
因此:
图3
图4是应用3656设计的1~5V/4~20mA隔离转换器。
本电路由24V电源供电,通过7815输出15V电压为3656供电。
1~5V信号电压经100KΩ平衡电阻接到A1的同相输入端7脚,A1经调制器M,输入解调器D1与A1的反相输入端相连,组成单位增益电路。
输出级A2的输出端接三极管基极,集电极接24V电源,发射极经100KΩ平衡电阻反馈至A2的反相输入端14,输出解调器D2的输出信号送A2的同相端13,三极管的发射极同时经250Ω精密电阻接输出级公共端17,这样,由A2、三极管、250Ω采样电阻和RL构成了精密的V/I变换电路,当输入1~5V电压信号时,通过250Ω电阻就转换成4~20mA的三极管发射极电流。
其中来自24V电源的集电极电流IOUT将通过RL流回24V电源负端,实现了电流输出功能。
为保证转换精度,三极管应有足够大的β。
图4
思考题:
图5是光电耦合式线性隔离放大器,图中的光电耦合器O1和O2的特性完全一致,请同学们自己分析其工作原理。
图5
第三节精密低漂移4~20ma变送器XTR101
的工作原理及应用
一.特点
1.仪表放大器输入级
失调电压低:
≤30uV
电压漂移低:
≤0.75μV/℃
非线性误差小:
≤0.01%
2.两线制工作(信号和电源由两根线传输)
3.电源电压范围宽:
11.6~40V
4.工作温度范围:
-40℃~+85℃
二.应用领域
1.工业过程控制
2.电阻电桥输入
3.热电偶输入
4.热电阻输入
三.应用说明
1.工作原理
XTR101的简化工作原理图如图1。
A1和A2为仪用放大器,A3和Q组成可控电流源。
由虚地的概念得知,当传感器的信号e1和e2分别加在3脚和4脚上时,5脚与3脚等电位,6脚与4脚等电位。
故5脚和6脚两端即量程调节电阻RS两端的电压即为eIN=e2-e1,RS上的电流IS=eIN/RS,内部电路在设计时已保证:
在Is=0时,Io=2mA。
同时加上流出10脚和11脚各1mA的基准参考电流,使流出变送器的输出电流IL总计为4mA,这正是Ⅲ型仪表的标准低端输出。
当来自传感器的信号电压eIN加到3脚和4脚时,则有电流IS=eIN/Rs流过Q,在Q和A3等元件的控制下输出电流IL线性增加。
为使在传感器的最大输出量程时变送器能给出20mA的标准满量程电流信号,由公式
(1)
确定Rs,在满量程时,
,
,代入
(1)式即可求出Rs。
2.应用时的注意事项
1)因为Io是单向的从⑦脚流出,所以使用时应保证
≥
。
另外,为使在Rs=∞时,输出电流的上限不超过20mA,
必须保证小于1V。
2)10脚和11脚不论是否接电阻,都必须接到7脚上。
3脚和4脚接传感器的输出电压eIN,8脚脚接电源,7脚接输出,5脚和6脚接量程电阻Rs。
3)由于XTR101具有极低的失调电压(典型值为20μV),一般无需调零,若需要调零可按图2实现。
图1
图2
3.管脚排列及定义
XTR101的管脚排列见图3。
大部分引脚前面已做了介绍,在此说明未介绍的部分。
12脚和9脚是外接NPN型三极管的B和E,三极管的C通过一个电阻(约750Ω)接8脚,其目的是减轻XTR101的输出,一般不用。
13脚是带宽控制,一般不用。
图 3
4.典型应用
典型应用电路见图4。
此应用电路是用铂电阻Pt100作为温度传感器的温度变送器。
由于铂电阻是正温度系数的传感器,因此将其接在XTR101的4脚,零输入信号的平衡电阻R1接在XTR101的3脚。
10脚和11脚是1mA的恒流输出,适当的选择R1即可保证
≥
。
RS是量程电阻。
图 4
电路参数的计算:
例:
用XTR101设计一个温度变送器。
温度的测量范围为+25℃~+150℃,传感器选用Pt100,输出电流为4~20mA。
由电路原理图知,在此,我们需要计算电阻R1,RS和R2的阻值。
由铂电阻的特性得:
Pt100在0℃时为100Ω,在266℃时为200Ω,则其温度灵敏度为(简单计算):
10脚的1mA电流为Pt100供电,11脚的1mA电流为R1供电。
在25℃时:
此时为保证IL=4mA,则必须保证:
,
即1mAxR1=
∴R1=109.4Ω
在150℃时,
则满量程时:
由
(1)得:
在这里:
(III型表的标准),代入上式得RS=123.3Ω。
流经R2的电流为2mA,为保证XTR101工作在线性区,要求e1和e2端相对7脚的电压要高4~6V,取此值为5V,则R2为:
另外,图中D1为电源极性保护二极管,不可省去。
两个去藕电容C1和C2不可省去。
思考题:
以热电偶为温度传感器,以XTR101为核心设计一个温度变送器(只设计原理图,不考虑热电偶的冷端补偿)。
第四节电力线载波通信集成电路LM1893
的工作原理及应用
电力线载波通信技术可广泛应用于工业自动控制系统,电能管理系统,家用电器控制系统,及计算机终端接口等场合。
它利用现成的电力线路来传送数据,无需另外架设通讯线路或设施,也不占用现有的通讯的频率资源。
因此,特别适用于组建小型局域网和实现大楼内的自动控制。
高压电网电力线载波通信技术现在已很成熟,低压电网(0.4千伏)电力线载波通信技术目前还不是很好,LM1893就是用于低压电网的电力线载波通信的控制芯片。
一.LM1893的主要功能及特点
LM1893是国半公司生产的用于电力线载波通信的集成电路。
可完成串行数据的半双工通信,又有发送和接收数据的全部功能。
控制器与少量的外围元器件即可构成完整的电力线载波通信收发系统,并具有灵敏度高,抗干扰能力强的优点。
LM1893具有下列主要特点:
1.采用抗噪声的FSK调制技术
2.数据传输高达4.8KB
3.采用正弦波驱动以减少射频干扰
4.载波频率可在50KHz~300KHz之间选择
5.与TTL、CMOS电平兼容
6.适合现有各种电力线路
二.LM1893的内部结构及工作原理
LM1893的内部结构如图1。
LM1893由发送部分和接收部分构成,数据的发送部分由FSK调制器,电流控制振荡器,正弦波形成器,输出放大器和自动电平控制电路(ALC)构成。
接收部分由限幅放大器、锁相环信号解调器、低通滤波器、直流消除电路及噪声滤波电路等构成。
电路的工作状态由发送/接收端T/R信号控制。
当T/R为高电平时,电路处于发送状态,要发送的数据首先送入FSK调制器,产生开关控制电流,驱动电流控制振荡器使其产生±2.2%频偏的三角波,之后,经正弦波形成电路,形成已调制的正弦波信号,经输出放大器放大后输出到线路耦合电路送到电力线上。
由于电力线路上特别是低压电力线路上的负载情况比较复杂,由此引起信号电压的幅度超出额定电平时,由ALC电路控制放大器的输出幅度,使其保持在稳定的范围内。
当T/R为低电平时,发送电路禁止工作,接收电路正常工作。
经线路耦合电路送来的已调制的载波信号送入芯片,经限幅放大后,经锁相环电路解调出数据信号,再经滤波,比较整形,再滤波后输出解调后的数据信号。
图 1
三.引脚功能及技术参数
LM1893为双列直插式结构(DIP),有18个引脚,见图2。
图2
各引脚功能如下
1,2:
电流控制振荡器外接电容,此电容决定振荡器的振荡频率;
3:
锁相环外接电容;
4:
锁相环外接电阻;
此两元件决定锁相环的锁相频率,捕捉范围;
5:
发送/接收控制,为1时发送,为0时接收;
6:
外接保持电容,为直流消除电路提供合适电压,典型值为2.2V;
7:
ALC稳定控制,控制ALC电路的动态特性;
8:
外接提升三极管射极,用于提高发射功率,也可不接;
9:
外接提升三极管管基极,用于提高发射功率,也可不接;
10:
载波I/O口,载波信号的收发端;
11:
5.6V电压输出,用于TTL电平转换;
12:
数据输出,解调后的数据输出端;
13:
接积分电容,用于消除脉冲干扰;
14:
地;
15:
电源;
16:
限幅放大器滤波电容,抑制线路工频干扰;
17:
数据输入,被发送数据输入端;
18:
载波频率调节,调节电流控制振荡器的控制电流,从而调节载波频率。
LM1893的主要技术参数
名称
符号
最小值
典型值
最大值
单位
电源电压
Vcc
13
18
30
V
载波频率
Fo
50
150
300
KHz
调制频偏
3.7
4.4
5.2
接收灵敏度
S:
N
1.4
mV
功耗
Pw
1.66
W
结温
Tj
150
四.LM1893的应用
LM1893含有数据调制解调的全部功能,只需外接少量元器件,并设计出控制单元和线路耦合变压器,即可构成电力线载波通信系统,典型应用如图3。
图3
思考题:
在电力线载波通讯中,为什么高压动力电不会击穿通讯控制器。
第五节脉宽调制(PWM)集成电路SG3525
的工作原理及典型应用
SG3525是功能比较完美的PWM类集成电路,主要用于开关电源,亦可用于小型直流电机的调速系统中。
共有三个类型:
SG1525:
军品级(-55~+125℃)
SG2525:
工业级(-40~+85℃)
SG3525:
民品级(0~70℃)
一.主要特点
1.外围电路简单,使用方便
2.保护功能齐全
3.软启动特性
4.死区可调
二.应用领域
主要应用于开关电源电路,也可用于随动系统直流电机调速电路中。
三.工作原理及管脚意义
管脚排列及定义见图1,SG3525的功能框图2。
图1管脚排列及定义
图2SG3525的功能框图
1脚,反相输入;
2脚,为误差放大器的同相输入;
3脚,同步端,主要用于多个SG3525联用的同步;
4脚,振荡信号输出;
5脚,接定时电容CT;
6脚,接定时电阻RT,CT和RT决定输出信号的频率;
7脚,CT放电回路,在5、7之间可接一个电阻,决定死区的大小,也可直接接通,即无死区;见图3。
无死区时:
RT=2~150K
CT=0.001~0.1μF
有死区时:
R=0~500Ω
图3A图3B
其目的是防止两个输出管同时导通.
8脚,软启动控制,接软启动电容Css(8对地),Css由50μA恒流源充电,达到50%占空比的时间是
9脚,补偿用;
10脚,关闭输出(用于保护);
11脚,输出回路A;
12脚,GND;
13脚,A路和B路的公共端两路输出是相互错开的;
14脚,输出回路B;
15脚,工作电源8~35V,当Vi<7.5时,欠压锁定电路工作,芯片停止工作,系统无输出,Vi经过基准电压源后,一方面为内部提供工作电源,另一方面通过16脚对外提供一个5.1V,0~20mA的参考电源;
此芯片的每路(A路或B路)输出的占空比是0~50%当两路并联使用时可达0~100%。
16脚,参考电压输出。
四.SG3525的应用
SG3525主要是为驱动MOS管而设计的,当然也可以驱双极型管,在此,主要介绍应用系统的主回路。
1.驱动MOS管推挽电路,见图4。
图4
2.驱动MOS管的半桥电路,见图5。
图5
3.动双极型管推挽电路,见图6。
图6
4.驱动双极型管的半桥电路,见图7。
图7
5.并联使用,见图8。
图8
6.SG3525的应用(微型直流电极调速)
具体应用见图9,是一个微型直流电机PWM调速的应用实例。
说明:
R1,死区电阻;
RW1,直流电机的速度给定;
RW2,振荡电阻,用于调节PWM的频率;
C1,振荡电容;
C2,软启动电容;
C3,补偿电容。
图 9SG3525应用于微型直流电极调速
思考题:
SG3525集成电路为什么要加入死区控制电路。
第二章A/D类集成电路
第一节V/F转换器件的工作原理及应用(AD650)
(此种芯片不是新品,但很典型,因此作一介绍)
目前A/D转换技术得到了广泛的应用,在各种仪器、仪表及控制中均能见到。
但在某些要求数据远距离传输,精度要求高,资金有限的场合,采用一般的A/D转换技术就有许多不便,这时可使用V/F转换器件来代替A/D器件。
V/F器件的功能是把电压信号转变为频率信号。
有良好的精度、线性和积分输入特点。
此外它的应用电路简单,外围元件性能要求不高,对环境适应能力强,价格便宜。
因此在一些非快速A/D转换中,V/F器件比较受欢迎。
此类器件常用的有LM131,LM231,LM331,VFC32,AD650,AD651等,在此介绍AD650。
一.主要特点
1.最高输出频率:
1MHz
2.高可靠性
3.线性度高输出频率1MHz时,0.07%
4.CMOS和TTL电平兼容
5.单极性、双极性差分输入
二.电特性参数
1.输出频率:
0~1MHz
2.电源电压±VS:
标准:
±15V;范围:
±9~±18V
3.差分输入电压:
±10V
4.集电极开路输出
三.功能框图及引脚排列
见图1。
图1给出了A/D650的内部结构及引脚定义。
四.工作原理
1.工作原理
工作原理由图2说明。
由图2可见,当Vin≥0时,由A1、Rin、Ci组成的积分器对Vin积分,A1的输出电压线性下降,见图3。
A2是过零比较器,当A1的输出电压下降到零时,A2发生翻转,输出一个电平,触发单稳态触发器,使其进入暂态,同时开关S转向2。
由于设计芯片时,使Is>Vin/Rin,所以积分器开始反向积分,A1的输出电压开始上升,上升时间由单稳态触发器的暂态时间决定,即时间t2,t2时间结束后,S在单稳态触发器的控
图1
图2
制下又转向1,又开始正常积分。
A1的输出电压开始下降,重复上述过程。
由此即将电压信号Vin转换成周期变化的频率信号。
图 3
2.对输入信号的处理
由于输入信号的不同,AD650的输入电路有如下4种。
1.电流输入,见图4。
图 4
因是电流输入信号,积分电流也即是输入电流。
2.正电压输入,见图5.
图5
此时的积分电流为:
Ii=Vin/Rin
3.负电压输入,见图6。
图 6
4.正负电压输入,见图7。
图 7
当Vin为正负电压时,应设置偏置电压。
由4脚对-15V电源接一个1.24K电阻,形成0.5mA的电流,0.5mA的电流在10K电阻上形成一个5V的电压,即为偏置电压。
3.外围元件的选择
AD650的输出频率为:
(1)
要使AD650有最佳的线性度,占空比应取25%,即
为使DFS=25%,则有Iinmax=0.25mA。
1积分电阻Rin的选择
为使满度电压输入时,输出信号的占空比25%,满度输入的电流应为0.25mA。
所以有:
实际应用中,Rin一般选用温度系数较小的精密电阻。
2积分电容Ci的选择
由输出频率
(1)式知,积分电容与输出频率无关,在这里,积分电容影响积分器的输出幅度,一般由经验公式
(2)决定。
Ci=50μF/Fmax
(2)
3单稳态触发器定时电容Cos的选择
这个电容的大小决定单稳态触发器定时脉冲的宽度其,计算公式为:
(3)
考虑到满度时,输入电流为0.25mA,另外还要考虑PCB板约有15PF的寄生电容,所以Cos的实际计算公式为:
(4)
式中:
Fmax的单位为Hz。
五.典型应用
1.V/F转换的应用,见图8.
图8
2.F/V转换的应用,见图9。
图9
思考题:
用V/F器件替代A/D器件的原理是什么?
V/F器件如何和
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