1、1第六章第六章 信號轉換電路信號轉換電路從信息形態變化的觀點將各種轉換分為三種：從信息形態變化的觀點將各種轉換分為三種： 從自然界物理量到電量的轉換（傳感器）從自然界物理量到電量的轉換（傳感器） 電量之間的轉換電量之間的轉換1.從電量到物理量的轉換從電量到物理量的轉換信號轉換電路用途：信號轉換電路用途：將各類型的信號進行相互轉換，使具有不同輸將各類型的信號進行相互轉換，使具有不同輸入、輸出的器件可以聯用。入、輸出的器件可以聯用。23便攜式攝相機電子框圖便攜式攝相機電子框圖45第一節第一節 采樣保持電路電路采樣保持電路電路采樣保持電路具有采集某一瞬間的模擬輸入信采樣保持電路具有采集某一瞬間的模擬

2、輸入信號，根據需要保持并輸出采集的電壓數值的功能。號，根據需要保持并輸出采集的電壓數值的功能。采樣：采樣：電路的輸出跟蹤輸入模擬信號；電路的輸出跟蹤輸入模擬信號；保持：保持：電路輸出保持采樣結束時刻的瞬時模擬輸入信電路輸出保持采樣結束時刻的瞬時模擬輸入信號，直至下一次采樣狀態為止。號，直至下一次采樣狀態為止。6一、基本理論一、基本理論7采樣采樣: : 采集器必須與輸入信號相連接，且不影響輸入采集器必須與輸入信號相連接，且不影響輸入信號；采樣的信號是被采信號的信號；采樣的信號是被采信號的“拷貝拷貝”。保持：保持：能儲存信號（信號的存在是以能量來刻畫）能儲存信號（信號的存在是以能量來刻畫）能夠存儲

3、能量的元件：電感和電容能夠存儲能量的元件：電感和電容如何實現采樣和保持？u 通常電感體積大，價格高，在集成電路中制造較通常電感體積大，價格高，在集成電路中制造較困難，同時困難，同時, ,電流的信號也很難處理電流的信號也很難處理, ,故較少使用。故較少使用。u 通過分析，我們用一個開關和電容就可實現信號通過分析，我們用一個開關和電容就可實現信號的采樣和保持。的采樣和保持。8簡單的采樣保持電路簡單的采樣保持電路9如何實現采樣和保持？1 1、新的問題：信號如何保持住？、新的問題：信號如何保持住？要求信號能夠輸出且能保持住，電容不應形成放電要求信號能夠輸出且能保持住，電容不應形成放電回路。對電容的回路

4、。對電容的負載負載， 必須是高阻！必須是高阻！2 2、新的問題：如何可以不影響輸入信號？、新的問題：如何可以不影響輸入信號？放大器跟隨器可實現信號跟蹤而不影響輸入信號。放大器跟隨器可實現信號跟蹤而不影響輸入信號。10采樣保持電路的基本性質組成：采樣保持電路的基本性質組成：模擬開關模擬開關模擬信號存儲電容模擬信號存儲電容1. 輸入輸入/輸出緩沖放大器輸出緩沖放大器 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 輸入信號加跟隨器的作用？輸入信號加跟隨器的作用？減小負載影響，提高充電電流減小負載影響，提高充電電流。111 1、滿足采樣定理、滿足采樣定理2 2、精度和速度、精度和速度

5、為提高實際電路的精度和速度，可從為提高實際電路的精度和速度，可從元件元件和和電路電路兩方面著手解決。兩方面著手解決。對采樣保持電路的主要要求：對采樣保持電路的主要要求：12 f O fmin fmax a) F(f) b) E0 E1 E2 O fs 2fs f Fs(f) O fmin fmax fs- fmax fs+ fmax fs 2 fs f F(f)* Fs(f) fs+fminfs-fmin1、采樣定理：、采樣定理：maxmaxmax2fffffss輸入信號頻譜輸入信號頻譜采樣信號頻譜采樣信號頻譜c) S/H電路輸出信號頻譜電路輸出信號頻譜13 S Uc uo ui C - +

6、+ N1 - + + N2 2、元件性能的影響和要求：、元件性能的影響和要求：輸入輸出緩沖器輸入輸出緩沖器 ：提高負載能力和減小負載對信號提高負載能力和減小負載對信號源的影響；源的影響； 特別需注意的參數：特別需注意的參數：輸入偏置電流輸入偏置電流以及以及帶寬帶寬，上升速率上升速率和和最大輸出電流最大輸出電流等性能參數等性能參數。 S Uc uo ui C - + + N1 - + + N2 帶寬，上升速率和最大輸出帶寬，上升速率和最大輸出電流電流輸入偏置電流輸入偏置電流14電子開關：電子開關：開關的狀態受電壓的控制。開關的狀態受電壓的控制。在數據采集中在數據采集中, ,常用來控制信號的接通或

7、關斷常用來控制信號的接通或關斷模擬開關是構成采樣保持電路（模擬開關是構成采樣保持電路（S/H）、模數轉）、模數轉換器換器(D/A)、函數發生器、斬波放大器、開關電、函數發生器、斬波放大器、開關電源等的主要元件。源等的主要元件。二、模擬開關二、模擬開關15電子開關相對于機械開關：電子開關相對于機械開關：優點：優點：切換速率快、無抖動、耗電省、體積小、工切換速率快、無抖動、耗電省、體積小、工作可靠且容易控制等。作可靠且容易控制等。缺點：缺點：導通電阻較大，輸入電流容量有限，動態范導通電阻較大，輸入電流容量有限，動態范圍小等。因而集成模擬開關主要使用在高速圍小等。因而集成模擬開關主要使用在高速切換、

8、要求系統體積小的場合。切換、要求系統體積小的場合。 結型FET開關 MOSFET開關 雙極性結型晶體管開關（BJT）16理想開關及其理想開關及其I-VI-V特性特性開關開關SWSW的閉合或斷開由控制信號的閉合或斷開由控制信號C/OC/O決定：當決定：當SWSW閉合時，閉合時，無論電流多少，它的電壓為零；當開關斷開時，無論電無論電流多少，它的電壓為零；當開關斷開時，無論電壓是多少，它的電流為零。壓是多少，它的電流為零。17( (一一) )、雙極性結型晶體管（、雙極性結型晶體管（BJTBJT）開關：）開關：BJTBJT三個工作區域：三個工作區域：放大區（線性區）、截止區和飽和區（非線性區）；放大區

9、（線性區）、截止區和飽和區（非線性區）；當發射結和集電結都反向偏置時，當發射結和集電結都反向偏置時，BJTBJT截止；截止；當發射結正向偏置而集電結反向偏置，當發射結正向偏置而集電結反向偏置，BJTBJT工作在放大區；工作在放大區；當發射結和集電結都正向偏置時，當發射結和集電結都正向偏置時，BJTBJT飽和。飽和。雙極性結型晶體管又稱為晶體三極管或晶體管，因為其雙極性結型晶體管又稱為晶體三極管或晶體管，因為其工作過程中兩種載流子都參與導電，所以稱其為工作過程中兩種載流子都參與導電，所以稱其為雙極性雙極性。BJTBJT模擬開關用到的是模擬開關用到的是BJTBJT的非線性區的非線性區BJTBJT截

10、止時：集電極與發射極間漏電流很小，認為斷開；截止時：集電極與發射極間漏電流很小，認為斷開；BJTBJT飽和時：飽和時：集電極與發射極間壓降很小，認為短接；集電極與發射極間壓降很小，認為短接；18BJTBJT構成的模擬開關構成的模擬開關1 1：當控制信號當控制信號VcVc為正時，為正時，V V飽和導通，飽和導通，集電極和發射極間的電壓集電極和發射極間的電壓VceVce0，輸出與地短接，輸出與地短接，Vo 0；當控制信號當控制信號VcVc為負時，為負時，V V截止，所以截止，所以輸出信號跟隨輸入信號，輸出信號跟隨輸入信號，Vo Vi19BJTBJT構成的模擬開關構成的模擬開關2 2：當控制信號當控

11、制信號VcVc為負時，為負時，V V截止，電阻截止，電阻R R上沒有壓降，上沒有壓降，Vo 0；當控制信號當控制信號VcVc為正時，為正時，V V飽和導通，飽和導通，集電極和發射極間的電壓集電極和發射極間的電壓Vce0，所以輸出信號跟隨輸入信號，所以輸出信號跟隨輸入信號，Vo Vi20( (二二) )、場效應晶體管（、場效應晶體管（FETFET）模擬開關：）模擬開關：場效應晶體管也稱場效應晶體管也稱場效應管場效應管，它是利用電場來控制半導，它是利用電場來控制半導體載流子運動。體載流子運動。在場效應管中，參與導電的只有一種載流子，所以稱為在場效應管中，參與導電的只有一種載流子，所以稱為單極性晶體

12、管單極性晶體管。FET分類：分類：結型場效應晶體管（結型場效應晶體管（JFET）模擬開關和絕緣柵型場效應）模擬開關和絕緣柵型場效應管（管（IGFET），最常用的絕緣柵型場效應管是金屬），最常用的絕緣柵型場效應管是金屬-氧化氧化物物-半導體場效應管（半導體場效應管（MOSFET）與與BJTBJT相比相比優點：優點：場效應管不僅體積小、重量輕、壽命長，而且具有動態范場效應管不僅體積小、重量輕、壽命長，而且具有動態范圍大、熱穩定性好、制造工藝簡單和便于集成的優點。圍大、熱穩定性好、制造工藝簡單和便于集成的優點。FETFET非常小的導通電阻、非常大的截止電阻及具有高的通非常小的導通電阻、非常大的截止電

13、阻及具有高的通斷電阻比的特性，非常適合用來做模擬開關斷電阻比的特性，非常適合用來做模擬開關21JFETJFET開關開關-n-n溝道溝道截止導通 0pGSGSVvvA A、結型場效應晶體管（、結型場效應晶體管（JFETJFET）模擬開關：）模擬開關：22結型場效應管開關結型場效應管開關（JFETJFETN)N)假設輸入電壓的范圍為假設輸入電壓的范圍為V V2 2到到V V1 1, ,且且V V1 1VV2 2。右圖。右圖JFETJFET作為一串聯開關。作為一串聯開關。（1) 1) 如果如果VGS=0, VGS=0, JFETJFET導通導通; ;(2) (2) 如果如果VGV2-VP, VGV2

14、-VP, JFETJFET關閉。關閉。JFET JFET 模擬開關模擬開關由于源級電位的變化，VGS=0不易實現23 結型場效應管開關（結型場效應管開關（JFET-N)JFET-N)導通狀態，導通狀態，JFETJFET受二級管保護受二級管保護二極管反相偏置：二極管反相偏置：如果如果V VC C比輸入信號正的最大值比輸入信號正的最大值還大的時候，使還大的時候，使G G與與V VC C斷斷開，開，V VGSGS=0=0得到實現得到實現24例子：若輸入信號范圍例子：若輸入信號范圍為為-10VVi10V,-10VVi10V,且且Vp=6V. Vp=6V. 右圖開關的控制電壓右圖開關的控制電壓VcVc應

15、為多少？應為多少？（1) 1) 使使JFETJFET關閉：關閉：VGV2-VP, V2=-10VVGV2-VP, V2=-10VV VG G-10-6VP VGSVP 關閉關閉27結型場效應管開關（結型場效應管開關（JFET-P)JFET-P)分析右圖分析右圖P-P-溝道開溝道開關的工作原理關的工作原理, ,放大放大器輸出電壓器輸出電壓, , 開關開關的夾斷電壓小于的夾斷電壓小于4 4伏伏. . 控制電壓控制電壓VcVc的電壓的電壓選多少為宜選多少為宜? ?28B B、增強型、增強型MOSFETMOSFET開關（絕緣柵型）開關（絕緣柵型）MOSFETMOSFET是運用半導體表面的電場效應運行工

16、作的，是運用半導體表面的電場效應運行工作的，所以也稱為所以也稱為表面場效應器件表面場效應器件。MOSFETMOSFET與與JFETJFET相似也有柵極（相似也有柵極（G G）、源極（）、源極（S S）和漏）和漏極（極（D D），其），其源極和漏極是對稱的，可以互換源極和漏極是對稱的，可以互換。與。與JFETJFET不同的是不同的是MOSFETMOSFET還有一個從襯底引出的襯底極（還有一個從襯底引出的襯底極（B B）。）。MOSFETMOSFET模擬開關因其容易集成，成本低，而應用廣模擬開關因其容易集成，成本低，而應用廣泛泛MOSFETMOSFET根據導電溝道不同，分為根據導電溝道不同，分為N

17、 N溝道和溝道和P P溝道；溝道；MOSFETMOSFET根據柵源電壓根據柵源電壓V VGSGS=0V=0V時，導電溝道是否存在分時，導電溝道是否存在分為為增強型和耗盡型增強型和耗盡型。增強型增強型MOSFETMOSFET是是CMOSCMOS技術的基礎，所以比較常用技術的基礎，所以比較常用29N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET開關（絕緣柵型）開關（絕緣柵型） N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET基本上是一種左右對稱的拓基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在撲結構，它是在P P型半導體上生成一層型半導體上生成一層SiOSiO2 2 薄膜絕緣薄膜絕緣層，然后用光刻工藝

18、擴散兩個高摻雜的層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N N型區，從型區，從N N型型區引出電極，一個是區引出電極，一個是漏極漏極D D，一個是，一個是源極源極S S。在源極和。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極柵極G G。P P型半型半導體稱為導體稱為襯底襯底，用符號，用符號B B表示。表示。 控制原理：電容、感應電荷、漏極電流。控制原理：電容、感應電荷、漏極電流。30開啟電壓開啟電壓V VGS(th)GS(th)( (或或V VT T) )：開啟電壓是開啟電壓是MOSMOS增強型管的參數。增強型管的參數。V VGSGS小于小于V VGS(th)GS

19、(th)的絕對值的絕對值, , 場效應管不能導通。場效應管不能導通。N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET襯底襯底B B應處于最低電位才能正常工作應處于最低電位才能正常工作31N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET開關原理開關原理D B S G ui uo uc i b) S B D G ui uo uc i a) ui o Ron O ui 當當ui吸入電流時，吸入電流時，ui端為端為S S，uo為為D D；當當u uo o吸入電流時，吸入電流時，uo端為端為S S，ui為為D D；a)a)吸電流；吸電流；b b）拉電流）拉電流N N溝道溝道MOSFETMOSFET的

20、的Ron-ui特性特性R Ronon隨隨u ui i不同而變化不同而變化32P P溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET開關（絕緣柵型）開關（絕緣柵型）P P溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET襯底襯底B B接高電位才能正常工作接高電位才能正常工作VGS小于小于VT的絕對值的絕對值, , 場效應管不能導通。場效應管不能導通。33CMOSCMOS開關電路：開關電路：將一個將一個P P溝道、溝道、N N溝道的增強型溝道的增強型MOSFETMOSFET并聯構成并聯構成當當uGN=+E, uGP=-E，兩管均導通；，兩管均導通；當當uGP=+E, uGN=-E，兩管均截止；，兩管均截止；

21、兩管兩管R Ronon變化特性相反，變化特性相反，可以互補，等效電阻可以互補，等效電阻恒定恒定CMOSCMOS開關電路開關電路RonuiRonui特性特性34靜態特性：靜態特性：主要指開關導通和斷開時輸入端與輸主要指開關導通和斷開時輸入端與輸出端之間的電阻出端之間的電阻R Ronon和和R Roffoff, ,此外還有最大開關電此外還有最大開關電壓、最大開關電流和驅動功耗等。壓、最大開關電流和驅動功耗等。（三）、模擬開關的性能參數（三）、模擬開關的性能參數動態特性動態特性：開關動作延遲時間，包括開關導通延開關動作延遲時間，包括開關導通延遲時間遲時間T Tonon和開關截止延遲時間和開關截止延遲

22、時間T Toffoff, , 通常通常T TononTToffoff, , 理想模擬開關時理想模擬開關時T Tonon00，T Toffoff0035元件性能的影響和要求元件性能的影響和要求為了得到高質量的采樣保持電路，場效應模擬開關為了得到高質量的采樣保持電路，場效應模擬開關的速度應快，極間電容，夾斷電壓或開啟電壓，的速度應快，極間電容，夾斷電壓或開啟電壓，導通電阻和反向漏電流等參數都應小。導通電阻和反向漏電流等參數都應小。實際的場效應模擬開關模型實際的場效應模擬開關模型 1 1 當閉合時當閉合時, ,相當一個小電阻相當一個小電阻 ( (如如DG403, RDG403, RONON3030歐

23、姆歐姆) ) 2 2 當斷開時當斷開時, ,相當一個小的電容相當一個小的電容 ( (如如DG403;DG403;約約0.5PF)0.5PF) 3 3 當 斷 開 時當 斷 開 時 , , 還 存 在 一 定 量 的 泄 漏 電 流還 存 在 一 定 量 的 泄 漏 電 流(DG403;0.5NA) (DG403;Uc1。39采樣保持電路的性能參數采樣保持電路的性能參數捕捉時間：捕捉時間：從發出采樣指令的時刻起，直到輸出信號穩從發出采樣指令的時刻起，直到輸出信號穩定地跟蹤上輸入信號為止，所需的時間定義為捕捉時間定地跟蹤上輸入信號為止，所需的時間定義為捕捉時間. .關斷時間關斷時間: : 從發出保

24、從發出保持指令地時刻起，直持指令地時刻起，直到輸出信號穩定下來到輸出信號穩定下來為止，所需的時間定為止，所需的時間定義為關斷時間義為關斷時間捕捉時間長，電路的跟蹤特性差捕捉時間長，電路的跟蹤特性差;關斷時間長，電關斷時間長，電路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度。路的保持特性不好，它們限制了電路的工作速度。40總結總結從元件方面來看：從元件方面來看：提高精度的重要措施提高精度的重要措施是減小各種漏電流和偏是減小各種漏電流和偏置電流，選用介質吸附效應小的電容器，減置電流，選用介質吸附效應小的電容器，減小開關導通電阻等的影響。小開關導通電阻等的影響。a)a) 提高工作速度的措施提高工作速度的措施是提高開關速度，減小是提高開關速度，減小開關極間電容的影響，選用上升速率和輸出開關極間電容的影響，選用上升速率和輸出電流大的運算放大器。電流大的運算放大器。 41三、采用保持電路三、采用保持電路通過減小模擬開關漏電流對存儲電容的影響提高精度通過減小模擬開關漏電流對存儲電