卓越 模拟集成电路及应用Z 实践教学大纲 模板.docx

1、卓越 模拟集成电路及应用Z 实践教学大纲 模板模拟集成电路及应用Z课程实践教学大纲 （Analog Integrated Circuits and Applications Z）课程编号：0806030330201课程类别：非独立开设实验课程 学时：48（总学时48 实验学时16） 学分：3适用对象：电子信息工程专业“卓越计划” 先修课程：电路原理A，模拟电子技术A，数字电子技术A，电力电子技术B，高频电路，电子电路设计与仿真，电子技术综合设计实验，电子测量一、课程的性质与任务本课程是专业课平台选修课，着重介绍模拟集成电路的基本结构和基本原理。其任务是使学生从应用的角度出发，学习模拟集成电路基

2、本知识，了解集成电路的工作原理，掌握其基本理论和应用理论，建立集成电路应用与设计的整体概念，熟悉模拟集成电路构成的应用电路和分析方法，充分发挥和开发模拟集成电路的各种功能，从理论和实践的结合上掌握模拟集成电路应用电路的设计方法。二、教学的目的与要求本课程的教学目的在于培养学生掌握模拟集成电路分析、设计和应用的能力。要求掌握通用模拟集成电路基础知识，传感器检测电路，信号产生及变换电路，模拟乘法器电路，开关电源电路、DC-DC电路，恒流源电路的分析、设计和应用。三、考核方式及办法：本课程为考试课。考试方式和要求：1. 要求学生在每一章课程教学内容完成时，完成相应的作业。2. 要求学生完成实验/实践

3、环节所要求的电路设计与制作，提供电路设计与制作的实验报告。3. 课程结束后，要求学生进行闭卷理论考试。4. 课程结束后，要求学生独立完成一个电子电路综合应用电路设计和制作。4. 平时作业、电路设计与制作的实验报告的成绩占总成绩50%，独立完成设计制作和理论考试的成绩占总成绩50%。四、实验项目名称与学时分配：模拟集成电路及应用Z课程实践教学安排一览表序号实验项目名称学时分配必开或选开实验类型分组人数1传感器应用电路设计4必开设计制作12信号调理电路设计2必开设计制作13放大器电路设计4必开设计制作14信号变换与产生电路设计2必开设计制作15电源电路设计4必开设计制作1五、实验项目的具体内容：实

4、验一 传感器应用电路实验1 本次实验的目的和要求 集成的传感器电路是电子系统的前端电路，完成各种物理量到电量的转换，是电子系统的“五官”。本次实验的目的和要求基于SHTxx温湿度传感器应用电路设计和制作，超声波传感器应用电路设计与制作。2 实践内容或原理（1）基于SHTxx温湿度传感器应用电路设计和制作SHTxx 系列产品是sensirion公司生产的一款高度集成的温湿度传感器芯片，包含有SHT10/SHT11/SHT15，提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens技术，具有很好的可靠性与长期的稳定性，采用2.45.5V电源电压，测量时功耗为3mW。SHTxx温湿度传感器芯片温度分辨率为

5、0.040.01C（8、12、12bit），SHT10的精度为0.5C，SHT11的精度为0.4C，SHT15的精度为0.3C，重复性为0.1C，测量范围为-40123.8C（-40254.9F）。SHTxx温湿度传感器芯片的封装形式如图4.3.1（注：为方便学生和教师学习和教学，所采用的图号与教材（讲义）统一，以下同）所示，在PCB上的安装形式如图4.3.2所示，引脚端功能如下：引脚端1，GND ，接地；Ground引脚端2，DATA，串行数据线（双向）；引脚端3，SCK，串行时钟，仅输入；引脚端4，VDD，电源电压；NC，空脚，不连接。图4.3.1 SHTxx温湿度传感器芯片的封装形式图4

6、.3.2 SHTxx温湿度传感器芯片在PCB上的安装形式SHTxx温湿度传感器与微控制器的连接形式如图4.3.3所示，时序图如图4.3.4所示，时序参数如表4.3.1所示。图4.3.3 SHTxx温湿度传感器与微控制器的连接形式图4.3.4 SHTxx温湿度传感器时序图SHT10温湿度传感器模块电路原理图与PCB图如图4.3.5所示，模块由传感器和接口电路组成。（a）SHT10温湿度传感器模块电路原理图 （b）PCB图 （c）元器件布局图图4.3.5 SHT10温湿度传感器模块电路原理图与PCB图（2）超声波传感器应用电路设计与制作 T/R-40-XX系列超声波传感器分为发射和接收两种，发射器

7、型号为T-40-XX，接收器型号为R-40-XX。T/R-40-XX系列超声波传感器的振子是用压电陶瓷制成，是利用压电效应工作的传感器，加上振喇叭可提高动作灵敏度，当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处于接收状态时，又能很灵敏的探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能。适用于以空气作为传播媒介的遥控发射、接收电路中使用。T/R-40-XX系列超声波传感器的外形及电路符号如图1.6.1所示，主要技术参数如表1.6.1所列。表1.6.1 T/ R-40-XX系列超声传感器主要技术参数在实际应用中，分主要用于遥控及报警电路的直射型，主要用于测距、料位测量等电路的

8、分离反射型，和主要用于材料的探伤、测厚等电路反射型。图1.6.1 T/R-40-XX系列超声波发射接收传感器的外形及电路符号超声波发射与接收模块电路原理图和PCB如图4.2.4所示。超声波发射与接收模块电路主要由超声波发射部分和超声波接收部分组成。发射部分包括40KHz的方波产生和输出电路，接收部分包括接收信号的放大电路与比较电路。采用微控制器（如51单片机）的定时器0产生40kHz占空比50%的方波驱动超声波发射电路发射超声波。微控制器（如51单片机）产生的方波输入CD4049的3脚，在经CD4049处理后由CD4049的6，10脚和12，15脚输出（采用两个门电路并联输出形式），为了滤除输

9、出信号中的直流信号，在CD4049的6，10脚和12，15脚的输出端分别串联一个0.22F的电容，最后通过超声波发射传感器将信号发射出去。通过微控制器（如51单片机）定时器1定时计算超声波发射到接收需要的时间t，从而得出距离s计算公式： （4.2.1）因为时间是超声波在障碍物与发射头来返时间，所以要除以2，v是声速，按照现场的温度来取值，一般室内取340m/s。超声波接收传感器接收超声波信号，超声波接收传感器的一端接地，另一端器经过一个0.22F电容隔直后连接阻R4（10k电），再通过R4连接到运算放大器NE5532的一个放大器的反相输入端2脚，NE5532 3脚所需的参考电压由R3、R5分压

10、VCC得到一个2.5V的电压。的电阻R6（1M）和电容C9（30pF）并联在第一级放大器的输出端和反相输入端，构成一个负反馈；经NE5532的第一级放大后的交流信号电压由1脚输出，1脚输出信号连接到NE5532第二级放大器的反相输入端6脚，采用相同电路结构进行第二级放大，放大后的超声波信号由NE5532的7脚输出。NE5532的7脚输出信号输入到LM311电压比较器的2脚，LM311的3脚为参考电压端，当输入信号低于参考电压的时候，LM311输出低电平，当输入信号高于参考电压的时候，输出高电平，从而将输入信号调整为高低电平输出。在电路中，LM311的3脚参考端电压通过短接帽可以有多种不同的电压

11、选择，从而可以设置不同的测距模式，一般情况下距离越远对应的参考电压越小；将调整后的超声波信号通过7脚输出到微控制器（如51单片机）的外部中断引脚，当有信号输入的时候便进入中断模式。（a）超声波发射电路（b）超声波接收电路（c）顶层元件布局图（d）底层PCB图（e）顶层PCB图图4.2.4 超声波发射与接收模块电路和PCB3 需用的仪器、试剂或材料等 制作实验电路所需电子元器件和PCB； PCB设计软件； 教材全国大学生电子设计竞赛 电路设计黄智伟主编， 北京航空航天出版社，2011年；教材全国大学生电子设计竞赛 常用电路模块制作黄智伟主编， 北京航空航天出版社，2011年。4 实践步骤或环节

12、按照图4.3.5所示电路，制作SHT10温湿度传感器模块电路； 分析SHT10温湿度传感器模块电路的电路功能和特性，并测试其参数； 按照图4.2.4所示电路，制作超声波发射与接收模块电路 分析超声波发射与接收模块电路的电路功能和特性，并测试其参数。5 教学方式 教师讲解本次实验的目的和要求，实践内容或原理，需用的仪器、试剂或材料等，实践步骤或环节，教学方式，考核要求，实践教学报告要求，以及实验过程中应该注意的一些问题； 教师演示本次实验的电路构成方法、仪器仪表使用和参数分析等操作过程； 学生按照教学要求进行实验。6 考核要求教师检查学生的实验过程和实验结果，实物制作成功者本次实验的成绩为及格，

13、或者为不及格。要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。本次实验的实验过程和实验结果的成绩占本次实验的总成绩60%，实践教学报告的成绩占总成绩40%。7 实践教学报告要求实验结束，要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。实践教学报告要求包含有： 本次实验的目的和要求； 实践内容或原理； 需用的仪器、试剂或材料等； 实践步骤或环节； 实验结果分析； 实验过程中出现的一些问题及原因分析。实验二 信号调理电路实验1. 本次实验的目的和要求 信号调理电路将传感器信号调理成适合电子系统处理的各种信号形式。本次实验的目的和要求完成基于AD22055等的桥式传感器信号调理电路的电路设计与制作。2. 实

14、践内容或原理AD22055能够对桥式传感器的差分信号进行放大，并可以利用外部电阻来补偿传感器的增益误差和温度漂移，适合作为压力传感器、压力变送器、应变式传感器等微弱信号源的信号调理电路。AD22055内部放大器的增益可通过外部电阻进行调整，增益调整范围为401000，差分输入电阻为230k。采用单极型低通滤波器，经过缓冲放大后的输出电压范围是20mVVS 0.25V，输出电阻为2.0，输出短路电流的典型值为12mA，最大为25mA。采用单电源供电，电源电压范围是336V，静态工作电流为200A。具有增益误差和温度漂移补偿功能。AD22055采用SOIC-8封装，引脚封装形式如图2.1.1所示，

15、各个引脚端功能如下：引脚端1、8（IN、IN）分别为桥式传感器的差分信号输入的正端和负端；引脚端2（GND）为公共地端；引脚端3（FILT）为外部滤波电容连接端；引脚端4（GAIN）为增益调节端；引脚端5（OUT）为输出端；引脚端6（+VS）为电源正端；引脚端7（OFS）为失调电压调节端。图2.1.1 AD22055 引脚封装形式 AD22055的内部结构方框图如图2.1.2所示，芯片内部包含有一个极低漂移的前置放大器（A1）和一个输出缓冲放大器（A2），可等效为一个单电源差分放大器。AD22055的输入端设置有一个精密电阻分压器，可将引脚端IN和IN的共模电压衰减后，再作为前置放大器（A1）

16、的输入电压。另外，在前置放大器（A1）的输入处还集成有两只容量很小的滤波电容（图中未画），能将信号中射频干扰的影响减至最低。前置放大器（A1）的闭环增益为40，A1的输出通过一个由80k电阻和外部滤波电容构成的低通滤波器滤波，连接到输出缓冲放大器（A2），A2是一个增益可变的输出缓冲放大器，在引脚端GAIN到地之间接一只电阻RGAIN，即可改变放大器A2的增益。AD22055的总增益由下式确定式中，RGAIN的单位为K。图2.1.2 AD22055的内部结构方框图AD22055的典型应用电路如图2.1.3所示，RGAIN采用1.0k精密电阻时，电路增益GAIN400。引脚端FILT可以连接一个

17、电容C到地，电容C为低通滤波器中的滤波电容，桥式传感器的激励电压采用外部基准电压VREF。图2.1.3 AD22055的典型应用电路3. 需用的仪器、试剂或材料等 制作实验电路所需电子元器件和PCB PCB设计软件 教材全国大学生电子设计竞赛 电路设计黄智伟主编， 北京航空航天出版社，2011年教材全国大学生电子设计竞赛 常用电路模块制作黄智伟主编， 北京航空航天出版社，2011年4. 实践步骤或环节 按照图2.1.3所示电路，制作基于AD22055的信号调理应用电路； 分析基于AD22055的信号调理应用电路的电路功能和特性，并测试其参数；5. 教学方式 教师讲解本次实验的目的和要求，实践内

18、容或原理，需用的仪器、试剂或材料等，实践步骤或环节，教学方式，考核要求，实践教学报告要求，以及实验过程中应该注意的一些问题； 教师演示本次实验的电路构成方法、仪器仪表使用和参数分析等操作过程； 学生按照教学要求进行实验。6. 考核要求教师检查学生的实验过程和实验结果，实物制作成功者本次实验的成绩为及格，或者为不及格。要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。本次实验的实验过程和实验结果的成绩占本次实验的总成绩60%，实践教学报告的成绩占总成绩40%。7. 实践教学报告要求实验结束，要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。实践教学报告要求包含有： 本次实验的目的和要求； 实践内容或原理；

19、需用的仪器、试剂或材料等； 实践步骤或环节； 实验结果分析； 实验过程中出现的一些问题及原因分析。实验三 放大器电路实验1. 本次实验的目的和要求 放大器电路是电子系统的基础电路。本次实验的目的和要求基于SHTxx温湿度传感器应用电路设计和制作，超声波传感器应用电路设计与制作。2. 实践内容或原理（1）基于AD603的90MHz低噪声可编程放大器电路AD603是ADI公司生产的90MHz低噪声可编程放大器电路，采用线性dB的增益控制，可控增益范围从-11dB+31dB（90MHz带宽），或者9dB51dB（9MHz带宽），增益精度为0.5dB，输入噪音为1.3nV/。电源电压范围为4.756.

20、3V，电流消耗为17mA。工作温度范围为-40+85。AD603采用SOIC-8封装，引脚封装形式如图3.5.1所示，各个引脚功能：VINP为放大器输入端。COMM为放大器接地端。FDBK引脚端连接到反馈网络。VNEG为电源电压负端。VOUT为放大器输出端。VPOS为电源电压正端。GPOS为增益控制引脚端，加正电压增益增加；GNEG为增益控制引脚端，加负电压增益增加。GNEG、GPOS引脚端电压范围为-1.2+2.0V，增益调节系数为39.440.6dB/V。图3.5.1 AD603引脚封装形式AD603的芯片内部包含有增益控制接口、固定增益的放大器、电阻网络等电路。AD603构成的-10dB

21、+30dB、90MHz带宽放大器电路如图3.5.3所示。图3.5.3 AD603构成的-10dB+30dB、90MHz带宽放大器电路（2）基于BUF634的宽带功率放大器电路BUF634是TI公司生产的高速缓冲器芯片，输出电流可以达到250mA ，摆率为2000V/s ，利用V-和BW引脚端的电阻可以设置带宽范围为30MHz 180MHz，静态电流消耗为1.5mA (30MHz BW)，电源电压范围为2.2518V。BUF634采用DIP-8, SO-8, 5引脚TO-220, 5引脚DDPAK封装，封装形式如图3.8.5所示。（a）DIP-8, SO-8封装形式 （b）5引脚端TO-220封

22、装形式 （c）5引脚端DDPAK封装形式图3.8.5 BUF634的封装形式 BUF634的一些应用电路形式如图3.8.6所示。（a）扩大运算放大器的输出电流 （b）高性能的耳机驱动器 （c）桥式电机驱动电路 （d）复合的末级放大器电路 图3.8.6 BUF634的应用电路 3. 需用的仪器、试剂或材料 制作实验电路所需电子元器件和PCB； PCB设计软件； 教材全国大学生电子设计竞赛 电路设计黄智伟主编， 北京航空航天出版社，2011年。4. 实践步骤或环节 按照图3.5.3所示电路，制作基于AD603构成的-10dB+30dB、90MHz带宽放大器电路； 分析AD603构成的-10dB+3

23、0dB、90MHz带宽放大器电路的电路功能和特性，并测试其参数； 按照图3.8.6所示电路，制作BUF634的应用电路； 分析BUF634的应用电路的电路功能和特性，并测试其参数。5. 教学方式 教师讲解本次实验的目的和要求，实践内容或原理，需用的仪器、试剂或材料等，实践步骤或环节，教学方式，考核要求，实践教学报告要求，以及实验过程中应该注意的一些问题； 教师演示本次实验的电路构成方法、仪器仪表使用和参数分析等操作过程； 学生按照教学要求进行实验。6. 考核要求教师检查学生的实验过程和实验结果，实物制作成功者本次实验的成绩为及格，或者为不及格。要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。本次实

24、验的实验过程和实验结果的成绩占本次实验的总成绩60%，实践教学报告的成绩占总成绩40%。7. 实践教学报告要求实验结束，要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。实践教学报告要求包含有： 本次实验的目的和要求； 实践内容或原理； 需用的仪器、试剂或材料等； 实践步骤或环节； 实验结果分析； 实验过程中出现的一些问题及原因分析。实验四 信号变换与产生电路实验1. 本次实验的目的和要求 在电子系统中，信号变换与产生电路完成信号产生与变换。本次实验的目的和要基于AD835等的乘法器应用电路设计与制作。2. 实践内容或原理AD835是Analog Devices公司生产的电压输出四象限乘法器电路，能

25、够完成W=XY+Z功能，X和Y输入信号范围为1V+1V，带宽250MHz，在20ns内可稳定到满刻度的0.1%，乘法器噪声为，差分乘法器输入X和Y、求和输入Z具有高的输入阻抗，输出引脚端W具有低的输出阻抗，输出电压范围2.5V+2.5V，可驱动负载电阻为25。电源电压为5V，电流消耗25mA。工作温度范围为40+85。AD835采用PDIP-8或者SOIC-8封装，引脚端X1和X2、Y1和Y2为差分放大器正负输入端，Z为求和输入端，W为乘法器输出端，VP和VN为电源电压正端和负端。AD835的芯片内部包含有X和Y差分输入放大器、求和器、输出缓冲放大器等电路。输出电压W为： 式中：所有参数均为电

26、压，U为缩放比例系数，当U=1V，Z=0，有。由AD835构成的乘法器电路如图4.1.1所示，比例系数U可以利用在引脚端W和Z之间的电阻分压器进行调节。图4.1.1 AD835构成的乘法器电路由AD835构成的宽带压控放大器电路如图4.1.2所示，增益控制范围为0dB12dB（实际为12dB+14dB），带宽50MHz，电阻R1和R2设置增益为标准值4，增加增益会减小带宽。当VG= 0.25V时，G=0dB；VG=0.5V时，G=6dB ；VG=1V时，G=12dB。AD835也可以使用9V单电源电压工作。图4.1.2 AD835构成的宽带压控放大器电路AD835构成的调幅电路如图4.1.3所

27、示，载波从Y和Z输入，调制信号从X输入。在X输入范围为1V ，U1.05V，调制系数为达到100%。载波频率能够达到300MHz。图4.1.3 AD835构成的调幅电路 AD835构成的宽带倍频电路如图4.1.4所示，将输入信号Esint 同时加到X和Y的输入端，有： 图4.1.4 AD835构成的宽带倍频电路3. 需用的仪器、试剂或材料 制作实验电路所需电子元器件和PCB； PCB设计软件； 教材全国大学生电子设计竞赛 电路设计黄智伟主编， 北京航空航天出版社，2011年。4. 实践步骤或环节 按照图4.1.1图4.1.1所示电路，制作基于AD835 250MHz电压输出四象限乘法器电路；

28、分析基于AD835 250MHz电压输出四象限乘法器应用电路的电路功能和特性，并测试其参数；5. 教学方式 教师讲解本次实验的目的和要求，实践内容或原理，需用的仪器、试剂或材料等，实践步骤或环节，教学方式，考核要求，实践教学报告要求，以及实验过程中应该注意的一些问题； 教师演示本次实验的电路构成方法、仪器仪表使用和参数分析等操作过程； 学生按照教学要求进行实验。6. 考核要求教师检查学生的实验过程和实验结果，实物制作成功者本次实验的成绩为及格，或者为不及格。要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。本次实验的实验过程和实验结果的成绩占本次实验的总成绩60%，实践教学报告的成绩占总成绩40%。

29、7. 实践教学报告要求实验结束，要求每个学生独立完成本次实验的实践教学报告。实践教学报告要求包含有： 本次实验的目的和要求； 实践内容或原理； 需用的仪器、试剂或材料等； 实践步骤或环节； 实验结果分析； 实验过程中出现的一些问题及原因分析。实验五 电源电路实验1. 本次实验的目的和要求 电源电路是电子系统的基础电路。本次实验的目的和要求基于MC34063的升压/降压DC-DC电路的电路设计与制作。2. 实践内容或原理MC34063A是Analog Integrations公司生产的DC/DC电压变换器电路，具有1.25 V1.8的基准电压源，输入电源电压范围为340V，输出开关峰值电流为1.

30、5A，开关频率为100Hz100KHz，静态工作电流为1.6mA，工作温度范围为-4085（AB级），可以构成输出电压可调的升压式、降压式和极性相反式DC/DC变换器。MC34063A采用DIP-8和SO-8封装，引脚端功能如下：引脚端1（SC）为功率开关管集电极（1.6A）；引脚端2（SE）为功率开关管发射极；引脚端3（TC）连接定时电容；引脚端4（GND）为地；引脚端5（FB）为比较器反相输入端；引脚端6（VCC）为电源电压正端；引脚端7（IPK）为电流取样反馈输入端（VCC-VIPK=300mV）；引脚端8（DRI）为驱动器集电极。MC34063A的芯片内部包含有1.25V基准电压、比较器、振荡器、控制逻辑电路和输出驱动器等电路。由MC34063A构成的降压式DC/DC电压变换器电路如图8.2.1所示，该变换器电路的技术参数为：输入电压调整率为40mV（VIN=1020VIO=500mA），负载调整率为5mV（VIN=15VIO=10500mA），短路电流为1.3A（VIN=15VRL=0.1）。（使用外部的PNP功率晶体管电路形式）图8.2.1 MC34063A构成的降压式DC/DC电压变换器电路由MC34063A构成的升压式