这一章在干嘛?
介绍一批工作在模拟/数字边界的经典 IC:比较器(模拟电压→数字判决)、DAC/ADC(两个世界的翻译官)、555 定时器(一键产生方波/延时)、566 压控振荡器和 565 锁相环(频率的调音台和追踪器)。这些都是「一块芯片搞定一个功能」的实用模块。
13.1 比较器:模拟世界的裁判
比较器 = 开环使用的运放:V+>V− 输出高,反之输出低——把连续电压判决成两个电平:
原书图 13.1:比较器基本单元与应用
原书图 13.5:311 比较器构成的过零检测器:信号过零瞬间翻转
一颗芯片集成 4 个比较器(339)可以搭窗口检测器:电压落在窗口内/外分别报警:
原书图 13.8:339 四比较器 IC
原书图 13.11:窗口检测器:两个阈值夹出一片「合法区」
比较器 vs 运放:
比较器为开环快翻转优化(无补偿电容、输出是数字电平、常开集输出需上拉),运放为闭环线性放大优化。拿运放当比较器凑合能用,但慢且易自激。
13.2 DAC 与 ADC:两个世界的翻译官
**DAC(数→模)**用 R-2R 梯形电阻网络:数字位按 2 的权值贡献电流,运放求和输出:
原书图 13.12:R-2R 梯形网络 DAC:只需两种阻值,制造方便
**ADC(模→数)**常用双斜率法(先积分输入、再反向积分基准,时间正比于输入电压)和逐次逼近/梯形比较法:
原书图 13.14:双斜率 ADC:积分上坡、反向积分下坡,坡长即读数
选型直觉:
双斜率精度高、抗工频干扰,适合万用表;逐次逼近(SAR)速度快、通用性强;高速场合用流水线/闪速 ADC。
13.3 555 定时器:芯片界的常青树
555 内部是「两比较器 + RS 触发器 + 放电管」,外接两颗电阻一颗电容就能产生精确的时间/频率:
原书图 13.16:555 内部结构:阈值 2/3·V_CC,触发 1/3·V_CC
无稳态(振荡)模式:电容在 1/3 与 2/3 VCC 间充放循环,输出方波:
T
高
= 0.693·(R
A
+R
B
)·C T
低
= 0.693·R
B
·C f = 1.44/[(R
A
+2R
B
)·C]
原书图 13.17:555 无稳态电路:C 在 1/3~2/3 V_CC 间循环充放电
单稳(延时)模式:触发脚来个低脉冲,输出就拉高固定时间 T=1.1·R·C:
原书图 13.19:555 单稳态:一个触发脉冲 → 固定宽度输出
13.4 压控振荡器与锁相环
566 VCO:输出频率由输入电压控制——「电压是音量旋钮,频率是音调旋钮」:
原书图 13.21:566 函数发生器:方波 + 三角波双输出
565 PLL 锁相环:相位比较器 + 低通滤波 + VCO 组成的自动追踪系统,VCO 频率被「拽」到与输入信号一致:
原书图 13.25:PLL 框图:鉴相 → 滤波 → VCO,闭环追踪
妙用清单:
PLL 可做频率倍增/合成、FM 解调、FSK 解码——通信芯片的心脏。锁不住时先查环路增益和带宽。
1. 比较器和运放有什么本质区别?
运放为闭环线性放大设计(内部频率补偿、输出线性连续);比较器为开环开关设计(无补偿、响应快、输出两电平,常为开集需上拉)。各自在对方的场景里都很别扭。
2. 555 无稳态电路的振荡频率由什么决定?
f = 1.44/[(R_A+2R_B)·C]:C 在 1/3 与 2/3 V_CC 之间充放电,充电经 R_A+R_B、放电只经 R_B,故占空比大于 50%,除非用二极管旁路 R_B。
3. 锁相环「锁定」是什么意思?
VCO 输出与输入信号频率相同、相位差恒定(鉴相器输出稳定直流),环路进入动态平衡;此时 VCO 控制电压正比于输入频率偏差,可用来解调频率信息。