1、5.1放大电路的频率特性放大电路的频率特性5.2集成运算放大器小信号交流放大电路集成运算放大器小信号交流放大电路5.3有源滤波电路有源滤波电路5.4集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用线性集成电路的应用线性集成电路的应用第第 5 章小结章小结 引 言 5.1.2 晶体管以及其单级放大电路的频率特性 5.1.3 集成运算放大器高频参数及其影响线性集成电路的应用 5.1.1 简单RC低通和高通电路的频率特性fOAum1.幅频特性和相频特性)()(ffAAuu Au(f)幅频特性(f)相频特性0.707AumfOAuf L 下限截止频率 f H 上限截止频率 2.频带宽度(带宽)BW(Ban
2、d Width)BW=f H-f L f HfLfH第 5 章线性集成电路的应用一、RC 低通电路的频率特性5.1.1 简单 RC 低通和高通电路的频率特性1.频率特性的描述RCoUiU j11 j/1j/1 ioRCCRCUUAu H j11ff 令 1/RC=H则 fH=1/2RC )/(11 2H ffAu H arctan f/f-滞后 90 0 H-；时时，uAff 0 1 ,0 ；时时uAf-45 0.707 21 H；时时，uAfffO|Au|10.707O4590 fHf幅频特性相频特性第 5 章线性集成电路的应用2.频率特性的波特图f/fH020lg|Au|/dB200459
3、0fH400.1 1 10 1000.1 1 10f/fH频率特性波特图90 f0|Au|10.707045fHff 0.1 fH20lg|Au|=0 dB 0 f=fH20lg|Au|=20lg0.7070=-3 dB-45 f 10 fH20lg|Au|=-20lg f/fH-90 3 dB 20 dB/十倍频 45/十倍频H/arctan ff-)/(11 2 HuffA 第 5 章线性集成电路的应用二、RC 高通电路的频率特性RCCRRUUAu 1/j11 j/1 io ffL j11-令 1/RC=L则 fL=1/2RC超前f/f arctan L )/(11 2L ffAu f 1
4、0 fL20lg|Au|=0 dB 0 f=fL20lg|Au|=20lg0.7071=-3 dB 45 f 0.1 fL20lg|Au|=-20lg f/fH 90 RCoUiU波特图频率特性90fO|Au|10.707O45fLff/fLO20lg|Au|/dB20O4590400.1 1 100.1 1 10f/fL 20 dB/十倍频45/十倍频第 5 章线性集成电路的应用例 5.1.1 求已知一阶低通电路的上限截止频率。0.01 F1 k1 k1/1 k0.01 FRCf 21HF01.0k5.014.321 kHz)(8.31 例 5.1.2 已知一阶高通电路的 fL=300 Hz
5、，求电容 C。500 C2 kRfCL21 2500Hz30014.321F)(212.0 戴维宁定理等效第 5 章线性集成电路的应用5.1.2 晶体管及其单级放大电路的频率特性一、单级阻容耦合放大器的中频和低频特性+VCCRCC1C2VRL+RB1RB2RSUS1.中频特性C1、C2 可视为短路极间电容可视为开路s0sbeLs uuARrRA -180 2.低频特性：极间电容视为开路耦合电容 C1、C2 与电路中电阻串联容抗不能忽略第 5 章线性集成电路的应用bISRSUberCRLR1C2CBRcIbI SUSRberCRLR1C2CbICRIb oIiUoU2Ls0s)/(1 ffAAu
6、u )/(arctan180 Lff -),(max L2 L1 Lfff :频率降低,Aus 随之减小,输出比输入电压相位超前。)(211beS 1L；CrRf 2L L2)(21 CRRfC RB rbeffAAuu/j1 Ls0s-第 5 章线性集成电路的应用因 值随频率升高而降低，高频下不能采用 H 参数等效电路。二、单级放大器的高频特性1.晶体三极管的混合 型等效电路BEBCrbbrberbcCbcCbeCbe：不恒定，与工作状态有关Cbc：几 pF，限制着放大器频带的展宽BBCiUoUErbbrbeCbeCbcbI bI ebm UgbIcI受控电流源0ceebcm UUIg三极管
7、跨导e0 eb)(1 rr EQ026)(1 I 低频电流放大系数bc0II 表示集电极有效输入电压 Ube 对 Ic的控制作用 第 5 章线性集成电路的应用2.与频率 f 的关系=0.7070fo0.707of1fTf 共发射极截止频率fT 特征频率=1可求得：)(21 Cbebeb CCrf fCCgf0cbebmT)(2 同样可求得：)(21 cbebe CCrf f)1(0 可见：fff T O第 5 章线性集成电路的应用3.晶体管单级放大电路高频特性(C1，C2 视为短路)EBBCeb UoUrbbrbeCbeCbcebm UgRLRSUSrbbEBBCoUrbeCbeebm UgR
8、LCMRSUSeb U密勒等效CM=(1+gmRL)Cbc在输出回路略去 CbcebbbSebLmsos0 -rrRrRgUUAuHs0sosj1 uuAUUA Hs0j1ffuA RL=RC/RL H=1/RtCtfH=1/2 RtCtRt=(RS+r bb)/rbeCt=Cbe+CM=Cb e+(1+gmRL)Cbc增益带宽积 G BW=Aus0 fH)(21bbtLm rRCRgS(常数)结论：频率升高，Au 减小 输出相位滞后 增益带宽积为常数第 5 章线性集成电路的应用5.1.3 集成运算放大器高频参数及其影响一、小信号频率参数f/Hz20lgAud(f)/dBf HOf T1.开环
9、带宽BWBW=f H2.单位增益带宽 BWGBWG=f T运放闭环工作时，带宽增益积=Aud f HfH 为开环增益下降 3 dB 时的频率通用型集成运放带宽较窄(几赫兹)f T 为开环增益下降至 0 dB(即Aud=1)时的频率带宽增益积=1 f T=f T=BWG=Aud f HBWG=Aud BWf=0，使 Auf=1，当 Auf 降为 0.707 时，此时的频率即为 fT。BWG=Auf BWf如 741 型运放:Aud=104，BW=7 Hz，Auf=10，则 BWf =7 kHz0第 5 章线性集成电路的应用二、大信号频率参数1.转换速率 SR输入输出maxoddtuSR A 74
10、1 为 0.5 V/s高速型 SR 10 V/s否则将引起输出波形失真例如：tUu sinomo om0ooddddmaxUtututt 则：须使：SR 2 f UomA741，Uom=10 V最高不失真频率为 8 kHz2.全功率带宽 BWP输出为最大峰值电压时不产生明显失真的最高工作频率三、高速宽带集成运放当 BWG 2 MHz，BWP 20 kHz，SR 6 V/s选高速宽带运放第 5 章线性集成电路的应用 5.2.2 同相交流放大电路 5.2.3 交流电压跟随器 与汇集放大电路 5.2.1 反相交流放大电路第 5 章线性集成电路的应用5.2.1 反相交流放大电路1.双电源8uiC1R1
11、i1ifRf-VEE+VCCuo11ifoj/1 CRURU -11fiofj1CRRUUAu -111fj11RCRR 令：；1foRRAu-CR1L1 AAuu/j11Lof-ff/j11L-1ffRRAu-11L21CRf 在通带内：例 5.2.1 已知 741 运放的 BWG=1 MHz，估算 fL 和 fH。100 k1 F1 k解：Hz1591010216-3L fkHz10100106fH uGABWf第 5 章线性集成电路的应用2.单电源输入为差分电路，采用单电源时输入端静态电位不能为 0；输出为 OTL 电路，静态输出电压为 0.5VCC。为满足 0 输入时输入和输出端等电位
12、，U+=U-=UO=0.5VCC应使：交流通路Rf8uiC1R1uoC20.5VCC-0.5VCC通带内：1ffRRAu-.8uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RRC3第 5 章线性集成电路的应用例 5.2.2根据元件参数求电路的 fL。Hz6.1101021216-411L1 CRf，Hz16101021216-32LL2 CRfHz16L2L ffC38uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RR10 F10 k10 F100 k1 k第 5 章线性集成电路的应用5.2.2 同相交流放大电路1.一般电路8uiC1R1Rf+VCCuoC2-VEER212L21CRf 在通带内：2iRR
13、 1ff1RRAu 第 5 章线性集成电路的应用 8R1RfR4oUiU8uiC1R1Rf+VCCuoC2-VEER22.高输入电阻电路 R2 引入正反馈，使流过 R2 的交流电流极小，从而获得高 输入电阻。双电源单电源11f uA10 k100 k交流通路C38uiC1R1Rf+VCCuo+VCCC2RRR40.5VCC0.5VCC第 5 章线性集成电路的应用5.2.3 交流电压跟随器与汇集放大电路1.交流电压跟随器8uiC1R2+VCCuoC2-VEER1R1、R2：给同相端提供直流通路C1、C2：对交流短路C2：引入正反馈，提高输入电阻第 5 章线性集成电路的应用2.汇集放大电路)(ii
14、2i1onuuuuAu 汇集放大的功能：要求：(1)各信号源间互不影响；(2)汇集后信号间互不调制，以免出现新频率的信号。反相输入加法电路能较好地实现低频信号的汇集放大。8ui1R1R4+VCCuoR5ui2ui3VEER2R3RR1=R2=R3因为：集成运放开环增益很高，在闭环增益很小时，很深的电压并联负反馈，使反相端的闭环输入电阻近似为 0，各信号源间互不影响。第 5 章线性集成电路的应用实用的汇集放大器：单电源供电8ui1C1R1 R1R4uoC2+24 V+7.5 Vui2ui3+15 VR53 k3 k33 F68 F1.2 k597 300 交流通路 8ui1R1 R3R4+7.5
15、 VuoR5ui2ui37.5 V)(3ii2i114ouuuRRu -)(23ii2i1ouuuu -第 5 章线性集成电路的应用5.3有源滤波电路 引言 5.3.2 有源高通滤波电路 5.3.3 有源带通滤波电路 5.3.1 有源低通滤波电路第 5 章线性集成电路的应用滤波电路 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。分类：按处理方法分硬件滤波软件滤波按所处理信号分模拟滤波器数字滤波器按构成器件分无源滤波器有源滤波器按频率特性分低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性fuAlg20fuAlg20fuAlg20fuAlg20通通通 阻 通阻 通 阻阻阻低通高通带通带阻
16、按传递函数分一阶滤波器二阶滤波器N 阶滤波器:引言第 5 章线性集成电路的应用5.3.1 有源低通滤波电路(LPFLow Pass Filter)通带放大倍数)1(j1j11fioRRCRCUUAu 一、一阶 LPFRf8CR1RoUiUHfj1ffAu 其中，Auf=1+Rf/R1fH=1/2RC 上限截止频率Hf j11f/fAAuu 2Hf)/(11lg20lg20ffAAuu )/(arctanHff-fH归一化幅频特性fdB/lg20fuuAA0-3-20 dB/十倍频第 5 章线性集成电路的应用二、二阶 LPF1.简单二阶 LPF8CR1RCRRfoUiUPU通带增益：Auf=1+
17、Rf/R1问题：在 f=fH 附近，输出幅度衰减大。40 dB/十倍频-40f/fH0-10-2010-301dB/lg20fuuAA改进思路：在提升 fH 附近的输出幅度。第 5 章线性集成电路的应用2.实用二阶 LPF8CR1RfRCRoUiURCf 212nn Q=1/(3-Auf)Q 等效品质因数-40f/fn0-3-10-2010-30Q=0.707Q=1Q=2Q=51dB/lg20fuuAAn2nfioj)(1 QAUUAuu-正反馈提升了 f n 附近的 Au。Good!Auf=3 时Q 电路产生自激振荡 uA40 dB/十倍频特征频率：当 Q=0.707 时，fn=fH。第 5
18、 章线性集成电路的应用例 5.3.1 已知 R=160 k，C=0.01 F，R1=170 k，Rf=100 k，求该滤波器的截止频率、通带增益及 Q 值。8CR1RfRCRoUiU解RCf 21n -z(5.99 1001.0106012163nf588.1170100111ff RRAuQ=1/(3-Auf)=1/(3-1.588)=0.708Q=0.707 时，fn=fH特征频率：上限截止频率：fH=99.5 Hz第 5 章线性集成电路的应用5.3.2 有源高通滤波电路(HPFHigh Pass Filter)8CR1RfRCRoUiU通带增益：Auf=1+Rf/R1RCf 21nQ=1
19、/(3-Auf)f/fn0-3-10-2010-30-40Q=0.707Q=1Q=2Q=51dB/lg20fuuAAAuf=3 时，Q ，uA电路产生自激振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf fLiU8CR1RfRC1R3R2oULPFBPF要求 R3 C1 RC中心频率：RCf 210等效品质因素：Q=1/(3-Auf)通频带：BW=f0/Q最大电压增益：Au0=Auf/(3-Auf)=2R=C=R第 5 章线性集成电路的应用8CR1RfRC1R3R2iUoU例5.3.2 已知 R=7.96 k，C=0.01 F，R3=15.92 k，R1=24.3 k，Rf=46.2 k 求该电路
20、的中心频率、带宽 BW及通带最大增益 Au0。解RCf 210 -zk(21001.0107.9621639.23.242.46111ff RRAuQ=1/(3-Auf)=1/(3-2.9)=10BW=f0/Q=2 000/10=200(Hz)Au0=Auf/(3-Auf)=2.9/(3-2.9)=29第 5 章线性集成电路的应用5.4集成功率放大器集成功率放大器及其应用及其应用 引言引言 5.3.2 DG810 集成功放及其应用集成功放及其应用 5.3.3 TD2040 集成功放及其应用集成功放及其应用 5.3.1 LM386 集成功放及其应用集成功放及其应用第第 5 章线性集成电路的应用章
21、线性集成电路的应用组成：组成：前置级、中间级、输出级、偏置电路前置级、中间级、输出级、偏置电路特点：特点：输出功率大、效率高输出功率大、效率高有过流、过压、过热保护有过流、过压、过热保护引言引言第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应用5.4.1 LM386 集成功放及其应用集成功放及其应用1.典型应用参数：典型应用参数：直流电源：直流电源：4 12 V额定功率：额定功率：660 mW带带 宽：宽：300 kHz输入阻抗：输入阻抗：50 k 12348765引脚图引脚图第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应用2.内部电路内部电路V1、V6：V3、V5：V2、V4：射级跟随器，
22、高射级跟随器，高 Ri双端输入单端输出差分电路双端输入单端输出差分电路恒流源负载恒流源负载V7 V12：功率放大电路功率放大电路1.8 开路时，开路时，Au=20(负反馈最强负反馈最强)1.8 交流短路交流短路 Au=200(负反馈最弱负反馈最弱)V7 为驱动级为驱动级(I0 为恒流源负载为恒流源负载)V11、V12 用于消除交越失真用于消除交越失真V8、V10 构成构成 PNP 准互补对称准互补对称电压串电压串联负反联负反馈馈第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应用 LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610 F36 k 10 F100 F220 F0.1 F8 10
23、 .047 F+VCC63.典型应用电路典型应用电路输出电容输出电容(OTL)频率补偿，抵消电频率补偿，抵消电 感高频的不良影响感高频的不良影响防止自激等防止自激等调节电压调节电压放大倍数放大倍数第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应用5.4.2 DG810 集成功放及其应用集成功放及其应用 标准音频功率放大标准音频功率放大功率大、噪声小、频带宽、功率大、噪声小、频带宽、工作电源范围宽、有保护电路工作电源范围宽、有保护电路输出电容输出电容输入输入偏置偏置交流负反馈交流负反馈频率补偿，防自激等频率补偿，防自激等自举电容自举电容频率补偿频率补偿防自激等防自激等VCC=15 V 时时输出功
24、率输出功率 6 W+VCCuiC9R1R4C2DG81011294785C1C8C7C4C5C65 F100 k.01 F100 F1000 pF0.1 F4 56 4 700 pF10100 F100 F100 R3R21000 F100 FC101 电源滤波电源滤波第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应用5.4.3 TD2040 集成功放及其应用集成功放及其应用 特点：特点：输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护输出短路保护、自动限制功耗、有过热关机保护参数：参数：直流电源：直流电源：2.5 20 V开环增益：开环增益：80 dB功率带宽：功率带宽：100 kHz输入阻抗：输
25、入阻抗：50 k 输出功率：输出功率：22 W(RL=4 )双电源双电源(OTL)应用应用电源滤波电源滤波频率补偿频率补偿防自激等防自激等输出功率可输出功率可大于大于 15 W交流电交流电压串联压串联负反馈负反馈R1C2220 k 680 22 FR3R2ui12435C1C7C3C4C5C61 F22 k 220 F220 F0.1 F4 5+VCC(16 V)20400.01 F0.1 F-VEE(-16 V)R4大电容滤除低频成分大电容滤除低频成分小电容滤除高频成分小电容滤除高频成分35.33680/220001 uAdB30lg20 uA第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应
26、用单电源单电源(OTL)应用：应用：交流电压串联交流电压串联负反馈负反馈使使 U1=0.5VCCC2680 22 FR4ui435C1C6C3C4C5C71 F22 k 2.2 F220 F0.1 F4 5 +VCC(16 V)0.01 FR6R522 k 22 k 22 k R2R321R1204035430 dB第第 5 章线性集成电路的应用章线性集成电路的应用第 5 章 小 结一、简单 RC 电路的频率特性RC 低通电路RCoUiURCoUiURC 高通电路H j11ffAu ffAuL j11-90fO|Au|10.707O45fHf90fO|Au|10.707O45fLf第 5 章小
27、结二、放大电路的高频特性BBCiUoUErbbrbeCbeCbcebm Ug1.晶体管混合 型等效电路(了解)2.集成运算放大器高频参数及其影响fo0.707of 1f T晶体管放大电路增益带宽积 G BW Aus0 fH=常数 小信号频率参数开环带宽 BW=fH单位增益带宽 BWG=Aud BW=Auf BWf=fT闭环带宽 BWf =fHf带宽增益积 GBW=Aud BW大信号动态参数：转换速率 SR全功率带宽 BWP第 5 章小结三、集成运放小信号交流放大电路1.耦合电容构成高通电路对下限频率的影响RCf 21L当电路中只有一个 RC 高通电路时：当电路中有两个 RC 高通电路时：,ma
28、xL2L1Lfff 耦合电容的大小不仅要满足下限频率要求，还要不引起自激，故不能因信号频率高而随意减小其数值。2.闭环放大倍数对上限频率的影响闭环放大倍数 Auf 越小，上限频率 fH 越大：fGfdHuuuABWABWAf 3.采用单电源时的电路特点1)输出接耦合电容，采用 OTL 电路形式。2)输入端的静态电压为 VCC/2。第 5 章小结四、有源滤波1.滤波电路的分类低通滤波器 LPF高通滤波器 HPF带通滤波器 BPF带阻滤波器 BEF2.有源滤波电路的构成RC 高通电路+运算放大器=有源高通滤波RC 低通电路+运算放大器=有源低通滤波3.滤波电路的性能一阶滤波：阻带幅频以 20 dB/十倍频下降二阶滤波：阻带幅频以 40 dB/十倍频下降，为了提升截止频率附近的幅频特性，电路中可引入适当的正反馈。RC 低通 与 RC 高通串联+运算放大器=有源带通滤波RC 低通 与 RC 高通并联+运算放大器=有源带阻滤波第 5 章小结
