202X年线性集成电路的应用

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1、线性集成电路的应用 5 1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5 3有源滤波电路5 4集成功率放大器及其应用 5 1放大电路的频率特性 为什么Au与f有关呢 什么是频率响应 放大电路的频率特性包括两部分 幅度频率特性相位频率特性 幅频特性是描绘输入信号幅度固定 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律 即 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律 即 这些统称放大电路的频率响应 幅频特性偏离中频值的现象称为幅度频率失真 相频特性偏离中频值的现象称为相位频率失真 放大电路的幅频特性和相频特性 也称为频率响应 因放大电路对不同频率成分信号的增益不同 从而使

2、输出波形产生失真 称为幅度频率失真 简称幅频失真 放大电路对不同频率成分信号的相移不同 从而使输出波形产生失真 称为相位频率失真 简称相频失真 幅频失真和相频失真是线性失真 产生频率失真的原因是 1 放大电路中存在电抗性元件 例如耦合电容 旁路电容 分布电容 变压器 PN结电容 分布电感等 2 三极管的 是频率的函数 在研究频率特性时 三极管的低频小信号模型不再适用 而要采用高频小信号模型 电路中存在着电抗器件是影响频响的主要因素 研究频响实际上是研究电抗元件的存在 对放大器放大倍数的影响 当f低时 主要是耦合电容 旁路电容起作用 当f高时 主要是PN结电容起作用 5 1 1RC低通电路和RC

3、高通电路 RC低通电路 如图5 1所示 图5 1RC低通电路 其电压放大倍数 传递函数 为 由以上公式可做出如图5 2所示的RC低通电路的近似频率特性曲线 图5 2RC低通电路的频率特性曲线 幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标 称为上限截止频率 当时 幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降 或写成 20dB dec 在处的误差最大 有 3dB 当时 相频特性将滞后45 并具有 45 dec的斜率 在0 1和10处与实际的相频特性有最大的误差 其值分别为 5 7 和 5 7 这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图 是分析放大电路频率响应的重要手段 其电压放大倍数为 式中下限截止频率 模和相角分别

4、为 RC高通电路 如图5 3所示 由此可做出如图5 4所示的RC高通电路的近似频率特性曲线 图5 4RC高通电路的近似频率特性曲线 混合 型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的 三极管的物理结构如图5 5所示 发射结电容 也用C 这一符号 集电结电阻 集电结电容 也用C 这一符号 rbb 基区的体电阻 b 是假想的基区内的一个点 图5 5双极型三极管物理模型 1 物理模型 5 1 2晶体管及其单级放大电路的高频特性 一 晶体三极管的高频特性 根据这一物理模型可以画出混合 型高频小信号模型 如图5 6所示 图5 6高频混合 型小信号模型电路 这一模型中用代替 这是因为 本身就与频率有关

5、而gm与频率无关 推导如下 2 用代替 由此可见gm是与频率无关的 0和rb e的比 因此gm与频率无关 若IE 1mA gm 1mA 26mV 38mS gm称为跨导 还可写成 0反映了三极管内部 对流经rb e的电流的放大作用 是真正具有电流放大作用的部分 0即低频时的 而 在 型小信号模型中 因存在Cb c和rb c 对求解不便 可通过单向化处理加以变换 首先因rb c很大 可以忽略 只剩下Cb c 可以用输入侧的C 和输出侧的C 两个电容去分别代替Cb c 但要求变换前后应保证相关电流不变 如图5 7所示 3 单向化 图5 7高频混合 型小信号电路 电流放大系数 的频响 从物理概念可以

6、解释随着频率的增高 将下降 因为 图5 9的等效电路 是指在VCE一定的条件下 在等效电路中可将CE间交流短路 于是可作出图5 9的等效电路 由此可求出共射接法交流短路电流放大系数 可由下式推出 由此可做出 的幅频特性和相频特性曲线 如5 10图所示 图5 10三极管 的幅频特性和相频特性曲线 当 1时对应的频率称为特征频率fT 且有fT 0f 当20lg 下降3dB时 频率f 称为共发射极接法的截止频率 fT 0f 可由下式推出 当f fT时 有 因fT f 所以 fT 0f 全频段小信号模型高频段小信号微变等效电路低频段小信号微变等效电路 频响的基本分析方法 频率特性的描写方法 1 分段描

7、写 高 中 低 根据影响各区段Au的主要因素进行分析 2 频响特性用对数描写 幅度以分贝为单位 相位以度为单位 二 晶体管单级放大电路的高频特性 全频段小信号模型 对于图5 11所示的共发射极接法的基本放大电路 分析其频率响应 需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型 如图5 12所示 然后分低 中 高三个频段加以研究 显然这是一个RC低通环节 其时间常数 H Rs R b rbb rb e C 于是上限截止频率fH 1 2 H 高频段小信号微变等效电路 将全频段小信号模型中的C1 C2和Ce短路 即可获得高频段小信号模型微变等效电路 如图5 13所示 设放大电路的中频电压放大倍数为Avs

8、M 其频率特性曲线与RC低通电路相似 只不过其幅频特性在Y轴方向上上移了20lgAvsM dB 相频特性则在Y轴方向上向下移180 以反映单级放大电路倒相的关系 动画5 3 图5 13高频段微变等效电路 高频电压放大倍数 其中Aum为中频电压放大倍数 低频段小信号微变等效电路 低频段的微变等效电路如图5 14所示 C1 C2和Ce被保留 C 被忽略 显然 该电路有三个RC电路环节 当信号频率提高时 它们的作用相同 都有利于放大倍数的提高 相当于高通环节 有下限截止频率 L1 R b rbe RS C1 L2 Rc RL C2 L3 Re R S rbe 1 Ce式中R S RS R b 图5

9、14低频段微变等效电路 如果 L在数值上较小的一个与其它两个相差较大 有4 5倍之多 可将最大的fL作为下限截止频率 然后做波特图 低频电压放大倍数 其中 Aum为中频放大倍数为下限截止频率 1 2 L 完整的频率响应及波特图 频率响应表达式 由以上分析 可知作波特图的步骤 1 先求出中频电压放大倍数 方法通前 2 确定分别在高频和低频时影响Au的电容器的个数 3 分别求出各电容器回路的时间常数 4 比较各时间常数 低频时取时间常数小的转化为fL 高频时取时间常数大的转化为fH 转化式f 1 2 如相差很近 一般小于4倍 则有 下面讨论频率响应的改善和增益带宽积 频率响应的改善主要是通频带变宽

10、 即是高频时性能的改善 其高频等效电路如图所示 1 通频带fbw fH fL 要使fbw加宽有两种方法 1 fL下降 即是使耦合电容C所在回路的时间常数取值大 亦是R或C增大 改善有限 2 fH增大 就会使Au下降 于是形成了带宽和增益的矛盾 合理的解决的办法是综合考虑 2 增益带宽积 设 1 gmRL C C 则有 C 1 gmRL C gmRL C 所以 当晶体管选定后rbb C 就确定 因此放大倍数与带宽积就确定了 因为 5 1 3集成运算放大器高频参数及其影响 要改善放大电路的高频性能 应选小rbb Cob的管子 且Rb要尽量小 略 5 2集成运算放大器小信号交流放大电路 略 5 3有

11、源滤波电路 5 3 1有源低通滤波电路 图5 15低通滤波电路 输出电压为 而 所以传递函数为 低通滤波器的通带电压放大倍数是当工作频率趋近于零时 其输出电压Uo与其输入电压Ui的比值 记作Aup 截止角频率是随着工作频率的提高 电压放大倍数 传递函数的模 下降到时 对应的角频率 记作 o 对于图5 15 a 图5 16低通滤波电路的幅频特性 图5 17二阶低通滤波电路 5 3 2有源高通滤波电路 图5 18高通滤波电路 以图5 18 a 为例进行讲解 所以 则 式中Aup为通带电压放大倍数 通带截止角频率 图5 19高通滤波器的幅频特性 其幅频特性如图5 19所示 同样的方法可以得到图5 1

12、8 b 的特性 式中 图5 20二阶高通滤波电路 5 3 3带通滤波电路和带阻滤波电路 将截止频率为 h的低通滤波电路和截止频率为 l的高通滤波电路进行不同的组合 就可获得带通滤波电路和带阻滤波电路 如图5 21 a 所示 将一个低通滤波电路和一个高通滤波电路 串接 组成带通滤波电路 h的信号被低通滤波电路滤掉 l的信号被高通滤波电路滤掉 只有当 l h时信号才能通过 显然 h l才能组成带通电路 图5 21 b 为一个低通滤波电路和一个高通滤波电路 并联 组成的带阻滤波电路 h信号从低通滤波电路中通过 l的信号从高通滤波电路通过 只有 h l的信号无法通过 同样 h l才能组成带阻电路 图5

13、 21带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图 图5 22带通滤波和带阻滤波的典型电路 5 4 1LM386集成功率放大器及其应用 目前集成功放电路已大量涌现 其内部电路一般均为OTL或OCL电路 集成功放除了具有分立元件OTL或OCL电路的优点 还具有体积小 工作稳定可靠 使用方便等优点 因而获得了广泛的应用 低频集成功放的种类很多 较常用的器件列在表5 1中 下面以LM386为例作一简单介绍 LM386是一种低电压通用型低频集成功放 该电路功耗低 允许的电源电压范围宽 通频带宽 外接元件少 广泛用于收录音机 对讲机 电视伴音等系统中 5 4集成功率放大器及其应用 LM386内部电路如图5 23

14、a 所示 共有3级 V1 V6组成有源负载单端输出差动放大器作输入级 V5 V6构成镜像电流源作差放的有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大倍数 中间级是由V7构成的共射放大器 也采用恒流源I作负载以提高增益 输出级由V8 V10组成准互补推挽功放 VD1 VD2组成功放的偏置电路以利于消除交越失真 LM386的管脚排列如图5 23 b 所示 为双列直插塑料封装 管脚功能为 2 3脚分别为反相 同相输入端 5脚为输出端 6脚为正电源端 4脚接地 7脚为旁路端 可外接旁路电容以抑制纹波 1 8脚为电压增益设定端 图5 23LM386集成功率放大器 a 内部结构图 b 管脚排列 当1 8脚开路时

15、 负反馈最深 电压放大倍数最小 设定为Auf 20 当1 8脚间接入10 F电容时 内部1 35k 电阻被旁路 负反馈最弱 电压放大倍数最大 Auf 200 46dB 当1 8脚间接入电阻R和10 F电容串接支路时 调整R可使电压放大倍数Auf在20 200间连续可调 且R越大 放大倍数越小 LM386的典型应用电路如图5 24所示 参照上面的说明 我们可以知道 图5 24LM386典型应用电路图 5脚输出 R3 C3构成串联补偿网络与呈感性的负载 扬声器 相并 最终使等效负载近似呈纯阻 以防止高频自激和过压现象 7脚旁路 外接C2去耦电容 用以提高纹波抑制能力 消除低频自激 1 8脚电压增益

16、设定 其间接R2 10 F串联支路 R2用以调整电压增益 当R2 1 24k 时 Auf 50 将上述电路稍作变动 如在1 5脚间接入R C串接支路 则可以构成带低音提升的功率放大电路 还可以利用LM386组成方波发生器 读者可参阅有关书籍 附 其它集成功率放大器 DG4100内部电路组成简介 图5 25中虚线框内为DG4100系列单片集成功放内部电路 它由三级直接耦合放大电路和一级互补对称放大电路构成 并由单电源供电 输入及输出均通过耦合电容与信号源和负载相连 是OTL互补对称功率放大电路 5 4 2DG810集成功率放大器及其应用 5 4 3TDA2040集成功率放大器及其应用 略 略 图5 25DG4100集成功放与外接元件总电路图 因为反馈由输出端直接引至输入端 且放大器的开环增益很高 三级电压放大 整个放大电路为深度负反馈放大器 所以 放大器的闭环电压增益约为1 F 即当信号ui正半周输入时 V2输出也为正半周 经两级中间放大后 V7输出仍为正半周 因此V12 V13复合管导通 V8 V14管截止 在负载RL上获得正半周输出信号 当ui负半周输入时 经过相应的放大过程 在RL