放大器的频率特性和集成运算放大器的应用

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1、第五章 线性集成电路的应用 第五章第五章 线性集成电路的应用线性集成电路的应用 5.1 5.1 放大电路的频率特性放大电路的频率特性5.25.2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 5.35.3 有源滤波电路 有源滤波电路 5.45.4 集成功率放大器及其应用 集成功率放大器及其应用第五章 线性集成电路的应用 5.1 放大电路的频率特性 问题提出 前面所讲述的均以单一频率的正弦信号来研 究，事实上信号的频率变化比较宽（例如声音信 号、图象信号），对一个放大器，当Ui 一定时，f 变化 Uo变化，即Au=Uo/Ui 变化，换句话说： Au与f有关。 为什么Au与f有关

2、呢？什么是频率响应？频率响应：指放大器对不同频率的正弦信号 的稳态响应。其表示方法：Av(f) (f) 其中 Av(f) 为幅频响应、(f)为相频响应。 第五章 线性集成电路的应用 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。即第五章 线性集成电路的应用 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

3、成分信号的 增益不同，从而使输出波形产生失真，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。第五章 线性集成电路的应用 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

4、电容起作用 。当f高时，主要是PN结电容起作用。第五章 线性集成电路的应用 5.1.1 RC低通电路和RC高通电路RC低通电路：如图51所示。图51RC低通电路其电压放大倍数(传递函数)为第五章 线性集成电路的应用 由以上公式可做出如图52所示的 RC低通电路的近似频率特性曲线：图52 RC低通电路的频率特性曲线第五章 线性集成电路的应用 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

5、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。第五章 线性集成电路的应用 其电压放大倍数 为：式中 下限截止频率、模和相角分别为RC高通电路：如图53所示。第五章 线性集成电路的应用 由此可做出如图54所示的RC 高通电路的近似频率特性曲线。图54 RC高通电路的近似频率特性曲线第五章 线性集成电路的应用 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55所示。rbe- re归算到基极回路的电阻 -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

6、 内的一个点。图55 双极型三极管 物理模型（1）物理模型- 发射结电阻re5.1.2 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第五章 线性集成电路的应用 根据这一物理模型可以画出混合型高 频小信号模型，如图56所示。图56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，而gm与频率无关。 推导如下: （2）用 代替第五章 线性集成电路的应用 由此可见gm是与频率无关的0和rbe 的比，因此gm与频率无关。若IE=1mA， gm=1mA/26mV38mS。gm称为跨导，还可写成0反映了三极管内部，对流经rbe的电流 的 放大作用。 是真正具有电流放大作

7、用的部分 ，0 即低频时的。而第五章 线性集成电路的应用 在型小信号模型中，因存在Cbc 和rbc,对求解不 便，可通过单向化处理加以变换。首先因rbc很大， 可以忽略，只剩下Cbc 。可以用输入侧的C和输出 侧的C两个电容去分别代替Cbc ，但要求变换前后 应保证相关电流不变，如图57所示。（3）单向化图57高频混合型小信号电路第五章 线性集成电路的应用 电流放大系数的频响从物理概念可以解释随着频率的增高, 将下降。因为图59 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59的 等效电路。第五章 线性集成电路的应用 由此可求出共射接法交流短路电流

8、放大系数。可由下式推出第五章 线性集成电路的应用 由此可做出的幅频特性和相频特性曲线， 如510图所示。图510 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fT0f当20lg下降3dB时,频率f 称为共发射极接法的截止频率第五章 线性集成电路的应用 fT0 f可由下式推出当 f = fT 时, 有因fT f ,所以, fT 0 f第五章 线性集成电路的应用 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

9、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第五章 线性集成电路的应用 全频段小信号模型对于图511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512所示。然后分低、中、高三个频段加以研究。图511 CE接法基本放大电路图512 全频段微变等效电路第五章 线性集成电路的应用 显然这是一个RC低通环节，其时间常数H=(Rs /Rb)+rbb /rbeC 于是上限截止频率fH=1/2H 。 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513所示。设放大电路的中

10、频电压放大倍数为AvsM，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20lg AvsM(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513 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.第五章 线性集成电路的应用 低频段小信号微变等效电路低频段的微变等效电路如图514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=(Rb /rbe)+RSC1L2=(Rc +RL)C

11、2L3=Re / (RS+rbe)/1+Ce式中RS = RS/ Rb图514 低频段微变等效电路第五章 线性集成电路的应用 如果 L在数值上较小的一个与其它两个相差较 大，有45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， =1/2L第五章 线性集成电路的应用 完整的频率响应及波特图：频率响应表达式：第五章 线性集成电路的应用 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

12、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：第五章 线性集成电路的应用 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，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。第五章 线性集成电路的应用 2、增益带宽积设（1+gmRL）CC，则有：C=(1+gmRL)

13、C=gmRLC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：第五章 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）第五章 线性集成电路的应用 5.3 有源滤波电路5.3.1 有源低通滤波电路 图5 15 低通滤波电路 第五章 线性集成电路的应用 输出电压为 而 所以传递函数为 第五章 线性集成电路的应用 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

14、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)： 第五章 线性集成电路的应用 图5 16 低通滤波电路的幅频特性 第五章 线性集成电路的应用 图5 17 二阶低通滤波电路 第五章 线性集成电路的应用 5.3.2 有源高通滤波电路 图5 18 高通滤波电路 第五章 线性集成电路的应用 以图5 -18(a)为例进行讲解。 所以 第五章 线性集成电路的应用 则 式中Aup为通带电压放大倍数 通带截止角频率 第五章 线性集成电路的应用 图5 19 高通滤波器的幅频特性 其幅频特性如图5- 19所示。 第五章 线性集成电路的应用 同样的方法可以得到图5- 18(b)的特性 式中 第五章 线性集成电路的应用 图5 20 二阶高通滤波电路 第五章 线性集成电路的应用 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lh时信号才能通过, 显然, hl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