线性集成电路的应用.docx

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线性集成电路的应用

第5章线性集成电路的应用

5.1放大电路的频率特性

教学要求

1.掌握RC低通、高通滤波电路的频率特性；

2.了解三极管及其放大电路的高频特性；

3.了解fα、fβ、fT各频率参数的物理意义及它们之间的相互关系。

引言

线性集成电路是采用直接耦合的多级放大电路，所以它们的下限频率趋于零，但随着工作频率的升高，其增益将随之下降。

通用型集成运算放大器开环上限频率一般都比较低，如集成运放741只有7Hz，单位增益带宽也只有1MHz左右。

放大电路对正弦输入信号的稳态响应特性称为频率特性，它包括幅频特性和相频特性，上限截止频率和下限截止频率之间的范围称为通频带或频带宽度BW（BandWidth）,BW=fH-fL。

一、简单RC低通和高通电路的频率特性

（一）RC低通电路的频率特性

1.频率特性的描述

 由于该电路只有一个独立的储能元件C，故称为一阶低通滤波电路。

2.频率特性的波特图

波特图—上述频率特性可用特定的渐进线来表示，所得到的曲线称为渐进波特图，简称波特图，如下图所示。

由幅频特性图可知，用渐进线代替实际幅频特性时最大误差发生在转折频率fH处，在f=fH处偏差为-3dB；由相频特性图可知，用渐进线代替实际相频特性时最大误差发生在转折频率f=0.1fH及f=10fH处，其值为5.7°。

（二）RC高通电路的频率特性

其电路图、幅频波特图和相频波特图如下图所示。

由图可知，高通电路的下限截止频率（或称转折频率）为fL，0~fL为阻带，fL~∞为通带，所以它为一阶RC高通滤波电路。

低通和高通滤波电路对输入信号只有衰减作用，而没有放大作用，因此称为无源滤波电路。

二、三极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

（二）三极管及其单级放大电路的高频特性

因值随频率升高而降低，高频下不能采用H参数等效电路，而采用混合型等效电路。

1.晶体三极管的混合型等效电路

与频率f的关系

高频时，三极管的结电容对信号电流产生分流作用，使得输出电流减小，导致三极管的电流放大系数β随频率升高而下降，电流与频率的关系曲线如下图所示。

  3.三极管单级放大电路高频特性（C1，C2视为短路）

三、集成运算放大器高频参数及其影响

（一）小信号频率参数

1.开环带宽BW

运放开环差模电压增益值比直流增益值下降3dB时所对应的信号频率称为开环带宽，BW=fH。

通用型集成运放带宽较窄（几赫兹），带宽增益积=AudfH。

2.单位增益带宽BWG

（三）高速宽带集成运放

当BWG>2MHz，BWP>20kHz，SR>6V/s。

5.2集成运算放大器小信号交流放大电路

教学要求

1. 理解集成运算构成的反相、同相交流放大电路的工作原理；

2.了解交流电压跟随器和汇集放大电路的特点。

一、反相交流放大电路

1.电路结构及动态参数

    电路如下图所示。

该电路采用双电源供电，要求正、负电源对称，静态时，运算放大器同相输入端和反相输入端以及输出端的静态电位都应为0V。

2.单电源供电的反相交流放大电路

其电路如下图所示。

为使放大的信号不失真，运算放大器的两输入端和输出端的静态电位必须大于0V，一般取电源电压的一半，因此图中电阻R2和R3为静态偏置电阻，当它们阻值相等时，在同相端得到的静态电位为1/2VCC，又由于“虚短”路，使得反相端的静态电位也为1/2VCC，这样结论：

（1）当运算放大器单电源应用构成线性放大器时，其同相端、反相端和输出端的静态电位相等，且一般为电源电压的一半；

（2）输入为差分电路，采用单电源时输入端静态电位不能为0；

（3）输出为OTL电路，静态输出电压为0.5VCC；

（4）为满足0输入时输入和输出端等电位，应使  U+=U-=UO=0.5VCC

二、同相交流放大电路

电路如下图所示，C1为输入耦合电容，R2提供同相输入端直流电路。

下图（a）所示电路由于同相端接入电阻R2，故使该电路的输入电阻降低，其值近似等于R2。

为了提高电路的输入电阻，可采用下图（b）所示电路，该电路中C2的容量取足够大，对交流短路，这样输出电压ｕo通过RF在R1上产生的反馈电压ｕa=ｕn，即ｕa≈ｕp，使R2中几乎没有交流电流通过，从而获得极高的输入电阻。

在同相放大器电路中加入静态偏置电阻，电路变为下图（a）所示电路。

图中R2和R3为电压偏置电阻，使得A点电位为VCC/2，通过电阻R1和RF，使得运算放大器的反相输入端和输出端的静态电位为VCC/2，又通过电阻R4，使运算放大器同相输入端的静态电位也为VCC/2。

电容C3为滤波电容，而C1和C2分别为输入和输出耦合电容。

该放大器的交流等效电路如下图（b）所示，显然其通带内电压放大倍数11。

三、交流电压跟随器与汇集放大电路

1.交流电压跟随器

2.汇集放大电路

在信号传输中，有时希望将几个交流信号汇集起来，而又要求各个信号源之间不产生相互影响，同时还要求汇集后各个信号之间不能产生相互调制，以避免出现新频率的信号。

由集成运算放大器构成的有源汇集电路可满足上述要求，其优点是没有汇集衰减，还可有增益，且交调产物小，制造方便。

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。

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。

5.3有源滤波电路

教学要求

1.掌握一阶有源低通滤波电路的工作原理；

2.熟悉有源高通、带通和带阻滤波电路的电路结构及频率特性；

3.了解二阶有源低通滤波电路的结构及频率特性。

滤波电路—使有用的频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。

分类：

按处理方法

按构成器件分

按处理信号分

按频率特性分

按传递函数分

硬件

滤波

软件

滤波

无源

滤波器

有源

滤波器

模拟

滤波器

数字

滤波器

低通

滤波器

高通

滤波器

带通

滤波器

带阻

滤波器

一阶

滤波器

二阶

滤波器

……

N阶

滤波器

理想滤波器的频率特性

一、有源低通滤波电路（LPF—LowPassFilter）

（一）一阶LPF

用简单的RC低通电路与集成运算放大器就可以构成一阶有源低通滤波电路。

一阶有源低通滤波器通带内具有增益Auf，同时，采用同相输入比例运算电路，可将实际负载RL与无源RC滤波电路隔开，从而使RL对滤波器特性影响很小。

（二）二阶LPF

在一阶低通滤波电路的基础上，再加一级RC低通电路就构成二阶有源低通滤波电路。

如下图（a）所示。

但图中第一级RC低通电路中C的下端不接地而接到集成运放的输出端，可在截止频率附近引入正反馈，使其幅频特性得到改善。

由于图中集成运放构成的同相比例运算电路实际上就是所谓压控电压源，故称图（a）所示电路为二阶压控电压源低通滤波电路，它的电压增益Auf=1+RFR1即为滤波器的通带电压增益。

二、有源高通滤波电路（HPF—HighPassFilter）

高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶关系，所以将低通滤波电路中滤波元件R和C的位置互换，即可得到高通滤波电路,其电路如下图所示。

三、有源带通滤波电路（BPF—BandPassFilter）

电路只允许某一频段内信号通过，有上限和下限两个截止频率，将高通滤波电路与低通滤波电路进行适当组合，就可获得带通滤波电路。

下图为二阶有源带通滤波电路，图中R、C组成低通电成路，C1、R3组高通电路，要求RC

四、有源带阻滤波电路

电路阻止某一频段的信号通过，而让该频段之外的所有信号通过，从而达到抗干扰的目的。

其电路如下图所示。

带阻滤波电路可由低通和高通滤波电路组成，其原理示意图如下图（a）所示，其中，低通滤波电路的截止频率fH应小于高通滤波电路的截止频率fL。

因此，电路的阻带为（fL-fH），如下图（b）所示。

5.4集成功率放大器及其应用

教学要求

1.掌握集成功放内部主体电路的组成部分及各部分电路的主要作用；

2.了解DG810集成功率放大器的电路特点；

3.了解TDA2040集成功率放大器外部引脚排列及电路特点。

引言

集成功率放大器组成：

前置级、中间级、输出级、偏置电路。

特点：

输出功率大、效率高；有过流、过压、过热保护，以保证器件在大功率状态下安全可靠工作。

一、LM386集成功放及其应用

LM386是一种低电压通用集成功率放大器。

1.引脚及其典型应用参数

2.内部电路

内部电路如上图所示，由输入级、中间级和输出级等组成。

输入级有V2、V4组成双端输入单端输出差分电路；V3、V5是其恒流源负载；V1、V6是射级跟随器，高Ri；V7~V12为功率放大电路；V7为驱动级（I0为恒流源负载）；V11、V12用于消除交越失真；V8、V10构成PNP准互补对称；1、8开强路时，负反馈最，整个电路的电压放大倍数Au=20，若在1、8间外接旁路电容，以短路R5两端的交流压降，可使电压放大倍数提高到200；调整RP（典型应用电路图），可使集成功放电压放大倍数在20~200之间变化；管脚7与地之间外接电解电容C5（典型应用电路图），C5可与R2组成直流电源去耦电路。

3.典型应用电路

5脚外接电容C3为功放输出电容，构成OTL电路；R1、R4是功率补偿电路，以抵消扬声器音圈电感在高频时产生的不良影响，改善功率放大电路的高频特性和防止高频自激。

输入信号ui由C1接同相输入端3脚，反相输入端2脚接地，故构成单端输入方式。

二、DG810集成功放及其应用

DC810集成功率放大器具有输出功率大、噪声小、频带宽、工作电源范围宽，具有保护电路等优点，是通常使用的标准集成音频功率放大器。

它由输入级、中间级、输出级、偏置电路及过压、过热保护电路等组成。

三、TDA2040集成功放及其应用

TDA2040集成功率放大器内部有独特的短路保护系统，可以自动限制功耗，从而保证输出级三极管始终处于安全区域；TDA2040内部还设置了过热关机等保护电路，使集成电路具有较高可靠性。

其主要参数有：

直流电源：

2.5~20V;开环增益：

80dB;功率带宽：

100kHz;输入阻抗：

50k;输出功率：

22W（RL=4）.

1.TDA2040双电源（OTL）应用其电路如下图所示，大电容滤除低频成分，小电容滤除高频成分。

2.TDA2040单电源（OTL）应用

第5章线性集成电路的应用

学习指导

1.简单RC低通和高通电路频率特性是分析放大电路频率特性的基础，因此，学会RC电路频率特性的分析方法，弄清RC电路下限频率和上限频率与电路参数的关系以及波特图的作法，后续内容学习打下必要的基础；

2.通过晶体管放大电路高频特性的学习，明白三极管PN结电容对放大电路高频特性的影响及混合∏型高频等效电路的应用，从而理解集成运放高频参数的意义；

3.通过集成运放小信号放大电路的学习，了解集成运放除可构成各种基本运算电路外，环可以用来构成各种交流放大电路；集成运放可采用双电源供电，也可采用单电源供电。

明确放大电路下限频率与耦合电容、上限频率与器件高频参数之间的关系，理解单电源供电电路中耦合电容器的作用；

4.有源滤波电路由集成运算放大器和无源RC电路组成，学习时应注意滤波电路构成特点及其分析方法，重点了解一阶有源低通滤波电路组成及特性分析，应该明确实际上一阶有源和无源低通滤波器有相同的滤波特性，不过有源电路在通带内可以有一定的增益，负载对滤波特性影响很小。

另外，应该明白高通滤波电路及特性与低通电路有对偶关系，知道二阶有源滤波电路的组成及性能特点；

5.集成功率放大器可通过典型器件应用电路和安装调试来熟悉其应用，了解其性能特点。

本章重点：

1.影响放大电路频率响应的因素；

2.研究频率响应的必要性；

3.单管放大电路下限频率和上限频率的求解方法；

4.波特图的画法；

5.RC电路频率特性的分析；

6.滤波的有关概念及有源滤波电路的识别；

7.各种滤波电路的用途及它们幅频特性的定性分析。

本章难点：

1.线性集成器件的高频参数及其影响；

2.有源滤波电路的识别及其分析计算；

第5章线性集成电路的应用

本章小结

   1.为什么要研究频率特性；

2.为什么放大电路的放大倍数在低频段和高频段会数值下降且产生附加相移；

3.什么是波特图，用波特图描述频率响应有什么好处；

4.考虑发射集电结的等效电容构造晶体管的高频等效电路；

5.为什么多级放大电路的通频带比组成它的任何一级放大电路都窄；为什么通用型集成运放的高频幅频特性有三个拐点频率，为什么其上限截止频率很低；

6.放大电路的通频带不是越宽越好，在不同场合对通频带宽窄要求不同，例如选频放大电路要求通频带在指定的频率范围内；

7.滤波的概念，包括有源滤波和无源滤波、低通、高通、带通、带阻滤波，定性说明各种滤波器的幅频特性及其应用场合；

8.以低通有源滤波器为例阐明有源滤波器的组成、主要参数和分析方法；说明在有源滤波器中是否一定要引入负反馈，是否能引入正反馈，是否会产生自激振荡，引入正反馈的作用是什么？