第五章线性集成电路的应用教案.doc

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1、第五章 线性集成电路的应用内容简介 线性集成电路主要有集成运算放大器、集成宽带放大器、集成功率放大器等，它们广泛用于各种信号的放大、运算与处理电路中。本章重点讨论线性集成器件在交流电路中的应用。 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。 因此，用线性集成电路构成各种交流电路时，其上限工作频率将取决于集成器件的高频参数。本章先介绍放大电路频率特性的基本概念，然后讨论线性集成电路在交流小信号放大、有源滤波及功率放大电路中的应用

2、及其调整测试方法。知识教学目标1.熟悉放大电路的频率特性。2.了解集成运放在小信号放大电路的应用。3.掌握集成功率放大器基本应用方法。技能教学目标 能够选择集成运算放大器芯片，并会对线性集成电路进行调整和测试。本章重点1.晶体三极管及其单级放大电路的高频特性。2.一阶低通滤波器的结构和工作特点。3.常用集成功率放大器的基本结构和功能。本章难点1.集成运算放大器的高频参数及其影响。2.有源高通、带通、带阻滤波电路的基本特性。5.1 放大电路的频率特性放大电路对正弦输入信号的稳态响应特性称为频率特性。有关放大电路频率特性的若干基本概念，已在第3章中作了介绍，这里将深入介绍频率特性的基本分析方法，并

3、对晶体三极管及其单级放大电路的高频特性、集成运算放大器的高频参数及其影响进行讨论。5.1.1 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 用电阻R和电容C构成的最简单的低通电路如图5.1.1(a)所示，由图可写出其电压传输系数为其幅频特性和相频特性分别为 由式(5.1.4)可知，当信号频率由零逐渐升高时，将逐渐下降，其幅频特性曲线如图5.1.1(b)所示。当时，所以称为低通滤波电路的上限截止频率，其通带范围为0。由于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。图5.1.1 简单RC低通电路(a)电路 (b)幅频特性曲线 (c)相频特性曲线 由式(5.1.5)可作出RC

4、低通电路的相频特性曲线如图5.1.1(c)所示，在时， 工程上为了作图简便起见，对图5.1.1所示的频率特性可采用下述的渐近折线来表示，所得的曲线则称为渐近波特图，简称波特图。1幅频特性波特图 根据以上近似可得，幅频特性的渐近波特图如图5.1.2(a)所示。 时是一条0dB的水平线，时是一条自出发、斜率为-20dB十倍频的斜线，两条渐近线在处相交，因此又称为转折频率。如果只对幅频特性进行粗略估算，则可用渐近线来表示。用渐近线代替实际幅频特性时最大误差发生在转折频率处。由式(5.1.4)可见，在处偏差为-3dB。图5.1.2 简单RC低通电路波特图(a)幅频波特图 (b)相频波特图2.相频特性波

5、特图 当时，式(5.1.5)可近似为 的渐近线；当时，式(5.1.5)可近似为，可得一条的渐近线。在时有，所以在=0.1 到=10区域内相频特性可用一条斜率为-450十倍频的直线代替。由上述三条渐近线构成的相频特性曲线如图5.1.2(b)所示。图中虚线为实际相频特性曲线，在=0.1及=10处两者误差为最大，其值为5.70。例5.1.1一RC低通电路如图5.1.3(a)所示，试求该电路的上限截止频率。图5.1.3 RC低通电路的求法 解：用戴维宁定理画出图5.1.3(a)的等效电路如图5.1.3(b)所示，由图可见，它是一个RC低通电路，所以，由式(5.1.2)可得它的上限截止频率为二、RC高通

6、电路的频率特性 图5.1.4 简单RC高通电路波特图(a)电路 (b)幅频波特图 (c)相频波特图 图5.1.4(a)所示为由RC构成的最简单的高通电路。由图可写出其电压传输系数为 则式(5.1.8)可写成 其幅频特性和相频特性分别为 由式(5.1.11)和式(5.1.12)，并仿照RC低通电路的波特图的绘制方法，即可画出RC高通电路的波特图，如图5.1.4(b)、(c)所示。由图可知，高通电路的下限截止频率(或称转折频率)为，0为阻带，为通带，所以它为一阶RC高通滤波电路。 上述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。例5.1.2 一RC高通电路如图5

7、.1.5所示，要求其下限截止频率=300Hz，试求电容C的容量为多大? 解：由图5.1.5可得回路电阻R=R1+R2=500+2000=2500。由式(5.1.9)可求得 图5.1.5高通电路C的求法 图5.1.6三极管混合“型高频等效电路5.1.2 三极管及其单级放大电路的高频特性一、三极管的高频特性 由于三极管PN结存在结电容，在高频应用时，考虑到它们的影响，三极管可用混合型等效电路来等效，混合型等效电路如图5.1.6所示。图中，B、E、C点分别是三极管的基极、发射极和集电极，B/点是基区内的一个等效端点，它是为了分析方便而引出来的。 图中rbb/表示从基极B到内部端点B/之间的等效电阻，

8、为基区体电阻。它是影响三极管高频特性的重要参数，高频管中其值比较小，约为几十欧。 为发射结交流等效电阻，其值与三极管静态工作点电流IEQ、低频电流放大系数有关，它们有如下的关系 为发射结电容，它是一个不恒定的电容，其值与工作状态有关。(见式5.1.17)。 为集电结电容，其值约为几个皮法，它就是电容，可以从手册中查到。由于跨接于输出和输入端之间，对放大器频带的展宽也起着极大的限制作用。 为受控电流源。为作用到发射结上的交流电压；gm为三极管的跨导，它表示晶体管有效输入电压对集电极输出电流 的控制作用，即gm定义为 由于，而三极管的低频电流放大系数，所以 上式说明跨导gm正比静态工作点电流IEQ

9、。 混合型等效电路中各参数均与频率无关，故适用于放大电路的高频特性分析。 在高频运用时，由图5.1.6可见，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，即导致三极管的电流放大系数随频率升高而下降。因此电流放大系数是频率的函数，其曲线如图5.1.7所示。图5.1.7 与频率的关系曲线 当时，下降为0.7070，所以将称为共发射极截止频率，当频率升高到时，值将下降到等于1，三极管将失去电流放大能力，称为特征频率。由图5.1.6可求得 当三极管接成共基极电路时，同样，其电流放大系数也将会受结电容的影响，随着工作频率的升高而下降，当下降到低频值0的0.707倍时的频率称为共基极截止频率正。

10、可证明 称为晶体管的频率参数，由式(5.1.16)式(5.1.18)可知：。二、三极管单级放大电路的高频特性 现以图5.1.8(a)所示共发射极电路为例，分析放大电路的高频特性。将三极管用混合型等效电路代入则得高频等效电路如图5.1.8(b)所示，由于跨接在输出端和输入端之间，这使电路分析很不方便，通常用密勒定理，将其简化成图5.1.8(c)所示电路。图中，CM是应用密勒定理后，折算到输入回路的等效电容，其值为 折算到输出回路的等效电容很小可略去，故图中没有画出。图5.1.8 共发射极放大电路的高频特性(a)电路 (b)高频等效电路 (c)简化高频等效电路 在低频时，、CM容抗很大而可断开，因

11、此可得放大电路的低频源增益为 由于图5.1.8(c)所示电路中， 及、CM构成低通电路，由此可得放大电路的源电压增益为 式中 为输入回路中与并联的总电阻。当时，由式(5.1.21)可知，故为放大电路的上限频率。 由以上分析可见，影响共发射极放大电路高频特性的三极管参数主要是和和越小，放大电路上限频率越高，放大电路的频带就越宽，另外还可以看出，放大电路的负载RL/及信号源内阻Rs的大小也会影响放大电路的高频特性，Rs越小，上限频率就越高；增大RL/虽可使增大，但由式(5.1.19)可见，它将使密勒电容CM增大，使放大电路的上限频率下降，所以，通频带和增益之间存在着矛盾，在设计电路时对这两者必须统

12、筹兼顾。为此可以用一个综合指标来衡量放大电路的高频特性，称为增益带宽积GBW，即 将有关公式代入，则可得 上式说明，当电路参数及三极管选定后GBW基本上是一个常数。 对于共集、共基放大电路也可采用上述方法进行分析，可得其上限频率比共发射极放大电路高得多，故共集电极、共基极放大电路具有良好的高频特性。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除了可构成各种基本运算电路外，也可以用来构成各种交流放大电路。集成运放构成交流放大电路时，可采用双电源供电，也可以采用单电源供电。采用电容耦合时，可以不考虑集成运放输入失调的影响，但集成运放的高频参数将对交流放大电路的上限频率起到限制作用。5.2

13、.1 反相交流放大电路 由集成运算放大器构成的反相交流放大电路如图5.2.1所示。图中C1为输入耦合电容，ui为交流信号源，因此i1、if也都为交流电流。该电路采用双电源供电，要求正、负电源对称，静态(即ui=0)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。图5.2.1交流反相放大电路 当输入交流信号时，放大器输出电压为 因此，放大电路的电压增益为 因为反相比例运算电路电压放大倍数，则式(5.2.1)可改写成 由式(5.2.2)可见，放大电路具有高通特性，其下限频率fL为 在通带内C1可视为短路，故通带内电压放大倍数为例5.2.1 已知集成运放741的BWG=1 MHz

14、，试估算图5.2.1所示交流放大电路的下限和上限频率。 解：由式(5.2.3)可求得下限频率fL为 根据式(5.1.27)可得上限频率fH为 图5.2.2(a)所示电路为单电源供电的反相交流放大电路，为使运算放大器能对交流信号进行有效的放大而不产生失真，此时运算放大器的两输入端和输出端的静态电位不能为0 V，而必须大于0 V，一般取电源电压Vcc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(12)Vcc，又由于“虚短路”，使得反相端的静态电位也为(12)Vcc，这样，可以得到如下结论：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

15、静态电位相等，且一般为电源电压的一半。图5.2.2单电源供电的反相交流放大电路(a)电路 (b)交流等效电路 图中C1、C2分别为交流输入和输出耦合电容，C3为滤波电容，要求它们对交流的容抗近似为零，这样可以画出交流等效电路如图5.2.2(b)所示。其电路形式和双电源供电的反相比例运算电路相同，因此其通带内电压放大倍数为例5.2.2 根据图5.2.2所示参数，试求放大电路的下限频率。 解：由图5.2.2可见，电路中由C1、R2和C2、RL形成两个RC高通电路。由C1R1组成的高通电路可得转折频率fL1为 由C2RL组成的高通电路可得转折频率fL2为 由于，所以放大电路的下限频率fL决定于fL2

16、，即5.2.2 同相交流放大电路 由集成运算放大器构成的同相交流放大器如图5.2.3(a)所示，图中C1为输入耦合电容，R2用以提供同相输入端直流通路。该电路的下限频率fL决定于C1及R2，即 在通带内，C1的容抗近似为零，所以电压增益为 图5.2.3(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，可采用图5.2.3(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U0通过RF在R1上产生的反馈电压，即，使R2中几乎没有交流电流通过，从而获得极高的输入电阻。图5.2.3 同相交流放大电路(a)一般电路 (b)高输入电阻

17、电路 如果上述同相放大器采用单电源供电，则电路中需加入静态偏置电阻，电路变为如图5.2.4(a)所示。图中R2和R3为电压偏置电阻，使得A点电位为Vcc2，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Vcc2，又通过电阻R4，使运算放大器同相输入端的静态电位也为Vcc2。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图5.2.4(b)所示，显然其通带内电压放大倍数为图5.2.4单电源供电同相放大器实用电路(a)实用电路 (b)交流等效电路5.3 有源滤波电路滤波电路是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。滤波电路种类很多，

18、由集成运算放大器、电容和电阻构成有源滤波器。由于有源滤波器不用电感，体积小，重量轻，谐振频率、增益和品质因数容易控制等而获得广泛应用。有源滤波电路有低通、高通、带通和带阻等型式。低通滤波电路指低频信号能通过而高频信号不能通过的电路，高通滤波电路则与低通滤波电路相反，带通滤波电路是指某一频段的信号能通过而该频段之外的信号不能通过的电路，带阻滤波电路与带通滤波电路作用相反。5.3.1 一阶有源低通滤波电路 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。5.3.2 有源带阻滤波电路 带阻滤波电路的作用与带通滤波电路相反，它是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，

19、从而达到抗干扰的目的。带阻滤波电路可由低通和高通滤波电路组成。 5.4 集成功率放大器及其应用集成功率放大器是由集成运算放大器发展而来的，它的内部电路一般也由前置级、中间级、输出级及偏置电路等组成，不过集成功放的输出级输出功率大、效率高。另外，为了保证器件在大功率状态下安全可靠工作，集成功放中还常设有过流、过压以及过热保护电路等。由于集成功放的种类很多，本节只介绍几种常用集成功放的组成及使用方法。5.4.1 LM386集成功率放大器及其应用 LM386是一种低电压通用型集成功率放大器，其内部电路如图5.4.1(a)所示，管脚排列如图5.4.1(b)所示，采用8脚双列直插式塑料封装。图5.4.1

20、(c)所示为它的典型应用电路。LM386集成功放典型应用参数为：直流电源电压范围412V；额定输出功率为660mW；带宽300kHz（管脚1、8开路）；输入阻抗50k。图5.4.1 LM386集成功率放大器(a)内部电路 (b)管脚排列 (c)典型应用电路 由图5.4.1(a)可见，LM386内部电路由输入级、中间级和输出级等组成。 输入级由V2、V4组成双端输入单端输出差分放大电路，V3、V5是其恒流源负载，V1、V6是为了提高输入电阻而设置的输入端射极跟随器，R1、R7为偏置电阻，该级的输出取自V4、V5的集电极。R5是差分放大电路的发射极负反馈电阻，管脚1、8开路时，负反馈最强，整个电路

21、的电压放大倍数为20倍，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。在实际使用中往往在1、8之间外接阻容串联电路，如图5.4.1(c)所示RP和C2，调节RP即可使集成功放电压放大倍数在20200之间变化。管脚7与地之间外接电解电容，如图5.4.1(c)所示C5，C5可与R2组成直流电源去耦电路。 中间级是本集成功放的主要增益级，它由V7和其集电极恒流源(I0)负载构成共发射极放大电路，作为驱动级。 输出级由V8、V10复合等效为PNP管与NPN管V9组成准互补对称功放电路，二极管V11、V12为V8、V9提供静态偏置，以消除交越失真，R6是级间电压串联负

22、反馈电阻。 图5.4.1(c)中，5脚外接电容C3为功放输出电容，以便构成OTL电路，R1、C4是频率补偿电路，用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 由C1接人同相输入端3脚，反相输入端2脚接地，故构成单端输入方式。5.4.2 TDA2040集成功率放大器及其应用 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；此外，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。它的主要应用参数为：电源电压2.520V，开环增益80dB，功率带宽100kHz，输入

23、电阻50k，负载为4时，输出功率可达22W，失真度仅为0.5。 TDA2040的应用比较灵活，既可以采用双电源供电构成OCL电路，也可以采用单电源供电构成OTL电路。5.5 线性集成器件应用电路的调整与测试一、集成运放交流放大器的调整与测试(一)目的 1.掌握用集成运放构成交流放大电路时元器件的选择方法。 2.熟悉集成运放电路的调整与测试，了解放大电路幅频特性测试过程。 3.提高处理集成运放电路故障的能力。(二)内容及要求1.电路设计 设计条件：工作频带为0.34kHz，输入电压Uim=100mV，输出电压Uom1.5V，负载为5.1k，输入电阻为1k，单电源供电方式。 设计要求：(1)决定电

24、路形式，选择集成运放类型；(2)决定电源电压；(3)决定电路元件参数值，选择元器件并列出材料表；(4)拟定调整测试步骤并列出记录表格。2.电路安装 在接插板上安装元器件，要求安装正确，接触可靠，布线合理、美观并便于调整测试。3.调整测试 (1)电路检查。特别注意集成运放输出端负载电阻RL不能直接与运放输出端相连接，而必须通过输出电容相接，否则通电后有可能损坏器件。 (2)通电检查各点直流电位。要求集成运放同相端、反相端和输出端的静态电位相等，且为电源电压的一半。若电位不正常，应断开直流电源，再进行电路检查，找出故障原因。 (3)动态测试。先调整有关元件参数，使电路性能达到设计要求，然后进行电路

25、性能测试，测出放大电路的增益及其频率特性、输入电阻和输出电阻。 测量幅频特性时，首先固定输入电压Uim=100mV，调节信号发生器的频率，使电路输出电压Uom为最大，把这个频率定为中频，用交流毫伏表或示波器测量中频时的Uom值，然后再调节信号发生器的频率升高和下降(维持Uim=100mV不变)，使 值分别下降到中频时的0.9、0.8、0.7、0.6、0.5倍，记录相应的频率及输出电压。通过计算，求出不同频率时的增益，画出对数幅频特性曲线，即画出横坐标为lgf，纵坐标为增益20lg(Uom/Uim)的幅频特性波特图。(三)设计调整测试报告1.目的、设计要求及设计过程。2.测试数据及测试结果分析，

26、测试总结。二、两级交流放大电路的调整与测试(一)目的1.熟悉多级放大电路元器件的选择方法。2.熟悉多级放大电路的调整与测试方法，提高排除电子电路故障的水平。(二)内容及要求1.电路设计 已知条件为：工作频率50Hz10kHz，最大不失真输出电压幅度Uom=5V，负载电阻RL=2k，输入电阻Ri=20k，中频放大倍数Au=1000。 设计要求：(1)确定电路级数、选择电路形式；(2)选择电路元器件；(3)拟定调整测试步骤。2.电路安装(要求同前)3.调整测试(要求同前)(三)设计调整测试报告(要求同前)(四)设计指导1.总体设计 (1)确定放大电路的级数。由于集成运放同相放大器的放大倍数在110

27、0之间，而反相放大器放大倍数在0.1100之间，本设计中要求Au=1 000，所以需要两级放大。 同相放大输入电阻很高，反相放大输入电阻决定于R1，其取值一般为lk1M之间。由于本设计要求输入电阻Ri=20k，较大，而且对噪声及共模信号的幅度等均无特殊要求，所以无需增加阻抗变换和隔离。因此输入级无论采用同相放大或反相放大均能满足输入电阻的要求。 由于最大不失真输出电压Uom=5V，RL=2k，要求最大不失真电流Iom=5V2k=2.5mA。因为一般运放输出电流在几毫安到几十毫安之间，故输出端无需特殊处理。 综上所述，本设计采用两级放大即可。 (2)选择电路形式。根据上面分析，电路形式无特殊要求

28、，所以这里选择一级同相放大与一级反相放大级联，并采用电容耦合方式，如图5.5.1所示。通常前级增益可以小一些，这样可使第一级运放工作在小信号状态。因此选择第一级集成运放时，只要考虑满足带宽而无需考虑转换速率的影响。因此，本设计取Au1=10，Au2=100。由于集成运放构成深度负反馈放大器时，放大倍数的分散性很小，所以设计时可不给放大倍数留有余量。若需改变其增益，调整外围电阻即可实现。图5.5.1 集成运放两级交流放大电路 (3)集成运放的选择。第一级工作在小信号状态下，要求集成运放的BWGAufmax(fmax为最高工作频率)或AudfHAufmax。本设计中，Au1=10、fmax=10M

29、Hz，因此选用BWG1010kHz=100kHz的运放即可。 由于第二级运放工作在大信号状态下，则要求集成运放的SR210103Hz5V=314103Vs=0.314V/s。 综上所述，可选择CF747通用型双运放，其主要参数为：SR=0.5 V/s，BWG=1MHz，故满足要求。2.电阻、电容元件的选择 根据输入电阻的要求，可取R3=Ri=20k。 根据R1RF1=R 3及1+ RF1R1=10可求得 R1=22k， R F1=200k 对于第二级，可先取R2=10k，则可得到 R F 2=Au2 R2=10010k=1M 平衡电阻 耦合电容的数值可按最低工作频率fL求得，它们分别等于 因此

30、可取C1、C2为4.7F，C3为22F的电解电容。三、LM386集成功率放大器的应用(一)目的1.熟悉集成功放的功能及其应用。2.掌握集成功率放大器应用电路的调整与测试。(二)内容及要求1.测试电路如图5.5.2所示，分析电路的工作原理，估算V管的静态工作点电流和电压。图5.5.2 集成功放LM386应用电路2.按图5.5.2所示电路配置元器件并对所有元器件进行检测。3.按图5.5.2所示电路进行组装，经检查接线没有错误后，接通9V直流电源。4.用万用表直流电压挡，测量三极管的直流工作点电压以及集成功放5脚对地电压，均应符合要求，否则应切断直流电源进行检查，查出原因后，方可再次接通直流电源进行测试。5.输入端用信号发生器输入800Hz、10mV左右的音频电压，扬声器中即有声音发出，调节RP，声音的强弱将会跟随变化。用示波器观察输出波形为正弦波后，再用交流毫伏表测量放大电路的电压增益，Au=U0/Ui，同时测出最大不失真功率的大小，并与理论估算值相比较。6.将一话筒置于输入端，模拟一扩音机来检验该电路的放大效果。(三)调试报告1.目的、主要内容及要求。2.电路工作原理分析，静态工作点、电压放大倍数、最大不失真功率的估算、测量值及其分析比较。