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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集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用http:/ 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
2、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。http:/ 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固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。即而变化的规律。即=相频特性是描绘输出信号与输入相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频
3、率变化而变化信号之间相位差随频率变化而变化的规律。即的规律。即http:/ 线性集成电路的应用 这些统称放大电路的频率响应。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。http:/ 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
4、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。http:/ 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：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http:/ 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
5、 RC低通电路的频率特性曲线http:/ 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波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。http:/ 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：高通电路：如图53所示。http:/ 线性集成电路的应用 由此可做
6、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http:/ 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http:/ 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
7、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http:/ 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用的部分，0即低频时的。而http:/ 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5
8、7所示。（3）单向化图57高频混合型小信号电路http:/ 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。http:/ 线性集成电路的应用 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http:/ 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http:/ 线性集成电路的应用
9、fT0f可由下式推出当f=fT时,有因fTf,所以,fT0fhttp:/ 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http:/ 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511CE接法基本放大电路图512
10、全频段微变等效电路http:/ 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：高频电压放大倍数：其中Aum为中频电压放大倍数.http
11、:/ 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)C2L3=Re/(RS+rbe)/1+Ce 式中RS=RS/Rb图514低频段微变等效电路http:/ 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，=1/2Lhtt
12、p:/ 线性集成电路的应用 完整的频率响应及波特图：完整的频率响应及波特图：频率响应表达式：频率响应表达式：http:/ 线性集成电路的应用 由由以上分析，可知作波特图的步骤：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：http:/ 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：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
13、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。是综合考虑。http:/ 线性集成电路的应用 2、增益带宽积设（1+gmRL）CC，则有：C=(1+gmRL)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：http:/ 线性集成电路的应用*5.1.3 集成运算放大器高频参数及
14、其影响要改善放大电路的高频性能，应选要改善放大电路的高频性能，应选小小rbb，Cob的管子，且的管子，且Rb要尽量小。要尽量小。（略）*5.2集成运算放大器小信号交流放大电路（略）http:/ 线性集成电路的应用 5.3有源滤波电路5.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路 图515低通滤波电路http:/ 线性集成电路的应用 输出电压为而所以传递函数为http:/ 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
15、(a)：http:/ 线性集成电路的应用 图516低通滤波电路的幅频特性http:/ 线性集成电路的应用 图517二阶低通滤波电路http:/ 线性集成电路的应用 5.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路 图518高通滤波电路http:/ 线性集成电路的应用 以图5-18(a)为例进行讲解。所以http:/ 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http:/ 线性集成电路的应用 图519高通滤波器的幅频特性其幅频特性如图5-19所示。http:/ 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http:/ 线性集成电路的应用 图520二阶高通滤波
16、电路http:/ 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hl的信号无法通过,同样,hl才能组成带阻电路。htt
17、p:/ 线性集成电路的应用 图图5 21 带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图 http:/ 线性集成电路的应用 图522带通滤波和带阻滤波的典型电路http:/ 线性集成电路的应用 5.4.1 LM386集成功率放大器及其应用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
18、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http:/ 线性集成电路的应用 http:/ 线性集成电路的应用 LM386内部电路如图5-23（a）所示,共有3级。V1V6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V8V10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
19、、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。http:/ 线性集成电路的应用 图523LM386集成功率放大器（a）内部结构图;（b）管脚排列http:/ 线性集成电路的应用 当1、8脚开路时,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10F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10F电容串接支路时,调整R可使电压放大倍数Auf在20200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
20、5-24所示。参照上面的说明,我们可以知道:http:/ 线性集成电路的应用 图524LM386典型应用电路图http:/ 线性集成电路的应用 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脚电压增益设定:其间接R2、10F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。http:/ 线性集
21、成电路的应用 附：附：其它集成功率放大器其它集成功率放大器 DG4100 内部电路组成简介内部电路组成简介 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。*5.4.2 DG810集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用*5.4.3 TDA2040集成功率放大器及其应用集成功率放大器及其应用（略）略）（略）略）http:/ 线性集成电路的应用 图图 5-25 DG4100集成功放集成功放与外接元件总与外接元件总电路图电路图 http:/
22、线性集成电路的应用 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上取得负半周输出信号。http:/ 线性集成电路的应用 DG4100集成功放的典型接线法集成功放的典型接线法 图图 5-26 DG4100集集成成功功放放的的典典型型接接线线法法 http:/ 线性集成电路的应用 TDA203
23、0A音频集成功率放大器简介音频集成功率放大器简介TDA2030A是目前使用较为广泛的一种集成功率放大器,与其它功放相比,它的引脚和外部元件都较少TDA2030A的电器性能稳定,并在内部集成了过载和热切断保护电路,能适应长时间连续工作,由于其金属外壳与负电源引脚相连,因而在单电源使用时,金属外壳可直接固定在散热片上并与地线（金属机箱）相接,无需绝缘,使用很方便。TDA2030A的内部电路如图527所示(其中VD为二极管)。TDA2030A使用于收录机和有源音箱中,作音频功率放大器,也可作其它电子设备中的功率放大。因其内部采用的是直接耦合,亦可以作直流放大。主要性能参数如下:http:/ 线性集成
24、电路的应用 图527TDA2030A集成功放的内部电路http:/ 线性集成电路的应用 图528TDA2030引脚排列及功能http:/ 线性集成电路的应用 电源电压UCC318V输出峰值电流3.5A输入电阻0.5M静态电流60mA（测试条件:UCC=18V）电压增益30dB频响BW0140kHz在电源为15V、RL=4时,输出功率为14W。外引脚的排列如图528所示。http:/ 线性集成电路的应用 TDA2030A 集成功放的典型应用集成功放的典型应用 1）双电源（OCL）应用电路图529电路是双电源时TDA2030A的典型应用电路。输入信号ui由同相端输入,R1、R2、C2构成交流电压串
25、联负反馈,因此,闭环电压放大倍数为为了保持两输入端直流电阻平衡,使输入级偏置电流相等,选择R3=R1。V1、V2起保护作用,用来泄放RL产生的感生电压,将输出端的最大电压钳位在（UCC+0.7V）和http:/ 线性集成电路的应用 图529由TDA2030A构成的OCL电路http:/ 线性集成电路的应用（-UCC-0.7V）上。C3、C4为去耦电容,用于减少电源内阻对交流信号的影响。C1、C2为耦合电容。2）单电源（OTL）应用电路对仅有一组电源的中、小型录音机的音响系统,可采用单电源连接方式,如图530所示。由于采用单电源供电,故同相输入端用阻值相同的R1、R2组成分压电路,使K点电位为U
26、CC/2,经R3加至同相输入端。在静态时,同相输入端、反向输入端和输出端皆为UCC/2。其它元件作用与双电源电路相同。http:/ 线性集成电路的应用 图530由TDA2030A构成的单电源功放电路http:/ 线性集成电路的应用 SHM1150型双极晶体管与MOS管混合的音频集成功率放大器集成化是功率放大器的发展必然，目前集成功率放大器大都工作在音频段。集成功率放大器的型号很多，在此仅举例说明之。图 531(a)给 出 集 成 音 频 功 率 放 大 器SHM1150型的内部简化电路图。这是一个由双极型晶体管和VMOS组成的功率放大器，允许电源电压为12V50V，电路最大输出功率可达150W
27、，使用十分方便，其外部接线如图531(b)所示。http:/ 线性集成电路的应用 图531SHM1150型BiMOS集成功率放大器(a)内部电路；(b)外部接线图http:/ 线性集成电路的应用 由图531(a)可见，输入级为带恒流源的双极型晶体管差分放大器(V1、V2)，双端输出。第二级为单端输出的差分电路(由PNP管V4、V5组成)，恒流源I2为其有源负载电流。http:/ 线性集成电路的应用 桥式集成功放桥式集成功放LM4860由两个功率放大器构成的桥式功放可以增大输出功率。如图532所示.负载(扬声器)RL跨接在A1和A2的输出端，故负载得到的交流输出功率PL为可见，桥式功放使输出功率增大到单个功放的四倍。A1和A2的同相端都加2.5V的偏压，以保证A1、A2正常工作。http:/ 线性集成电路的应用 图532桥式集成功放LM4860及其外部电路http:/