第5章 放大電路頻率響應

1、一、研究意義（必要性）一、研究意義（必要性）第第5章章 放大電路的頻率響應放大電路的頻率響應 在放大電路中，由于在放大電路中，由于電抗元件電抗元件( (如如電容、電感電容、電感線圈等線圈等) )及晶體管極間及晶體管極間電容電容的的存在存在，當輸入信號，當輸入信號的的頻率過低或過高過低或過高時，不但放大倍數(shù)會時，不但放大倍數(shù)會降低降低，而且還將產生超前或而且還將產生超前或滯滯后的后的相移相移。說明放大倍數(shù)是信號說明放大倍數(shù)是信號頻率的的函數(shù)函數(shù)，這種函數(shù)關，這種函數(shù)關系稱為系稱為頻率響應或響應或頻率特性。特性。 1. 1. 頻率特性的概念：頻率特性的概念：uA與輸入信號頻率（與輸入信號頻率（f

2、f ）之間的關系）之間的關系 fOAum(1)(1)幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性)()( ffAAuu Au( f ) 幅頻特性幅頻特性 ( f ) 相頻特性相頻特性0.707AumfOAuf L 下限截止頻率下限截止頻率 f H 上限截止頻率上限截止頻率 (2) 頻帶寬度頻帶寬度( (帶寬帶寬) )BW( (Band Width) )BW = f H - - f L f HfLfH5.1 簡單簡單 RC 低通和高通電路的頻率特性低通和高通電路的頻率特性RC 低通電路低通電路 頻率特性的描述頻率特性的描述RCoUiUfO|Au |10.707O45 90 fHf幅頻特性幅頻特性相頻特性

3、相頻特性90 fO|Au |10.707O45 fLf幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性RC 高通電路高通電路頻率特性的描述頻率特性的描述1CZj CooouiiiUZIZAUZIZRZRI.1111RRj Cj RC1iCRZZZRj CoRZZR 令令,RC1,LRC12LfRC一一、 RC 高通電路的頻率響應高通電路的頻率響應則：則：其中：其中：uA1LLffjfjf11Lfjf11uLAj21()LuLfAfff90argLtgff-幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性90argLftgf-分析上式：分析上式：（1 1）若）若 f = fL ：90（3）若）若 f fL ：1uA01uLfA

4、foiUU且且 f 每下降每下降1010倍，倍， 也下降也下降1010倍倍uA021()LuLfAfff波特圖波特圖( 對數(shù)坐標對數(shù)坐標 )頻率特性頻率特性90 fO|Au |10.707O45 fLff / fLO20lg|Au |/dB20O45 90 400.1 1 100.1 1 10f / fLP186高通高通幅頻特性波特圖幅頻特性波特圖f/Hz0-3-20-400. 1fLfL10fL0.01fL20dB /dec漸近線漸近線曲線曲線用漸進線取代曲線用漸進線取代曲線20lg /dBuA高通高通相頻特性波特圖相頻特性波特圖 090450.01fL0. 1fLfL10fLf/Hz高通高

5、通得：得：I.ooouiiiUZIZAUZIZHuffjA11RCfRCRCHH21,1,令：令：RCjCjRCj1111二二、RC 低通電路的頻率響應低通電路的頻率響應其中：其中：幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性211）（HuffAHfftgarg-（1 1）若）若 f = ff = fH H ：（2）若）若 f fH ：且且 f 每升高每升高1010倍，倍， 下降下降1010倍倍uA707. 0uA45-1uA00HufAfargHftgf -9 0HufAf低通電路波特圖低通電路波特圖例例 1例例 2求已知一階低通電路的上限截止頻率。求已知一階低通電路的上限截止頻率。0.01 F1 k

6、1 k 1/1 k 0.01 FRCf 21HF01. 0k5 . 014. 321 kHz)(8 .31 戴維寧定理等效戴維寧定理等效已知一階高通電路的已知一階高通電路的 fL = 300 Hz，求電容，求電容 C。500 C2 k RfCL21 2500Hz30014. 321F)(212. 0 5. 2 晶體管及其單級放大電路的頻率特性晶體管及其單級放大電路的頻率特性一一、半導體三級管的高頻特性半導體三級管的高頻特性1.完整混合完整混合 型高頻等效電路型高頻等效電路CmbeIg UCmbeIgU0mbegr2.簡化混合簡化混合 型高頻等效電路型高頻等效電路fCbii3.單向化混合單向化混

7、合 型高頻等效電路型高頻等效電路4. 忽略忽略 混合混合 型高頻等效電路型高頻等效電路C二、單管共射二、單管共射 放大電路的頻率特性放大電路的頻率特性單管共射放大電路及其等效電路單管共射放大電路及其等效電路1.單管共射放大電路的單管共射放大電路的中頻等效電路中頻等效電路2.單管共射放大電路的單管共射放大電路的低頻等效電路低頻等效電路3.單管共射放大電路的單管共射放大電路的高頻等效電路高頻等效電路三三 、全頻段頻率響應、全頻段頻率響應.j. (1j)(1)(1j)(1j)usmLusmuuLLHHffAAAAffffffff-或已知: 某電路的波特圖如圖所示，試寫出uA的表達式。 設電路為基本共

8、射放大電路或基本共源放大電路。)10j1)(10j1 (3.2j )10j1)(j101 (3255fffAffAuu-或已知某共射放大電路的波特圖如圖所示，試寫出已知某共射放大電路的波特圖如圖所示，試寫出 的表達式。uA 中頻電壓增益為40dB，即中頻放大倍數(shù)為100；下限截止頻率為1Hz和10Hz，上限截止頻率為250kHz。uA)105 . 2j1)(10j1)(j1 (10 )105 . 2j1)(j101)(j11 (100 525-ffffAfffAuu或)10j1)(10j1 (j105fffAu-已知某電路電壓放大倍數(shù)（2）畫出波特圖。）畫出波特圖。試求：（1）Aum？fL？f

9、H ?Hz10Hz10100)10j1)(10j1 (10j1005HLm5-ffAfffAuu解解:（1）波特圖。波特圖。（2）7. 3 多級放大器的頻率響應多級放大器的頻率響應P1997. 4 集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響一一、小信號頻率參數(shù)小信號頻率參數(shù)f / Hz20lgAud (f) /dBf HOf T1. 開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BWBW = f H2. 單位增益帶寬單位增益帶寬 BWGBWG = f T運放閉環(huán)工作時運放閉環(huán)工作時， 帶寬增益帶寬增益積積= Aud f HfH 為開環(huán)增益下降為開環(huán)增益下降 3 dB 時的頻時的頻率率通用型通用型集成運放帶

10、寬集成運放帶寬較較窄窄( (幾赫幾赫茲茲) )f T 為開環(huán)增益下降至為開環(huán)增益下降至 0 dB( (即即Aud = 1) )時的頻率時的頻率帶寬增益帶寬增益積積 = 1 f T= f T = BWG= Aud f HBWG = Aud BWf = 0，使，使 Auf = 1，當，當 Auf 降為降為 0.707 時，此時的頻率即為時，此時的頻率即為 fT。BWG = Auf BWf如如 741 型運放型運放: Aud = 104，BW = 7 Hz，Auf = 10，則則 BWf = 7 kHz0二二、大信號頻率參數(shù)大信號頻率參數(shù)1. 轉換速率轉換速率 SR輸入輸入輸出輸出maxoddtuS

11、R A 741 為為 0.5 V/ s高速型高速型 SR 10 V/ s否則將引起輸出波形失真否則將引起輸出波形失真例如：例如：tUu sinomo om0ooddddmaxUtututt 則：則：須使：須使： SR 2 f Uom A741，Uom= 10 V 最高不失真頻率為最高不失真頻率為 8 kHz2. 全功率帶寬全功率帶寬 BWP輸出為最大峰值電壓時不產生明顯失真的最高工作頻率輸出為最大峰值電壓時不產生明顯失真的最高工作頻率三三、高速寬帶集成運放高速寬帶集成運放當當 BWG 2 MHz， BWP 20 kHz，SR 6 V/ s選高速寬帶運放選高速寬帶運放5.3有源濾波有源濾波電電路

12、路 引引言言 5.3.2 有源高通濾波有源高通濾波電電路路 5.3.3 有源帶通濾波有源帶通濾波電電路路 5.3.1 有源低通濾波有源低通濾波電電路路第第 5 章線性集成電路的應用章線性集成電路的應用7. 4 有源濾波有源濾波電路電路 引言引言濾波電路濾波電路 有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。分類：分類：按處理按處理方法分方法分硬件濾波硬件濾波軟件濾波軟件濾波按所處理按所處理信號分信號分模擬濾波器模擬濾波器數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器按構成按構成器件分器件分無源濾波器無源濾波器有源濾波器有源濾波器按頻率按頻率特性分特性分低通濾波器低通濾波器高通濾

13、波器高通濾波器帶通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器理想濾波器的頻率特性理想濾波器的頻率特性fuAlg20fuAlg20fuAlg20fuAlg20通通通通通通 阻阻 通通阻阻 通通 阻阻阻阻阻阻低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻按傳遞按傳遞函數(shù)分函數(shù)分一階濾波器一階濾波器二階濾波器二階濾波器N 階濾波器階濾波器: :一、有源低通濾波一、有源低通濾波電路電路( (LPFLow Pass Filter) )1. 一階一階 LPF 通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù))1(j1j11fioRRCRCUUAu Rf8CR1RoUiUHfuffj1A 其中，其中， Auf = 1 + Rf /R1fH = 1/2

14、 RC 上限截止頻率上限截止頻率Hf j11f/fAAuu 2Hf)/(11lg20lg20ffAAuu )/( arctanHff- - fH歸一化歸一化幅頻特性幅頻特性fdB/lg20fuuAA0- -3- -20 dB /十倍頻十倍頻2. 二階二階 LPF(1) 簡單二階簡單二階 LPF8CR1RCRRfoUiUPU通帶增益：通帶增益： Auf = 1 + Rf/R1問題：問題：在在 f = fH 附近，輸出幅度衰減大附近，輸出幅度衰減大。40 dB/ 十倍頻十倍頻- -40f / fH0- -10- -2010- -301dB/lg20fuuAA改進思路：改進思路：在提升在提升 fH

15、附近的輸出幅度。附近的輸出幅度。(2) 實用二階實用二階 LPF8CR1RfRCRoUiURCf 212nn Q = 1 / (3 - - Auf)Q 等效品質因數(shù)等效品質因數(shù)- -40f / fn0- -3- -10- -2010- -30Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51dB/lg20fuuAAn2nfioj)(1 QAUUAuu - - 正反饋提升了正反饋提升了 f n 附近的附近的 Au。Good!Auf = 3 時時 Q 電路產生電路產生自激自激振蕩振蕩 uA40 dB/十倍頻十倍頻特征頻率：特征頻率：當當 Q = 0.707 時，時，fn = fH。例例 5.3.1

16、 已知已知 R = 160 k ，C = 0.01 F， R1 = 170 k ，Rf = 100 k ，求該濾波器的截止頻率、通帶增益及，求該濾波器的截止頻率、通帶增益及 Q 值。值。8CR1RfRCRoUiU 解解 RCf 21n - -z( 5 .99 1001. 0106012163nf588. 1170100111ff RRAuQ = 1/(3 - - Auf) = 1/(3 - - 1.588) = 0.708Q = 0.707 時，時， fn = fH特征頻率：特征頻率：上限截止頻率：上限截止頻率：fH = 99.5 Hz二、二、 有源高通濾波有源高通濾波電路電路( (HPFHi

17、gh Pass Filter) )8CR1RfRCRoUiU通帶增益：通帶增益： Auf = 1 + Rf / R1RCf 21nQ = 1/(3 - - Auf)f / fn0- -3- -10- -2010- -30- -40Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51dB/lg20fuuAAAuf = 3 時，時，Q ， uA電路產生電路產生自激自激振蕩振蕩二階低通、高通，為防止自激，應使二階低通、高通，為防止自激，應使 Auf fLiU8CR1RfRC1R3R2oULPFBPF要求要求 R3 C1 RC中心頻率中心頻率：RCf 210等效品質因素：等效品質因素： Q = 1/(3

18、 - - Auf)通頻帶：通頻帶：BW = f0 /Q最大電壓增益：最大電壓增益： Au0 = Auf /(3 - - Auf)= 2R= C= R8CR1RfRC1R3R2iUoU例例5.3.2 已知已知 R = 7.96 k ，C = 0.01 F， R3 = 15.92 k ，R1= 24.3 k ，Rf = 46.2 k 求該電路的中心頻率求該電路的中心頻率、帶寬、帶寬 BW及通帶最大增益及通帶最大增益 Au0。 解解 RCf 210 - -zk( 21001. 0107.9621639 . 23 .242 .46111ff RRAuQ = 1/(3 - - Auf)= 1/(3 -

19、- 2.9) = 10BW = f0 /Q= 2 000 /10 = 200 (Hz)Au0 = Auf /(3 - - Auf) = 2.9 /(3 - - 2.9 ) = 297. 4 LM386 集成功放及其應用集成功放及其應用一、一、 典型應用參數(shù)：典型應用參數(shù)：直流電源：直流電源： 4 12 V額定功率：額定功率： 660 mW帶帶 寬：寬： 300 kHz輸入阻抗：輸入阻抗： 50 k 12348765引腳圖引腳圖二、二、 內部電路內部電路V1、V6：V3、V5：V2、V4：射級跟隨器，高射級跟隨器，高 Ri雙端輸入單端輸出差分電路雙端輸入單端輸出差分電路恒流源負載恒流源負載V7

20、V12： 功率放大電路功率放大電路1. 8 開路時，開路時， Au = 20( (負反饋最強負反饋最強) )1. 8 交流短路交流短路 Au = 200( (負反饋最弱負反饋最弱) )V7 為驅動級為驅動級( (I0 為恒流源負載為恒流源負載) )V11、V12 用于消除交越失真用于消除交越失真V8、V10 構成構成 PNP 準互補對稱準互補對稱電壓串電壓串聯(lián)負反聯(lián)負反饋饋 LM3861234785RPC1C2C3C4C5C610 F36 k 10 F100 F220 F0.1 F8 10 .047 F+VCC63. 典型應用電路典型應用電路輸出電容輸出電容( (OTL) )頻率補償，抵消電頻

21、率補償，抵消電 感高頻的不良影響感高頻的不良影響防止自激等防止自激等調節(jié)電壓調節(jié)電壓放大倍數(shù)放大倍數(shù)小小 結結: : uALLffj1ffj Hffj11 0uA 一、單管共射放大電路的頻率響應：一、單管共射放大電路的頻率響應：波特圖與表達式波特圖與表達式1. 高低頻轉折次數(shù)與表達式項數(shù)相同高低頻轉折次數(shù)與表達式項數(shù)相同2. 低頻與耦合方式低頻與耦合方式二、多級放大電路的頻率響應：二、多級放大電路的頻率響應：三、有源濾波三、有源濾波1. 濾波電路的分類濾波電路的分類低通濾波器低通濾波器 LPF高通濾波器高通濾波器 HPF帶通濾波器帶通濾波器 BPF帶阻濾波器帶阻濾波器 BEF2. 有源濾波電路

22、的構成有源濾波電路的構成RC 高通電路高通電路 + 運算放大器運算放大器 = 有源高通濾波有源高通濾波RC 低通電路低通電路 + 運算放大器運算放大器 = 有源低通濾波有源低通濾波3. 濾波電路的性能濾波電路的性能一階濾波：阻帶幅頻以一階濾波：阻帶幅頻以 20 dB/ 十倍頻下降十倍頻下降二階濾波：阻帶幅頻以二階濾波：阻帶幅頻以 40 dB/ 十倍頻下降，為了提升截止十倍頻下降，為了提升截止頻率附近的幅頻特性，電路中可引入適當?shù)恼答?。頻率附近的幅頻特性，電路中可引入適當?shù)恼答?。RC 低通低通 與與 RC 高通高通串串聯(lián)聯(lián) + 運算放大器運算放大器 = 有源有源帶通帶通濾波濾波RC 低通低通

23、 與與 RC 高通高通并并聯(lián)聯(lián) + 運算放大器運算放大器 = 有源有源帶阻帶阻濾波濾波一、簡單一、簡單 RC 電路的頻率特性電路的頻率特性RC 低通電路低通電路RCoUiURCoUiURC 高通電路高通電路H j11ffAu ffAuL j11- - 90fO|Au |10.707O45 fHf90fO|Au |10.707O45 fLf小小 結結: :二、放大電路的高頻特性二、放大電路的高頻特性BB CiUoUErbb rb eCb eCb cebm Ug1. 晶體管混合晶體管混合 型等效電路型等效電路 ( (了解了解) )2. 集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響

24、f o0.707 of 1f T晶體管放大電路晶體管放大電路增益帶寬積增益帶寬積 G BW Aus0 fH = 常數(shù)常數(shù) 小信號小信號頻率參數(shù)頻率參數(shù)開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬 BW = fH單位增益帶寬單位增益帶寬 BWG = Aud BW = Auf BWf = fT閉環(huán)帶寬閉環(huán)帶寬 BWf = fHf帶寬增益積帶寬增益積 GBW = Aud BW大信號動態(tài)參數(shù)：大信號動態(tài)參數(shù)： 轉換速率轉換速率 SR全功率帶寬全功率帶寬 BWP第第 5 章小結章小結三、集成運放小信號交流放大電路三、集成運放小信號交流放大電路1. 耦合電容構成高通電路對下限頻率的影響耦合電容構成高通電路對下限頻率的影響RCf 21

25、L當電路中只有一個當電路中只有一個 RC 高通電路時：高通電路時：當電路中有兩個當電路中有兩個 RC 高通電路時：高通電路時：,maxL2L1Lfff 耦合電容的大小不僅要滿足下限頻率要求，還要不引起自耦合電容的大小不僅要滿足下限頻率要求，還要不引起自激，故不能因信號頻率高而隨意減小其數(shù)值。激，故不能因信號頻率高而隨意減小其數(shù)值。2. 閉環(huán)放大倍數(shù)對上限頻率的影響閉環(huán)放大倍數(shù)對上限頻率的影響閉環(huán)放大倍數(shù)閉環(huán)放大倍數(shù) Auf 越小，越小，上限頻率上限頻率 fH 越大：越大：fGfdHuuuABWABWAf 3. 采用單電源時的電路特點采用單電源時的電路特點1) )輸出接耦合電容，采用輸出接耦合電容，采用 OTL 電路形式。電路形式。2) )輸入端的靜態(tài)電壓為輸入端的靜態(tài)電壓為 VCC/2。第第 5 章小結章小結四、有源濾波四、有源濾波1. 濾波電路的分類濾波電路的分類低通濾波器低通濾波器 LPF高通濾波器高通濾波器 HPF帶通濾波器帶通濾波器 BPF帶阻濾波器帶阻濾波器 BEF2. 有源濾波電路的構成有源濾波電路的構成RC 高