放大器的頻率特性與集成運算放大器的應(yīng)用

放大器的頻率特性與集成運算放大器的應(yīng)用第一頁，共66頁。5.1放大電路的頻率特性[問題提出]

前面所講述的均以單一頻率的正弦信號來研究，事實上信號的頻率變化比較寬（例如聲音信號、圖象信號），對一個放大器，當(dāng)Ui一定時，f變化Uo變化，即Au=Uo/Ui

變化，換句話說：Au與f有關(guān)。

為什么Au與f有關(guān)呢？什么是頻率響應(yīng)？

頻率響應(yīng)：指放大器對不同頻率的正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。其表示方法：Av(f)Φ(f)其中Av(f)為幅頻響應(yīng)、Φ(f)為相頻響應(yīng)。

第一頁第二頁，共66頁。

放大電路的頻率特性包括兩部分：

幅度頻率特性相位頻率特性幅頻特性是描繪輸入信號幅度固定，輸出信號的幅度隨頻率變化而變化的規(guī)律。即∣∣=∣∣=相頻特性是描繪輸出信號與輸入信號之間相位差隨頻率變化而變化的規(guī)律。即第二頁第三頁，共66頁。這些統(tǒng)稱放大電路的頻率響應(yīng)。幅頻特性偏離中頻值的現(xiàn)象稱為幅度頻率失真;相頻特性偏離中頻值的現(xiàn)象稱為相位頻率失真。

放大電路的幅頻特性和相頻特性，也稱為頻率響應(yīng)。因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同，從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為幅度頻率失真，簡稱幅頻失真。放大電路對不同頻率成分信號的相移不同，從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為相位頻率失真，簡稱相頻失真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。第三頁第四頁，共66頁。

產(chǎn)生頻率失真的原因是:1.放大電路中存在電抗性元件，例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、PN結(jié)電容、分布電感等;

2.三極管的

(

)是頻率的函數(shù)。在研究頻率特性時，三極管的低頻小信號模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。

電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因素，研究頻響實際上是研究電抗元件的存在，對放大器放大倍數(shù)的影響。

當(dāng)f低時，主要是耦合電容、旁路電容起作用。當(dāng)f高時，主要是PN結(jié)電容起作用。第四頁第五頁，共66頁。5.1.1RC低通電路和RC高通電路

RC低通電路：如圖5－1所示。圖5－1RC低通電路其電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為第五頁第六頁，共66頁。由以上公式可做出如圖5－2所示的RC低通電路的近似頻率特性曲線：圖5－2RC低通電路的頻率特性曲線第六頁第七頁，共66頁。

幅頻特性的X軸和Y軸都是采用對數(shù)坐標(biāo),稱為上限截止頻率。當(dāng)時，幅頻特性將以十倍頻20dB的斜率下降，或?qū)懗?20dB/dec。在處的誤差最大，有－3dB。當(dāng)時，相頻特性將滯后45°，并具有

-45

/dec的斜率。在0.1和10處與實際的相頻特性有最大的誤差，其值分別為+5.7°和－5.7°。

這種折線化畫出的頻率特性曲線稱為波特圖，是分析放大電路頻率響應(yīng)的重要手段。第七頁第八頁，共66頁。其電壓放大倍數(shù)為：式中 下限截止頻率、模和相角分別為

RC高通電路：如圖5－3所示。第八頁第九頁，共66頁。由此可做出如圖5－4所示的RC高通電路的近似頻率特性曲線。圖5－4RC高通電路的近似頻率特性曲線第九頁第十頁，共66頁?；旌夕行透哳l小信號模型是通過三極管的物理模型而建立的，三極管的物理結(jié)構(gòu)如圖5－5所示。rb'e---re歸算到基極回路的電阻

---發(fā)射結(jié)電容，也用C

這一符號---集電結(jié)電阻---集電結(jié)電容，也用C

這一符號

rbb'---基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個點。圖5－5雙極型三極管物理模型（1）物理模型---發(fā)射結(jié)電阻

re5.1.2晶體管及其單級放大電路的高頻特性一、晶體三極管的高頻特性第十頁第十一頁，共66頁。根據(jù)這一物理模型可以畫出混合π型高頻小信號模型，如圖5－6所示。圖5－6高頻混合π型小信號模型電路這一模型中用代替，這是因為β本身就與頻率有關(guān)，而gm與頻率無關(guān)。推導(dǎo)如下:（2）用代替第十一頁第十二頁，共66頁。由此可見gm是與頻率無關(guān)的

0和rb’e的比，因此gm與頻率無關(guān)。若IE=1mA，gm=1mA/26mV≈38mS。gm稱為跨導(dǎo)，還可寫成β0反映了三極管內(nèi)部，對流經(jīng)rb'e的電流的放大作用。是真正具有電流放大作用的部分，β0即低頻時的β。而第十二頁第十三頁，共66頁。在π型小信號模型中，因存在Cb’c和rb’c,對求解不便，可通過單向化處理加以變換。首先因rb’c很大，可以忽略，只剩下Cb’c。可以用輸入側(cè)的C

’和輸出側(cè)的C

’’兩個電容去分別代替Cb’c，但要求變換前后應(yīng)保證相關(guān)電流不變，如圖5－7所示。（3）單向化圖5－7高頻混合π型小信號電路第十三頁第十四頁，共66頁。電流放大系數(shù)β的頻響

從物理概念可以解釋隨著頻率的增高,β將下降。因為

圖5－9的等效電路

是指在VCE一定的條件下,在等效電路中可將CE間交流短路，于是可作出圖5－9的等效電路。第十四頁第十五頁，共66頁。由此可求出共射接法交流短路電流放大系數(shù)。

β可由下式推出第十五頁第十六頁，共66頁。由此可做出β的幅頻特性和相頻特性曲線，如5－10圖所示。

圖5－10三極管β的幅頻特性和相頻特性曲線當(dāng)β=1時對應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT，且有fT≈β0f

當(dāng)20lgβ下降3dB時,頻率f

稱為共發(fā)射極接法的截止頻率第十六頁第十七頁，共66頁。

fT≈β0

f

可由下式推出

當(dāng)f=fT時,有因fT>>f,所以,fT≈β0

f

第十七頁第十八頁，共66頁。全頻段小信號模型高頻段小信號微變等效電路低頻段小信號微變等效電路

頻響的基本分析方法（頻率特性的描寫方法）：1、分段描寫（高、中、低）根據(jù)影響各區(qū)段Au的主要因素進(jìn)行分析。2、頻響特性用對數(shù)描寫，幅度以分貝為單位，相位以度為單位。

二、晶體管單級放大電路的高頻特性第十八頁第十九頁，共66頁。全頻段小信號模型對于圖5－11所示的共發(fā)射極接法的基本放大電路，分析其頻率響應(yīng)，需畫出放大電路從低頻到高頻的全頻段小信號模型，如圖5－12所示。然后分低、中、高三個頻段加以研究。圖5－11CE接法基本放大電路圖5－12全頻段微變等效電路第十九頁第二十頁，共66頁。顯然這是一個RC低通環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)

H={[(Rs//R'b)+rbb']//rb'e}C'

于是上限截止頻率fH=1/2

H

。高頻段小信號微變等效電路將全頻段小信號模型中的C1、C2和Ce短路，即可獲得高頻段小信號模型微變等效電路，如圖5－13所示。設(shè)放大電路的中頻電壓放大倍數(shù)為AvsM，其頻率特性曲線與RC低通電路相似。只不過其幅頻特性在Y軸方向上上移了20lgAvsM(dB)。相頻特性則在Y軸方向上向下移180

，以反映單級放大電路倒相的關(guān)系。（動畫5-3）圖5－13高頻段微變等效電路高頻電壓放大倍數(shù)：

其中Aum為中頻電壓放大倍數(shù).第二十頁第二十一頁，共66頁。低頻段小信號微變等效電路低頻段的微變等效電路如圖5－14所示，C1、C2和Ce被保留，C'

被忽略。顯然，該電路有三個RC電路環(huán)節(jié)。當(dāng)信號頻率提高時，它們的作用相同，都有利于放大倍數(shù)的提高，相當(dāng)于高通環(huán)節(jié)，有下限截止頻率。

L1=[(R'b//rbe)+RS]C1

L2=(Rc+RL)C2

L3={Re//[(R'S+rbe)/1+

]}Ce

式中R'S=RS//R'b

圖5－14低頻段微變等效電路第二十一頁第二十二頁，共66頁。如果

L在數(shù)值上較小的一個與其它兩個相差較大，有4～5倍之多，可將最大的fL作為下限截止頻率，然后做波特圖。低頻電壓放大倍數(shù)：其中:Aum為中頻放大倍數(shù)為下限截止頻率，=1/2πτL第二十二頁第二十三頁，共66頁。完整的頻率響應(yīng)及波特圖：頻率響應(yīng)表達(dá)式：第二十三頁第二十四頁，共66頁。由以上分析，可知作波特圖的步驟：（1）先求出中頻電壓放大倍數(shù)，方法通前；（2）確定分別在高頻和低頻時影響Au的電容器的個數(shù)；（3）分別求出各電容器回路的時間常數(shù)；（4）比較各時間常數(shù)，低頻時取時間常數(shù)小的轉(zhuǎn)化為fL，高頻時取時間常數(shù)大的轉(zhuǎn)化為fH，轉(zhuǎn)化式f=1/2πτ，如相差很近，一般小于4倍，則有：

第二十四頁第二十五頁，共66頁。下面討論頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積：

頻率響應(yīng)的改善主要是通頻帶變寬，即是高頻時性能的改善，其高頻等效電路如圖所示：

1、通頻帶fbw=fH-fL(要使fbw加寬有兩種方法)（1）fL下降（即是使耦合電容C所在回路的時間常數(shù)取值大）亦是R或C增大，改善有限。（2）fH增大（。。。。）就會使Au下降。于是形成了帶寬和增益的矛盾，合理的解決的辦法是綜合考慮。

第二十五頁第二十六頁，共66頁。2、增益帶寬積設(shè)（1+gmRL’）Cμ>>Cπ，則有：Cπ’=(1+gmRL’)Cμ=gmRL’Cμ

所以：當(dāng)晶體管選定后rbb’,Cμ就確定，因此放大倍數(shù)與帶寬積就確定了。因為：第二十六頁第二十七頁，共66頁。*5.1.3集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響要改善放大電路的高頻性能，應(yīng)選小rbb’，Cob的管子，且Rb要盡量小。（略）*5.2集成運算放大器小信號交流放大電路（略）第二十七頁第二十八頁，共66頁。5.3有源濾波電路5.3.1有源低通濾波電路圖5–15低通濾波電路第二十八頁第二十九頁，共66頁。輸出電壓為而所以傳遞函數(shù)為第二十九頁第三十頁，共66頁。低通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)是當(dāng)工作頻率趨近于零時,其輸出電壓Uo與其輸入電壓Ui的比值,記作Aup；截止角頻率是隨著工作頻率的提高,電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù)的模)下降到時,對應(yīng)的角頻率,記作ωo。對于圖5-15(a)：第三十頁第三十一頁，共66頁。圖5–16低通濾波電路的幅頻特性第三十一頁第三十二頁，共66頁。圖5–17二階低通濾波電路第三十二頁第三十三頁，共66頁。5.3.2有源高通濾波電路圖5–18高通濾波電路第三十三頁第三十四頁，共66頁。以圖5-18(a)為例進(jìn)行講解。所以第三十四頁第三十五頁，共66頁。則式中Aup為通帶電壓放大倍數(shù)通帶截止角頻率第三十五頁第三十六頁，共66頁。圖5–19高通濾波器的幅頻特性其幅頻特性如圖5-19所示。第三十六頁第三十七頁，共66頁。同樣的方法可以得到圖5-18(b)的特性式中第三十七頁第三十八頁，共66頁。圖5–20二階高通濾波電路第三十八頁第三十九頁，共66頁。5.3.3帶通濾波電路和帶阻濾波電路將截止頻率為ωh的低通濾波電路和截止頻率為ωl的高通濾波電路進(jìn)行不同的組合,就可獲得帶通濾波電路和帶阻濾波電路。如圖5-21(a)所示,將一個低通濾波電路和一個高通濾波電路“串接”組成帶通濾波電路,ω＞ωh的信號被低通濾波電路濾掉,ω＜ωl的信號被高通濾波電路濾掉,只有當(dāng)ωl＜ω＜ωh時信號才能通過,顯然,ωh＞ωl才能組成帶通電路。圖5-21(b)為一個低通濾波電路和一個高通濾波電路“并聯(lián)”組成的帶阻濾波電路,ω＜ωh信號從低通濾波電路中通過,ω＞ωl的信號從高通濾波電路通過,只有ωh＜ω＜ωl的信號無法通過,同樣,ωh＜ωl才能組成帶阻電路。第三十九頁第四十頁，共66頁。圖5–21帶通濾波和帶阻濾波電路的組成原理圖第四十頁第四十一頁，共66頁。圖5–22帶通濾波和帶阻濾波的典型電路第四十一頁第四十二頁，共66頁。

5.4.1LM386集成功率放大器及其應(yīng)用

目前集成功放電路已大量涌現(xiàn),其內(nèi)部電路一般均為OTL或OCL電路,集成功放除了具有分立元件OTL或OCL電路的優(yōu)點,還具有體積小、工作穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點,因而獲得了廣泛的應(yīng)用。低頻集成功放的種類很多,較常用的器件列在表5-1中。下面以LM386為例作一簡單介紹。LM386是一種低電壓通用型低頻集成功放。該電路功耗低、允許的電源電壓范圍寬、通頻帶寬、外接元件少,廣泛用于收錄音機、對講機、電視伴音等系統(tǒng)中。5.4集成功率放大器及其應(yīng)用第四十二頁第四十三頁，共66頁。第四十三頁第四十四頁，共66頁。LM386內(nèi)部電路如圖5-23（a）所示,共有3級。V1～V6組成有源負(fù)載單端輸出差動放大器作輸入級,V5、V6構(gòu)成鏡像電流源作差放的有源負(fù)載以提高單端輸出時差動放大器的放大倍數(shù)。中間級是由V7構(gòu)成的共射放大器,也采用恒流源I作負(fù)載以提高增益。輸出級由V8～V10組成準(zhǔn)互補推挽功放,VD1、VD2組成功放的偏置電路以利于消除交越失真。LM386的管腳排列如圖5-23（b）所示,為雙列直插塑料封裝。管腳功能為:2、3腳分別為反相、同相輸入端;5腳為輸出端;6腳為正電源端;4腳接地;7腳為旁路端,可外接旁路電容以抑制紋波;1、8腳為電壓增益設(shè)定端。第四十四頁第四十五頁，共66頁。

圖5–23LM386集成功率放大器（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖;（b）管腳排列第四十五頁第四十六頁，共66頁。當(dāng)1、8腳開路時,負(fù)反饋最深,電壓放大倍數(shù)最小,設(shè)定為Auf=20。

當(dāng)1、8腳間接入10μF電容時,內(nèi)部1.35kΩ電阻被旁路,負(fù)反饋最弱,電壓放大倍數(shù)最大,Auf=200（46dB）。當(dāng)1、8腳間接入電阻R和10μF電容串接支路時,調(diào)整R可使電壓放大倍數(shù)Auf在20～200間連續(xù)可調(diào),且R越大,放大倍數(shù)越小。LM386的典型應(yīng)用電路如圖5-24所示。參照上面的說明,我們可以知道:

第四十六頁第四十七頁，共66頁。圖5–24LM386典型應(yīng)用電路圖

第四十七頁第四十八頁，共66頁。5腳輸出:R3、C3構(gòu)成串聯(lián)補償網(wǎng)絡(luò)與呈感性的負(fù)載（揚聲器）相并,最終使等效負(fù)載近似呈純阻,以防止高頻自激和過壓現(xiàn)象。7腳旁路:外接C2去耦電容,用以提高紋波抑制能力,消除低頻自激。1、8腳電壓增益設(shè)定:其間接R2、10μF串聯(lián)支路,R2用以調(diào)整電壓增益。當(dāng)R2=1.24kΩ時,Auf=50。將上述電路稍作變動,如在1、5腳間接入R、C串接支路,則可以構(gòu)成帶低音提升的功率放大電路。還可以利用LM386組成方波發(fā)生器,讀者可參閱有關(guān)書籍。第四十八頁第四十九頁，共66頁。附：其它集成功率放大器DG4100內(nèi)部電路組成簡介圖5-25中虛線框內(nèi)為DG4100系列單片集成功放內(nèi)部電路。它由三級直接耦合放大電路和一級互補對稱放大電路構(gòu)成,并由單電源供電,輸入及輸出均通過耦合電容與信號源和負(fù)載相連,是OTL互補對稱功率放大電路。*5.4.2DG810集成功率放大器及其應(yīng)用*5.4.3TDA2040集成功率放大器及其應(yīng)用（略）（略）第四十九頁第五十頁，共66頁。圖5-25DG4100集成功放與外接元件總電路圖第五十頁第五十一頁，共66頁。因為反饋由輸出端直接引至輸入端,且放大器的開環(huán)增益很高(三級電壓放大),整個放大電路為深度負(fù)反饋放大器,所以,放大器的閉環(huán)電壓增益約為1/F,即當(dāng)信號ui正半周輸入時,V2輸出也為正半周,經(jīng)兩級中間放大后,V7輸出仍為正半周,因此V12、V13復(fù)合管導(dǎo)通,V8、V14管截止,在負(fù)載RL上獲得正半周輸出信號；當(dāng)ui負(fù)半周輸入時,經(jīng)過相應(yīng)的放大過程,在RL上取得負(fù)半周輸出信號。第五十一頁第五十二頁，共66頁。DG4100集成功放的典型接線法圖5-26DG4100集成功放的典型接線法第五十二頁第五十三頁，共66頁。

TDA2030A

音頻集成功率放大器簡介

TDA2030A是目前使用較為廣泛的一種集成功率放大器,與其它功放相比,它的引腳和外部元件都較少TDA2030A的電器性能穩(wěn)定,并在內(nèi)部集成了過載和熱切斷保護(hù)電路,能適應(yīng)長時間連續(xù)工作,由于其金屬外殼與負(fù)電源引腳相連,因而在單電源使用時,金屬外殼可直接固定在散熱片上并與地線（金屬機箱）相接,無需絕緣,使用很方便。TDA2030A的內(nèi)部電路如圖5－27所示(其中VD為二極管)。TDA2030A使用于收錄機和有源音箱中,作音頻功率放大器,也可作其它電子設(shè)備中的功率放大。因其內(nèi)部采用的是直接耦合,亦可以作直流放大。主要性能參數(shù)如下:第五十三頁第五十四頁，共66頁。圖5－27TDA2030A集成功放的內(nèi)部電路第五十四頁第五十五頁，共66頁。圖5－28TDA2030引腳排列及功能第五十五頁第五十六頁，共66頁。電源電壓UCC±3~±18V輸出峰值電流3.5A輸入電阻>0.5MΩ靜態(tài)電流<60mA（測試條件:UCC=±18V）電壓增益30dB頻響B(tài)W0~140kHz在電源為±15V、RL=4Ω時,輸出功率為14W。外引腳的排列如圖5－28所示。第五十六頁第五十七頁，共66頁。

TDA2030A集成功放的典型應(yīng)用1）雙電源（OCL）應(yīng)用電路圖5－29電路是雙電源時TDA2030A的典型應(yīng)用電路。輸入信號ui由同相端輸入,R1、R2、C2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋,因此,閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為為了保持兩輸入端直流電阻平衡,使輸入級偏置電流相等,選擇R3=R1。V1、V2起保護(hù)作用,用來泄放RL產(chǎn)生的感生電壓,將輸出端的最大電壓鉗位在（UCC+0.7V）和第五十七頁第五十八頁，共66頁。圖5－29由TDA2030A構(gòu)成的OCL電路第五十八頁第五十九頁，共66頁。（-UCC-0.7V）上。C3