放大器的频率特性和集成运算放大器的应用

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1、第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛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。 vA=第五章 线性集成电路的应用

2、 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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 = =Aio/VVf () 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)(iofVVA第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛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

3、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。第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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

4、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。第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛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。 2H)(11ffAv ffRC012H arctg(Hff) 式中011RC。vA的模、上限截止频率和相角分别为0ioj11j11RCVVvA=RC+-io.VV图51RC低通电路其电压放大倍数(传递函数)为第五

5、章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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： 2H)(11ffAv arctg(Hff)图52 RC低通电路的频率特性曲线第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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。 ffH f =fH fH fH f =fH 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

6、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。 fH第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛)arctg(90Loff 其电压放大倍数 为：vARCff21L02LL)(1/ffffAvLLLLio/j1/j/j1/jffffVVvA=L11RC。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。第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 由此可做出如图54所示的RC高通电路的近似频率特性曲线。2LL)(1/

7、ffffAv)arctg(90Loff图54 RC高通电路的近似频率特性曲线第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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Cbe-集电结电阻rbc -集电结电容，也用C这一符号 Cbc 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第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发

8、烧友 http:/ 电子技术论坛 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: eb.mVg.b0I（2）用 代替eb.mVg.bI第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛ebme beb0bo0VgrVIe b0boe bboce bcm/rIVIIVIg 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TEee00eb0m1)1 (VIrrrg

9、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boIboI第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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57所示。（3）单向化图57高频混合型小信号电路第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛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

10、降。因为 0bcceVII图59 的等效电路 V.ce 00.ceV 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。第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛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)(211)(1cbebeb0cbebebebmCCrfffjCCrjrge bmc be be bmce be bb)(+)/1(VgCjVVgICCjrVI第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 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

11、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第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛 fT0 f可由下式推出ffjCCrjrg1)(10c be be be bm当 f = fT 时, 有1)(1)(1)(2T02c be be be bmTffCCrrgf因fT f ,所以, fT 0 f第五章 线性集成电路的应用 http:/ 电子发烧友 http:/ 电子技术论坛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