第5章集成运放及应用

在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念：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固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。即∣∣=∣∣=AViV/o)(f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的规律。即)(iofVVA第五章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。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、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。5.1.2频率响应的基本概念一、高通电路RCjRCjRUUAiou111111RCLRCLLf21212fffALLLLufjfjjfj11111幅值：相角：fffALfLu21fLofarctan90幅频特性相频特性fLf分析：fLffLffL下限截止频率二、低通电路RCjCjRCjUUAiou1111时间常数：RC令1H则RCHHf21212fAHHufjj1111幅值：相角：ffAHu211fHfarctanfH上限截止频率fHf分析：fHffHffffLHbw通频带：5.1.3波特图输入信号的频率范围常常设置在几赫到上百兆赫，电路的放大倍数可以从几倍到上百万倍，为了在同一个坐标系中表示如此宽的变化范围，在画频率特性曲线时常采用对数坐标，称为波特图。对数幅频特性：对数相频特性：横轴采用对数刻度flg纵轴采用Aulg20单位：分贝（dB）横轴采用对数刻度flg纵轴采用图5.1.3高通电路与低通电路的波特图高通电路低通电路5.2晶体管的高频等效模型5.2.1.混合π型高频小信号模型5.2.2电流放大系数β的频响5.2.1混合π型高频小信号模型混合π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05.05所示。rb'e---re归算到基极回路的电阻---发射结电容，也用C这一符号Cbe---集电结电阻rbc---集电结电容，也用C这一符号Cbcrbb'---基区的体电阻，b'是假想的基区内的一个点。图05.05双极型三极管物理模型（1）物理模型---发射结电阻re根据这一物理模型可以画出混合π型高频小信号模型，如图05.06所示。图05.06高频混合π型小信号模型电路这一模型中用代替，这是因为β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eb'meb'eb'0bo0VgrVIeb0boebbocebcm//rIVIIVIg由此可见gm是与频率无关的0和rb’e的比，因此gm与频率无关。若IE=1mA，gm=1mA/26mV≈38mS。gm称为跨导，还可写成TEee00eb'0m1)1(VIrrrgβ0反映了三极管内部，对流经rb'e的电流的放大作用。是真正具有电流放大作用的部分，β0即低频时的β。而boIboI在π型小信号模型中，因存在Cb’c和rb’c,对求解不便，可通过单向化处理加以变换。首先因rb’c很大，可以忽略，只剩下Cb’c。可以用输入侧的C’和输出侧的C’’两个电容去分别代替Cb’c，但要求变换前后应保证相关电流不变，如图05.07所示。（3）单向化图05.07高频混合π型小信号电路输入侧图05.07高频混合π型小信号电路CjVVVCjVVI)1()(becebecebecbemceRVgVCjRgVI)1(cmbe则定义放大倍数令,cmRgKCKC'()1输出侧CjKVCjVVI)11()(cebeceCKKC1所以由于CC',所以图05.07可简化为图05.08图中C'=Cb'e+C'。图05.08简化高频小信号电路5.2.2电流放大系数β的频响0bcceVII图5.2.3的分析CCCCCK)1('0K由于UgIebmc'rgebom'所以CrCrUUgIIIeboebebebmcjjCreb''''''11'')(21211)(1eb'0eb'eb'mCCrfffjCCrjrg共射截止频率由此可做出β的幅频特性和相频特性曲线，如05.10图所示。图05.10三极管β的幅频特性和相频特性曲线当β=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT≈β0f当20lgβ下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率fT≈β0f可由下式推出ffjCCrjrg1)(10eb'eb'm当f=fT时,有1)(1)]([1)(2T02eb'eb'mTffCCrrgf因fTf,所以,fT≈β0f5.4单管放大电路的频率响应对于如图所示的共射放大电路，分低、中、高三个频段加以研究。共射放大电路1.中频段所有的电容均可忽略。可用前面讲的h参数等效电路分析。中频电压放大倍数：beLiSirRRRRVVASOusm2.低频段在低频段，三极管的极间电容可视为开路，耦合电容C1、C2不能忽略。方便分析，现在只考虑C1，将C2归入第二级。画出低频等效电路如图所示。低频等效电路可推出低频电压放大倍数：ffjAVVAL1usmSOusL1L]//[(21CRrRfSbeb）该电路有一个RC电路高通环节。有下限截止频率：共射放大电路低频段的波特图幅频响应：2LusmusL)(11lg20lg20lg20ff|A||A|相频响应：)arctg(180Lffo在高频段，耦合电容C1、C2可以可视为短路，三极管的极间电容不能忽略。这时要用混合π等效电路，画出高频等效电路如图所示。3.高频段用“密勒定理”将集电结电容单向化。高频等效电路用“密勒定理”将集电结电容单向化：其中：cbLmM)1('C'RgCc'bc'bLmN)'11(CCRgC忽略CN，并将两个电容合并成一个电容，得简化的高频等效电路。其中：RCf21H该电路有一个RC电路低通环节。有上限截止频率：MebCCC)]([sbbbebR//Rr//rR''可推出高频电压放大倍数：HffjAVVA1usmSOusL其中：'Lme'b'bbe'bisiusmRgrrrRRRAbeLiSirRβRRR共射放大电路高频段的波特图幅频响应：2HusmusH)(11lg20|lg20lg20ff|A|A|相频响应：)arctg(180Hff4.完整的共射放大电路的频率响应)j1(1)j1(1HLusmusffffAA（1）通频带：（2）带宽-增益积：│fbw×Aum│BJT一旦确定，带宽增益积基本为常数5.频率失真——由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。HLHbwffff两个频率响应指标：例题解：模型参数为设共射放大电路在室温下运行，其参数为：，，，，，，pF5.000MHz41001mA1001kcbTCbbsCfβIrR。k5cR试计算它的低频电压增益和上限频率。mgTEVImV26mA1S038.0ebrmgβS038.0001k6.2ebCcbTm2CfgpF8.14usmAcmRgebbbsebrrRr51.133CebCMCpF5.111低频电压增益为R)(bbsrReb//rk77.0又因为所以上限频率为HfRC21MHz85.1usmAlg2051.133lg20dB5.42MCcbcm)1(CRgpF7.965.6集成运放的频率响应和频率补偿为什么加频率补偿？图5.6.1未加频率补偿的集成运放的频率响应5.6.1集成运放的频率响应5.6.2集成运放的频率补偿图5.6.2稳定裕度幅值裕度：Gm相位裕度：m0lg20ffodmAGcffom180dBGm10om45一、滞后补偿1、简单电容补偿图5.6.3滞后补偿前后集成运放的幅频特性图5.6.4简单电容补偿2211)//(21iioHCRRf))(//(21221'1CCRRiioHf2、密勒效应补偿图5.6.5密勒效应补偿二、超前补偿图5.6.6超前相位补偿电路))(//(11211211CRRRRRRAiuCjCj2110RRRAu条件本章结束，谢谢勤劳蜜蜂钟情花朵，因为花朵带来美丽与芳香。信息学子钟情信号，因为信号传递图象与声音。