滤波器

第5章线性集成电路的应用

5.1 放大电路的频率特性

教学要求

1.掌握RC低通、高通滤波电路的频率特性；

2.了解三极管及其放大电路的高频特性；

3.了解fα、fβ、fT各频率参数的物理意义及它们之间的相互关系。

引言

线性集成电路是采用直接耦合的多级放大电路，所以它们的下限频率趋于零，但随着工作频率的升高，其增益将随之下降。通用型集成运算放大器开环上限频率一般都比较低，如集成运放741只有7Hz，单位增益带宽也只有1MHz左右。放大电路对正弦输入信号的稳态响应特性称为频率特性，它包括幅频特性和相频特性，上限截止频率和下限截止频率之间的范围称为通频带或频带宽度BW（Band Width）,BW=fH-菊花链逻辑fL。

一、简单 RC 低通和高通电路的频率特性

（一）RC低通电路的频率特性

1.频率特性的描述

由于该电路只有一个独立的储能元件C，故称为一阶低通滤波电路。

2.频率特性的波特图

波特图—上述频率特性可用特定的渐进线来表示，所得到的曲线称为渐进波特图，简称波特图，如下图所示。

由幅频特性图可知，用渐进线代替实际幅频特性时最大误差发生在转折频率fH处，在f滚珠丝杠副安装=fH处偏差为-3dB；由相频特性图可知，用渐进线代替实际相频特性时最大误差发生在转折频率f=0.1fH及f=10fH处，其值为5.7°。

（二）RC高通电路的频率特性

其电路图、幅频波特图和相频波特图如下图所示。由图可知，高通电路的下限截止频率（或称转折频率）为fL，0~fL为阻带，fL~∞为通带，所以它为一阶RC高通滤波电路。低通和高通滤波电路对输入信号只有衰减作用，而没有放大作用，因此称为无源滤波电路。

二、三极管及其单级放大电路的频率特性

（一）单级阻容耦合放大器的中频和低频特性

（二）三极管及其单级放大电路的高频特性

因值随频率升高而降低，高频下不能采用 H 参数等效电路，而采用混合型等效电路。

1.晶体三极管的混合型等效电路

与频率 f 的关系

高频时，三极管的结电容对信号电流产生分流作用，使得输出电流减小，导致三极管的电流放大系数β随频率升高而下降，电流与频率的关系曲线如下图所示。

3.三极管单级放大电路高频特性 (C1，C2 视为短路)

三、集成运算放大器高频参数及其影响

（一）小信号频率参数

地震云与地震预测1.开环带宽BW

运放开环差模电压增益值比直流增益值下降 3 dB 时所对应的信号频率称为开环带宽，BW =f H。通用型集成运放带宽较窄(几赫兹) ，带宽增益积= Aud f H 。

2.单位增益带宽 BWG

（三）高速宽带集成运放

当 BWG > 2 MHz，BWP > 20 kHz，SR > 6 V/s 。

5.2 集成运算放大器小信号交流放大电路

教学要求

1. 理解集成运算构成的反相、同相交流放大电路的工作原理；

2.了解交流电压跟随器和汇集放大电路的特点。

一、反相交流放大电路

1.电路结构及动态参数

电路如下图所示。该电路采用双电源供电，要求正、负电源对称，静态时，运算放大器同相输入端和反相输入端以及输出端的静态电位都应为0V。

2.单电源供电的反相交流放大电路

其电路如下图所示。为使放大的信号不失真，运算放大器的两输入端和输出端的静态电位必须大于0V，一般取电源电压的一半，因此图中电阻R2和R3为静态偏置电阻，当它们阻值相等时，在同相端得到的静态电位为1/2VCC，又由于“虚短”路，使得反相端的静态电位也为1/2VCC，这样结论：

(1)当运算放大器单电源应用构成线性放大器时，其同相端、反相端和输出端的静态电位相等，且一般为电源电压的一半；

(2)输入为差分电路，采用单电源时输入端静态电位不能为 0；

(3)输出为 OTL 电路，静态输出电压为 0.5VCC；

(4)为满足 0 输入时输入和输出端等电位，应使 U+= U- = UO = 0.5VCC

二、同相交流放大电路

电路如下图所示，C1为输入耦合电容，R2提供同相输入端直流电路。下图(a)所示电路由于同相端接入电阻R2，故使该电路的输入电阻降低，其值近似等于R2。为了提高电路的输入电阻，可采用下图(b)所示电路，该电路中C2的容量取足够大，对交流短路，这样输出电压ｕo通过RF在R1上产生的反馈电压ｕa=ｕn，即ｕa≈ｕp，使R2中几乎没有交流电流通过，从而获得极高的输入电阻。

在同相放大器电路中加入静态偏置电阻，电路变为下图(a)所示电路。图中R2和R3为电压偏置电阻，使得A点电位为VCC/2，通过电阻R1和RF，使得运算放大器的反相输入端和输出端的静态电位为VCC/2，又通过电阻R4，使运算放大器同相输入端的静态电位也为VCC/2。电容C3为滤波电容，而C1和C2分别为输入和输出耦合电容。该放大器的交流等效电路如下图(b)所示，显然其通带内电压放大倍数11。

三、交流电压跟随器与汇集放大电路

1.交流电压跟随器

2.汇集放大电路

在信号传输中，有时希望将几个交流信号汇集起来，而又要求各个信号源之间不产生相互影响，同时还要求汇集后各个信号之间不能产生相互调制，以避免出现新频率的信号。由集成运算放大器构成的有源汇集电路可满足上述要求，其优点是没有汇集衰减，还可有增益，且交调产物小，制造方便。

要求：

(1)各信号源间互不影响；

(2)汇集后信号间互不调制，以免出现新频率的信号。

反相输入加法电路能较好地实现低频信号的汇集放大。

因为：集成运放开环增益很高，在闭环增益很小时，很深的电压并联负反馈，使反相端的闭环输入电阻近似为 0，各信号源间互不影响。

5.3 有源滤波电路

教学要求

1.掌握一阶有源低通滤波电路的工作原理；

2.熟悉有源高通、带通和带阻滤波电路的电路结构及频率特性；

3.了解二阶有源低通滤波电路的结构及频率特性。

滤波电路—使有用的频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路。

分类：

按处理方法

按构成器件分

按处理信号分

按频率特性分

按传递函数分

硬件

滤波

软件

滤波

无源

滤波器

有源

滤波器

模拟

滤波器

数字

滤波器

低通

滤波器

高通

滤波器

带通

滤波器

带阻

滤波器

一阶

滤波器

二阶

滤波器

……

N阶

滤波器

电暖手套

理想滤波器的频率特性

一、有源低通滤波电路(LPF—Low Pass Filter)

（一）一阶 LPF

用简单的RC低通电路与集成运算放大器就可以构成一阶有源低通滤波电路。一阶有源低通滤波器通带内具有增益Auf，同时，采用同相输入比例运算电路，可将实际负载RL与无源RC滤波电路隔开，从而使RL对滤波器特性影响很小。

（二）二阶LPF

在一阶低通滤波电路的基础上，再加一级RC低通电路就构成二阶有源低通滤波电路。如下图(a)所示。但图中第一级RC低通电路中C的下端不接地而接到集成运放的输出端，可在截止频率附近引入正反馈，使其幅频特性得到改善。由于图中集成运放构成的同相比例运算电路实际上就是所谓压控电压源，故称图(a)所示电路为二阶压控电压源低通滤波电路，它的电压增益Auf=1+RFR1即为滤波器的通带电压增益。

二、有源高通滤波电路(HPF—High Pass Filter)

高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶关系，所以将低通滤波电路中滤波元件R和C的位置互换，即可得到高通滤波电路,其电路如下图所示。

三、有源带通滤波电路(BPF—Band Pass Filter)

电路只允许某一频段内信号通过，有上限和下限两个截止频率，将高通滤波电路与低通滤波电路进行适当组合，就可获得带通滤波电路。下图为二阶有源带通滤波电路，图中R、C组成低通电成路，C1、R3组高通电路，要求RC<R3C1，故低通电路的截止频率fL大于高通电路的截止频率fH，两者之间形成了一个通带，从而构成了带通滤波电路。

四、有源带阻滤波电路

电路阻止某一频段的信号通过，而让该频段之外的所有信号通过，从而达到抗干扰的目的。其电路如下图所示。带阻滤波电路可由低通和高通滤波电路组成，其原理示意图如下图(a)所示，其中，低通滤波电路的截止频率fH应小于高通滤波电路的截止频率fL。因此，电路的阻带为(fL-fH)，如下图(b)所示。

5.4 集成功率放大器及其应用

教学要求

1.掌握集成功放内部主体电路的组成部分及各部分电路的主要作用；

2.了解DG810集成功率放大器的电路特点；

3.了解TDA2040集成功率放大器外部引脚排列及电路特点。

引言

集成功率放大器组成：前置级、中间级、输出级、偏置电路。

特点：输出功率大、效率高；有过流、过压、过热保护，以保证器件在大功率状态下安全可靠工作。

一、 LM386 集成功放及其应用

LM386 是一种低电压通用集成功率放大器。

1.引脚及其典型应用参数

2.内部电路

内部电路如上图所示，由输入级、中间级和输出级等组成。输入级有V2、V4组成双端输入单端输出差分电路；V3、V5是其恒流源负载；V1、V6是射级跟随器，高 Ri；V7 ~ V12为功率放大电路；V7 为驱动级(I0 为恒流源负载)；V11、V12 用于消除交越失真；V8、V曲度腰枕仪10 构成 PNP 准互补对称；1、 8 开强路时，负反馈最，整个电路的电压放大倍数Au = 20 ，若在1、 8 间外接旁路电容，以短路R5两端的交流压降，可使电压放大倍数提高到200；

调整RP（典型应用电路图），可使集成功放电压放大倍数在20~200之间变化；管脚7与地之间外接电解电容C5（典型应用电路图），C5可与R2组成直流电源去耦电路。

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3.典型应用电路