第3章(83) 放大电路的频率特性ppt课件.ppt

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1、3.0 概述 3.1 频率特性的一般概念 3.2 三极管的频率参数 3.3 共e极放大电路的频率特性 3.4 多级放大电路的频率特性,第三章放大电路的频率特性,1、教育部电子技术网络课程 http:/202.107.127.126/ncourse/dzjs/jxsk/jxsk.htm,2、西安交大模拟电子技术 http:/,推荐网站：,概述,对电容：X=XC=1/C 。 所以电抗性元件在不同频率下，它的阻抗和相移均不相同。而通常放大电路的输入信号又不是单一频率的正弦函数信号，而是由各种不同频率分量组成的复合信号。 另外放大电路中的三极管本身具有电容效应(寄生电容)以及放大电路中也存在电抗元件(

2、C1、C2、CE),这样放大电路中的电压放大倍数和相角就成了频率的函数。 这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。,已知，阻抗,2,实质上，频率响应就是指放大器的增益与频率的关系。通常讲一个好的放大器，不但要有足够的放大倍数，而且要有良好的保真性能，即：放大器的非线性失真要小，放大器的频率响应要好。“好”：指放大器对不同频率的信号要有同等的放大。总结共射放大电路的电抗元件和电抗因素对放大的影响,放大器具有频率响应问题，原因有二： 1.人为设置的电抗元件有C1、C2、Ce。 2.客观存在的电容（寄生电容）有：晶体管电容（极间电容）和线间分布电容，即Ci（输入端等效电容）和Co（输出端等效电

3、容）。,3,三极管高频率下的等效电路,4,本章讨论的交流放大电路，虽然都在低频（20200KHz）范围内，但可将低频的交流信号再分成三个区：低频（fL）区、中频（fM）区和高频（fH）区。 分析放大电路的频率响应时，可采用“分段频率法”。分别画出“高、中、低” 频段的微变等效电路，利用中频段的等效电路，求出Au。而利用低频、高频段的等效电路，分别求出fL、 fH。,高、低频率的定义：在某一频率范围内，相对频率高的叫高频；反之叫低频。 比如，在音频（2020KHz）范围内：20-1KHz为低频； 1K-3KHz为中频；3KHz-20KHz为高频。,预备知识,5,次声波(头晕眼花) 、超声波(蝙蝠

4、可听到) 、人对3KHz最敏感,狗能听到声音的频率范围为1520KHZ，猫是6065KHZ，人只有2020KHZ。,声音就是人们感知到的物理的机械振动。 声音的高低叫做音调 。频率的高低决定声音的音调，振幅的大小决定声音的响度。但不同的物体发出的声音我们还是可以通过音色分辨不同发生体的材料、结构不同，发出声音的音色也就不同。 声音是由发声的物体震动产生的，当其整体震动时发出基音，但同时其各部分也有复合的震动，这些各部分震动产生的声音组合成泛音。由于部分小于整体，所有不同的泛音都比基音的频率高，但强度都相当弱。音色是声音的特色，根据不同的音色，即使在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不

5、同乐器或人声发出的。 音色的不同取决于不同的泛音，每一种乐器、不同的人以及所有能发声的物体发出的声音，除了一个基音外，还有许多不同频率的泛音伴随，正是这些泛音决定了其不同的音色，使人能辨别出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一个人即使说话也有不同的音色，因此可以根据其声音辨别出是不同的人。 音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。 响度的大小主要依赖于声强，也与声音的频率有关。,*声音的三要素-音量、音调、音色,下面给出部分音符（三个八度音）的频率以及以单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值 ：,*单片机中音调与频率的关系（微电子06级同学

6、的课外作业）,低音,中音,高音,激励器是一类在音频中加入特定谐波的效果器.在说这一类效果器之前，我们得先说说基频和谐波的概念。所谓基频，就是一个声音的基础频率。它是所有音源所发出的谐波震荡中最小的那个频率。基频决定了一个音的音高.在国际标准中，规定了中央C区的A音符的基频是440Hz .,*激励器,比如我们拿到一个人声，发现因为设备的原因，8000Hz以上的高频部分基本没有，那么我们就可以用激励器对高频部分进行激励，以产生出一些新的高频谐波，达到改善听感的作用。,而在人声处理的时候，需要极其慎重地使用激励器。用不好，添加的谐波不会让你的声音听起来更好听，反而会弄脏整个声音。,* 简单波形声谱示

7、意图,10,*音频和合成,11,如果有人发了个“a”的音, 我们既能听出发的是“a”, 还能听出发音的人是男是女. 这可以从声音信号的频谱来解释. Figure 1 中蓝线是“a”的频谱, 可以看出这是由一个一个很密的小峰组成的, 相邻小峰之间的距离就是音调. 图中所示的是男生的发音,音调大概是120Hz,如果是女生发“a”, 这些小峰会更密一些, 因为女生音调要高些. 可是只要发的音还是“a”这些小峰的包络, 也就是图中的绿线, 就是一样的. 如果是发“b”包络又会是另一种波形.,*a音的频谱,12,语音信号处理已经大概有20年没有什么大进展了, 人可以轻松地同时听两个人说话, 可目前计算机

8、听一个人说话都很难. 人们虽然能把飞船发到火星上面去, 可是对于自己了解的还是太少. 人耳的结构太牛了, 设计得太好了, 完全是大师的杰作. 每一个人哪怕丑一点, 笨一点, 其实都是伟大作品的展示. 每个人都有资格在这个世界上骄傲地生活!,*人耳的结构太牛了,所谓中频范围,一方面耦合电容C1、C2的容抗远小于串联电路中的其它电阻,所以可视为交流短路;另一方面极间电容的容抗又远大于并联支路的其它阻值,因此可以看成是交流开路。,中频等效电路,13,低频区，耦合电容(串联)容抗较大，其分压作用较大，使Ube减小,不可忽略;极间电容(并联)容抗很大，可视为开路。,高频区，耦合电容容抗较小，可视为短路;

9、极间电容容抗很小，使Ube减小,不可忽略。,高频等效电路的简化,C 与 R 构成 RC 低通电路。,C1 与输入电阻 ri 构成一个 RC 高通电路,低频等效电路,14,C,注意Ube电压控制器件,3.1.1 频率特性的概念,图3 1 考虑频率特性时的等效电路,C与R构成RC高通电路,C 与R 构成 RC 低通电路,3.1 频率特性的一般概念,教科书P209,15,fL ：下限频率；,fH ：上限频率,BW ：通频带,BW = fH - fL,下限频率、上限频率和通频带,16,定义:当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍, 即 Auh=(1 ) Aum时的频率称为上限频率fH。,定义:

10、当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍, 即 时的频率称为下限频率fL。,17,分贝的引入：用分贝表示电压放大倍数，这种表示方法最初用于声学。由于人的耳朵对声音强弱的感觉符合对数规律，即电压放大倍数增大100倍，人耳只感到增加了40倍。故定义取两个音响的功率之比再取对数为贝尔，即Bel=lg 。又嫌此太小，又定义为分贝，即dB=10Bel=10lg 。在电网络的研究中则习惯用电压之比，故，,注意：如果仅取以10为底的对数，如： ，则是无单位的，必须再乘以20后，电压的增益就有“分贝”单位了。,预备知识,例如：Au=103，则对应60dB。,18,幅频特性,相频特性,图3 2 共射基本放大

11、电路的频率特性,19,共发射极放大电路的电压放大倍数将是一个复数, 即,其中幅度Au和相角 都是频率的函数, 分别称为放大电路的幅频特性和相频特性。可用图3 - 2表示。我们称上、 下限频率之差为通频带fbw, 即fbw=fh-fl 通频带的宽度, 表征放大电路对不同频率的输入信号的响应能力, 它是放大电路的重要技术指标之一。 ,20,21,基波（和原函数同频）,二次谐波（2倍频）,高次谐波,周期函数展开成付里叶级数：,直流分量,补充: 周期函数分解为傅里叶级数,22,基波,直流分量,三次谐波,五次谐波,七次谐波,周期性方波波形分解,补充2,23,三次谐波,直流分量+基波,直流分量+基波+三次

12、谐波,补充3,直流分量+基波,图3 3 频率失真,3.1.2 线性失真（亦称频率失真）,因为电容为线性元件,不同频率的相移不同,不同频率的放大倍数不同,24,下列输入信号中，有可能产生线性失真的是：,c) ui=Uimsin2 102t,b) ui=Uimsin2 105t,a) ui=Uimsin2 102 +Uimsin2 105t,？,25,结论：幅度失真和相位失真总称为频率失真。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，称为相频失真。幅频失真和相频失真是线性失真。这是因为它们都是由于线性电

13、抗元件(耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、PN结电容、分布电感等)所引起的，所以又称为线性失真。而非线性失真则是由电路中非线性元件(电子管、铁心变压器等)引起的。,信号频率不太高时（如低频、中频）结电容容抗很大可视为开路(因为是并联)结电容不影响放大倍数。当频率较高时结电容容抗减小其分流作用增大集电极电流 i c 减小i c 与 i b 之比下降三极管电流放大系数将降低放大倍数降低。同时，由于i c与i b之,间存在相位差，放大倍数还会产生附加相移。 因此，信号处于低频和中频时，电流放大系数是常数，高频时，电流放大系数是频率f的函数，即,26,3.2三极管的频率参数,针对结电容而言,计算得

14、：三极管 为,f ：为 值下降至 时的频率。,0 ：低频共射电流放大系数；,27,高频下,对数幅频特性,fT,20lg 0,对数相频特性,0.1f,波特图：压缩坐标扩大视野。 幅频特性纵坐标取对数，且单位用dB； 相频特性的纵坐标不取对数，仍为 。 幅频、相频特性横坐标均采用对数坐标。即10倍频。,28,高频下,值下降到 0.707 0 (即 )时的频率。,当 f = f 时，,值下降到中频时的 70% 左右。或对数幅频特性下降了 3 dB。,3.2.1共射截止频率 f ,29,高频下,值降为 1 时的频率。,f fT 时，三极管失去放大作用；,f = fT 时，由式,得：,3.2.2特征频率

15、 f T,30,高频下,值下降为低频 0 时 的 0.707 时的频率。,3.2.3共基截止频率 f,31,高频下,因为,可得,f 与 f 、 fT 之间关系：,32,说明：,所以：,1. f 比 f 高很多，等于 f 的 (1 + 0) 倍；,2. f fT f,3. 低频小功率管 f 值约为几十至几百KHz，高频小功率管的 fT 约为几十至几百MHz。,33,1.完整的混合型模型,图3 5 三极管的混合型等效电路,当考虑电容效应时，h参数将是随频率变化的复数，在分析时十分不便，为此引入混合参数型等效电路 。,34,了解,中频时,忽略Cu、C、rce、rbc的作用后,见后页面,3.2.4 三

16、极管混合参数型高频等效电路,中频时,忽略Cu、C、rce、rbc的作用,35,了解,=,又,36,CQ,了解,见上页图,一般小功率三极管,300,：可从器件手册中查到；并且,(估算，fT 要从器件手册中查到),混合 型等效电路中电容,注意：,将输入回路与输出,回路直接联系起来，使解电路的过程变得十分麻烦。, 可用密勒定理简化电路！,30,图3 7 C的等效过程,2. 简化的混合型模型,C对于输入端的影响，可以用一个与输入端并联的电容来代替-“密勒效应(定理)”。,38,了解,考虑Cu、C的作用时,令,39,密勒定理推导,了解,*,此式表明, 从b、e两端看进去, 跨接在b、c之间的电容C的作用

17、, 和一个并联在b、e两端, 其电容值为 的电容等效。这就是密勒定理。如图3- 7(c)所示。,40,密勒定理推导,了解,*,图3 8 共e极放大电路及其简化混合型等效电路,3.3 共e极放大电路的频率特性,41,具体分析时, 通常分成三个频段考虑: (1) 中频段: 全部电容均不考虑, 耦合电容视为短路, 极间电容视为开路。 (2) 低频段: 耦合电容的容抗不能忽略, 而极间电容视为开路。 (3) 高频段: 耦合电容视为短路, 而极间电容的容抗不能忽略。 这样求得三个频段的频率响应, 然后再进行综合。 这样做的优点是, 可使分析过程简单明了, 且有助于从物理概念上来理解各个参数对频率特性的影

18、响。,42,图3 - 9 中频段等效电路,3.3.1 中频放大倍数Ausm,43,了解,44,i,i,e,b,bb,e,b,e,b,c,e,b,m,O,r,pU,U,r,r,r,U,R,U,g,U,=,+,=,-,=,了解,(3-18),45,了解,图3 10 低频段等效电路,实际上，在低频时，C1、C2、Ce对放大倍数的影响均有作用。,3.3.2 低频放大倍数Ausl及波特图,46,3.3.5 其它电容对频率特性的影响,(3-19),式中p、ri同中频段的定义。将 、 代入式(3 - 19), 得,47,低频放大倍数推导,比中频时多的一项,中频,找低频电压放大倍数与中频电压放大倍数的关系 ,

19、将上式进行变换得:,48,低频放大倍数推导,将公式(3 - 18)代入, 并令,则,当f=fl时, ， fl为下限频率。由(3 - 20)式可看出, 下限频率fl主要由电容C1所在回路的时间常数l决定。,（3-20）,（3-21）,49,低频放大倍数推导,将式(3 - 21)分别用模和相角来表示:,（3-22）,（3-23）,根据公式(3 - 22)画对数幅频特性, 将其取对数,单位取dB, 得,（3-24）,50,低频波特图推导,显然, 当ffl时,51,低频波特图推导,（3-24）,当ffl时,52,低频波特图推导,图3 11 低频段对数频率特性,低频段的相频特性, 根据式(3 - 23)

20、可知, 当ffl时, 趋于0, 则-180; 当ffl时, 趋于90, -90;当f = fl 时, , = -135。 这样可以分三段折线来近似表示低频段的相频特性曲线, 如图3- 11(b)所示。 f10 fl时, = -180f0.1 fl时, = -900.1flf10 fl 时, 斜率为- 45/10倍频程的直线。 ,53,低频波特图说明,图3 12 高频等效电路,* 3.3.3 高频电压放大倍数Aush及波特图,54,高频电压放大倍数推导,由等效电路可求得,则,55,高频电压放大倍数推导,*,为求出 与 的关系, 利用戴维宁定理将图3 - 12进行简化, 如图3 - 13所示, 其

21、中,由图3 -13可得,56,高频电压放大倍数推导,*,图3 13 简化等效电路,57,高频电压放大倍数推导,*,令,上限频率为,则,(3-28),可看出, 上限频率fh主要由电容C所在回路的时间常数h决定。,58,高频电压放大倍数推导,*,式(3 - 28)也可以用模和相角来表示,高频段的对数幅频特性为,59,高频波特图推导,*,图3 14 高频段对数频率特性,60,高频波特图,3.3.4 完整的频率特性曲线(波特图),61,(增益带宽积),推导得:,说明：,式很不严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和 Cbc 的值即被确定，增益带宽积GBP就基本上确定，此时，若

22、将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。,如欲得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用 rbb 和 Cbc 均小的高频三极管。,62,当放大电路中的管子和信号源选定之后，电路的增益带宽积GBP也就大体上因定了。对共集电路， ，所以fH高；但在共基电路中Au在数值上和共射电路相近，也比较大，为什么还用于高频和宽带放大？,答：应该指出，放大电路的增益带宽积GBP还与电路的组态有关。共基电路的上限截止频率fH要比共射电路大得多。因此，虽然共基电路的电压增益Au在数值上和共射电路相近，但它的GBP要比共射电路大得多。另外，和共集电路相比，虽然高频特性都比共射电路好

23、得多，但共基电路的电压增益又要大得多。所以，共基电路广泛用于高频和宽频带放大。,63,64,图3 15 共射极基本放大电路的幅频和相频特性曲线,什么叫频率响应？如果放大电路的幅频特性是一条水平线，好不好？,答：如果放大电路的幅频特性是一条水平线，也就是说放大电路对不同频率的输入信号有相同的放大，看起来很理想，实际上是不行的。因为对放大电路有影响的外界干扰的噪声往往是高频的，如果幅频特性是水平线，干扰对电路的影响将很大，这样的放大电路是不能正常工作的。理想的频率特性应该是：下限截止频率fL低于输入信号中的最低频率，而上限截止频率fH高于输入信号中的最高频率。,65,1. 根据电路参数计算 、fL

24、 和 fH ；,2. 由三段直线构成幅频特性。,中频段：对数幅值 = 20lg,低频区： 从f = fL处开始,作斜率为 20 dB/十倍频直线；,高频段：从f = fH处开始，作斜率为 20 dB/十倍频直线。,绘制波特图步骤：,66,3.3.5 其它电容对频率特性的影响,下限频率fl主要由电容C1所在回路的时间常数l决定。,上限频率fh主要由电容C所在回路的时间常数h决定。,求某个电容所决定的截止频率，只需求出该电容所在回路的时间常数 即可。,67,了解,P4649,P5758,(1),图3 16 C2的下限频率等效电路,耦合电容C2。,68,了解,(2),图3 17 Ce对频率特性的影响

25、,射极旁路电容Ce。,69,(3) 输出端分布电容Co。,了解,3.4.1多级放大电路的幅频特性和相频特性,多级放大电路的电压放大倍数：,对数幅频特性为：,3.4多级放大电路的频率响应,70,多级放大电路的总相位移为：,两级放大电路的波特图,幅频特性,一 级,二 级,71,相频特性,一 级,二 级,多级放大电路的通频带，总是比组成它的每一级的通频带为窄。,72,73,3.4.2上限频率和下限频率的计算,在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据。,可以证明:,74,1、目前，MP3播放器一般功率放大器的工作频率范围是多 少？ MP4呢？2、研究

26、三极管的频率参数 时，为什么只是在高频时有衰减？3、当另外一个房间中播放音乐时，为什么很容易听到音乐的低音？ 一辆小汽车中，非常大的音乐声在另外一个车中的人听来却是低音节拍，这是为什么？4、什么是白噪声？为什么白噪声可以淹没说话声？为什么电扇的声音会掩盖说话声？5、人的耳朵是一个低通滤波器还是一个高通滤波器？6、如果放大电路的幅频特性是一条水平线，好不好？ 7、把阶梯波形平滑成预期的模拟信号应该用低通滤波器实现还是高通滤波器实现？为什么？,课堂问题,课堂举例：已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。分析电路中应有几个电容？求下限频率、上限频率和电压放大倍数。,（3）电压放大倍

27、数80dB,解：（1）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，电路的下限频率为10Hz。 （2）高频段只有一个拐点，斜率为-60dB/十倍频程，电路中应有三个电容，为三级放大电路。下限频率为2105Hz。,在用混合参数型等效电路分析放大电路的频率响应时，如果在同一频段内有两个以上的起作用，而且两者相差4-5倍以上时，就取最小的（对低频段）或最大的（对高频段）作为决定截止频率的，这是为什么？,答：对低频段，如果有两个以上的起作用，它们对应着 ，则根据估算多级放大电路下限截止频率 。如果 ，即 ，则只取fL1作为下限截止频率，与按上式的估算结果只差（2-3）。这样，完全有理由取最小的来

28、估算放大电路的下限截止频率。对高频段，情况与比相似。,77,【 】共e极放大电路如图3-18所示, 设三极管的=100, rbe=6k, rbb=100, fT=100MHz, C=4pF。 (1) 估算中频电压放大倍数Ausm; (2) 估算下限频率fl; (3) 估算上限频率fh。 解 (1) 估算Ausm。 由公式(3 - 18),图3-18 例1电路图,*例1,78,故,其中,79,*例1,(2) 估算下限频率fl。电路中有两个隔直电容C1和C2以及一个旁路电容Ce, 先分别计算出它们各自相应的下限频率fl1、 fl2和fle。,由于,，所以,80,*例1,(3) 估算上限频率fh。高频等效电路如图3 - 19所示。根据给定参数可算出,图3 19 例1高频等效电路,81,*例1,输入回路的时间常数为,则,82,*例1,输出回路的时间常数为,则,总的上限频率可由下式近似估算:,83,*例1,