放大电路的频率响应课件.ppt

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1、第四章 放大电路的频率响应,4.1频率响应的概念,4.2晶体管的高频等效模型,4.4单管放大电路的频率响应,4.5多级放大电路的频率响应,4.3场效应管的高频等效模型,4.6放大电路的阶跃响应,第四章 放大电路的频率响应4.1频率响应的概念4.2晶,本章重点：,2、单管共射放大电路混合模型等效电路图、 频率响应的表达式及波特图绘制 。,1、晶体管、场效应管的混合模型。,本章重点：2、单管共射放大电路混合模型等效电路图、,4.1频率响应的概念,研究放大电路频率响应的必要性,由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。,小信号等效模

2、型只适用于低频信号的分析。 本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。,4.1频率响应的概念研究放大电路频率响应的必要性,频率响应的概念,1.频率响应与通频带,放大电路的电压放大倍数Au是频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。,Au( f )表示电压放大倍数的模与频率f的关系，称为幅频响应,( f )表示放大电路输出电压与输入电压之间的相位差与频率f的关系，称为相频响应,放大电路的对数频率特性称为波特图。,频率响应的概念1.频率响应与通频带 放大电路的,2. 通频带,在中频区各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍

3、数Au基本上不随信号频率而变化，保持常数。,在低频区，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使放大倍数下降；,在高频区，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大倍数下降。,2. 通频带 在中频区各种电容的影响均可以忽,2. 通频带,在绘制频率响应曲线时，常常采用对数坐标。 幅频特性的纵坐标为 ，单位为分贝（dB）。 相频特性的纵坐标仍为，不取对数。这时得到的频率响应曲线称为对数频率响应或波特图。,在波特图中，放大器的下限频率fL和上限频率fH也就是中频电压增益下降3dB时所对应的两个频率。,2. 通频带 在绘制频率响应曲线时，常常采用对数坐标。,3.幅频失真和相频

4、失真,放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形产生失真，这种失真称为频率失真，又称为线性失真 。,频率失真又包括幅度失真和相位失真。,幅度失真：是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同 而引起输出波形产生的失真。,相位失真：是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而 引起输出波形产生的失真。,3.幅频失真和相频失真 放大器不能使不同频率的信号,幅频失真和相频失真,幅频失真和相频失真,4.1.2 RC电路的频率响应,1. RC低通电路,时间常数H=R1C1，令,幅频响应：,相频响应：,4.1.2 RC电路的频率响应1. RC低通电路时间常数,（1）幅频响应：,当ffH 时，,当ffH

5、时，,两条直线的交点f H称为转折频率。,（1）幅频响应：当ffH 时， 随着,当ffH 时，,当ffH 时，,(2)相频响应：,当f = fH 时，,可以利用RC低通电路来模拟放大电路的高频响应。,当ffH 时， (2)相频响应： 当,则有：,放大电路的对数频率特性称为波特图。,(3) 低通电路的波特图,则有：放大电路的对数频率特性称为波特图。(3) 低通电路的波,对数幅频特性：,3dB,-20dB/十倍频,对数相频特性：,fH,10 fH,-45,5.71,5.71,-45/十倍频,-90,0.1 fH,在高频段，低通电路产生0 90的滞后相移。,（3）低通电路的波特图,对数幅频特性：0.

6、1 fHfH 10 fHf0-20-403,2. RC高通电路,时间常数L=R2C2，令,幅频响应：,相频响应：,2. RC高通电路时间常数L=R2C2，令幅频响应：相频响,（1）幅频响应：,当ffL 时，,当ffL 时，,（1）幅频响应：当ffL 时， 随着,当ffH 时，,当ffH 时，,(2)相频响应：,当f = fH 时，,可以利用RC高通电路来模拟放大电路的低频响应。,当ffH 时， (2)相频响应： 当,则有：,放大电路的对数频率特性称为波特图。,(3) 高通电路的波特图,则有：放大电路的对数频率特性称为波特图。(3) 高通电路的,对数幅频特性：,实际幅频特性曲线：,幅频特性,当

7、f fL(高频)，当 f fL (低频)，,高通特性：,且频率愈低，的值愈小，低频信号不能通过。,3dB,最大误差为 3 dB，发生在 f = fL处,对数幅频特性： 实际幅频特性曲线：幅频特性当 f fL(,对数相频特性,图 5.1.3(a) 相频特性,5.71,-45/十倍频,误差,在低频段，高通电路产生 0 90 的超前相移。,5.71,对数相频特性图 5.1.3(a) 相频特性5.71-45,【小结】,（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数，即决定了fL和fH。,（2）当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降3dB，且产生+450或-450相移。,（3）近似分析中，可以用折

8、线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。,【小结】（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数,4.2 晶体三极管的高频等效模型,4.2.1 高频混合型等效模型的引出,通常情况下，rce远大于c-e间所接的负载电阻，而rbc也远大于C的容抗，因而可认为rce和rbc开路。,4.2 晶体三极管的高频等效模型4.2.1 高频混合型,1.完整的混合 模型,高频时由于结电容的影响 和 ，已不能保持正比关系，所以用放射结上的电压 来控制集电极电流Ic,用电流源 来表示基极回路对集电极回路的控制作用。,1.完整的混合 模型高频时由于结电容的影响 和,gm为低频互导：,2.简化的混合 模型,gm为低频互

9、导：2.简化的混合 模型,4.2.2 混合型等效模型参数的获得,4.2.2 混合型等效模型参数的获得,【结论】 这样，混合型等效模型中，除C和C外的全部参数都可以通过H参数求出，C的数值可以从手册中查到，手册中提供的Cob值近似为C。而C值不能直接从手册中查到，可按下列公式计算式中fT是三极管的特征频率，可由手册直接给出。通常，例如，一个三极管的C=100pF，而C=3pF。 三极管的高频响应取决于混合型等效模型的参数gm、 rbc 、 rbe 、C和C。而这些参数又可用、rbe、fT和Cob来表示。因此，我们可以用、rbe、fT和Cob来衡量三极管的高频性能。 同时，通过上述分析可知，混合型

10、等效模型的参数不仅与静态工作点有关，还与温度有关。,【结论】,4.2.3 三极管的频率参数,1.共射极截止频率f,三极管的频率参数是用来描述管子对不同频率信号的放大能力。常用的频率参数有共射极截止频率f、特征频率fT、共基极截止频率f等。,4.2.3 三极管的频率参数1.共射极截止频率f三极管的,4.2.3 三极管的频率参数,1.共射极截止频率f,（截止频率）,4.2.3 三极管的频率参数1.共射极截止频率f（截止频,其模值为,其模值为,共射接法交流短路电流放大系数的对数幅频特性与对数相频特性,对数幅频特性,fT,f,20lg 0,-20dB/十倍频,对数相频特性,10 f,0.1f,-45,

11、-90,对数幅频特性fTfOf20lg 0-20dB/十倍频f0,2. 特征频率fT,fT的典型数据约在1001000MHz之间。,2. 特征频率fT一般，故fT的典型数据约在1001000,3.共基极截止频率 f,利用与的关系可得：,令,可得：,3.共基极截止频率 f利用与的关系可得：令可得：,1.共射截止频率 f ,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。,【几个频率的分析】,1.共射截止频率 f 值下,2.特征频率 f T,值降为 1 时的频率。,f fT 时，三极管失去放大作用；,f = fT

12、时，由式,得：,2.特征频率 f T 值降为 1,3.共基截止频率 f,值下降为低频 0 时 的 0.707 时的频率。,3.共基截止频率 f 值下降为低频 0 时 的 0.70,【f 与 f 、 fT 之间关系】：,因为,可得,【f 与 f 、 fT 之间关系】：因为可得,【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 值约为几十至几百千赫，高频小功率管的 fT 约为几十至几百兆赫。,【说明：】所以：1. f 比 f 高很多，等于 f,4.3 场效应管的高频等效模型,与晶体管一样，场效应管的各电极之间也会存在极间电

13、容，根据场效应管的结构，可得出它的高频等效模型如图（a）所示。由于一般情况下rgs和rds都比外接电阻大得多，因此可以忽略，认为它们开路。这样就可以得到图（b）所示的简化高频等效模型。,4.3 场效应管的高频等效模型 与晶体管一样，场效应管的各,4.4 单管共发射极放大电路的频率响应,利用晶体管混合型等效模型就可以分析放大电路的频率响应,4.4 单管共发射极放大电路的频率响应利用晶体管混合型等效,单管共射放大电路的频率响应,中频段：各种电抗影响忽略，Au 与 f 无关；,低频段：隔直电容压降增大， Au 降低。与电路中电阻构成 RC 高通电路；,高频段：三极管极间电容并联在电路中， Au 降低

14、。而且，构成 RC 低通电路。,单管共射放大电路的频率响应C1Rb+VCCC2Rc+R,4.4 单管共发射极放大电路的频率响应,密勒定理,折合到b-e之间为：,折合到c-e之间为,4.4 单管共发射极放大电路的频率响应密勒定理 折合到b-,1 中频电压放大倍数,式中,1 中频电压放大倍数式中,2 低频电压放大倍数,2 低频电压放大倍数,并令,并令,由上面的推导可以看出，fL1与C1所在回路的时间常数成反比。同理，当只考虑C2的影响时，可以得出其下限截止频率fL2为,由上面的推导可以看出，fL1与C1所在回路的时间常数成反比。,分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响,分压式偏置放

15、大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响,分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响,在回路中其时间常数为,则下限截止频率fL3为,分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响在回路,3 高频电压放大倍数,在高频区，由于容抗变小，则耦合电容和旁路电容可忽略不计，视为短路，但并联的极间电容的影响应予以考虑，其等效电路如图（a）所示。由于,所在回路的时间常数比输入回路C的时间常数小得多，所以将C忽略不计，如图（b）所示。,3 高频电压放大倍数在高频区，由于容抗变小，则耦合电容和旁,3 高频电压放大倍数,3 高频电压放大倍数,并令,并令,4 完整的频率响应,放大倍数,在全部频

16、率范围内的表达式 ：,4 完整的频率响应放大倍数在全部频率范围内的表达式 ：,四、波特图,绘制波特图步骤：,1. 根据电路参数计算 、fL 和 fH ；,2. 由三段直线构成幅频特性。,中频段：对数幅值 = 20lg,低频段： f = fL开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；,高频段：f = fH 开始增加，作斜率为 20 dB/十倍频直线。,3. 由五段直线构成相频特性。,四、波特图绘制波特图步骤： 1. 根据电路参数计算,图 5.4.5,幅频特性,fL,-20dB/十倍频,fH,20dB/十倍频,-270,-225,-135,-180,相频特性,-90,图 5.4.5幅频特性fOf

17、L-20dB/十倍频fH20dB,通频带,f,|Au |,0.707| Auo |,fL,fH,| Auo |,幅频特性,下限截止频率,上限截止频率,耦合、旁路电容造成。,三极管结电容、 造成,O,通频带f|Au |0.707| Auo |fLfH| Auo,放大电路频率响应的改善和增益带宽积,1.为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，放大电路可采用直接耦合方式，使得fL 0,2.为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限频率fH。,3.增益带宽积,中频电压放大倍数与通频带的乘积。,放大电路频率响应的改善和增益带宽积1.为了改善放大电路频率,说明：,式不很严格，但从中可以看出一个大概的趋势

18、，即选定放大三极管后，rbb 和 Cbc 的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若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。,如愈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。,说明：式不很严格，但从中可以看出一个大概的趋,复习：,1.晶体管、场效应管的混合 模型,2.单管共射放大电路的频率响应,表达式：,波特图的绘制：三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性,复习：1.晶体管、场效应管的混合 模型2.单管共射放大电,4.5多级放大电路的频率响应,4.5.1多级放大电路频率特性的定性分析,多级放大电路的电压放大倍数：,

19、对数幅频特性为：,在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有多个低通电路。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路。,4.5多级放大电路的频率响应4.5.1多级放大电路频率特,多级放大电路的总相位移为：,两级放大电路的波特图,图 5.5.1,fH,fL,幅频特性,fL1,fH1,6 dB,3 dB,3 dB,fBW1,fBW2,一 级,二 级,-20dB/十倍频,-40dB/十倍频,多级放大电路的总相位移为：两级放大电路的波特图图 5.5.1,图 5.5.1,相频特性,-270,-360,fL1,fH1,-540,-180,-450,-

20、90,一 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。,图 5.5.1相频特性-270-360fL1fH1fO,4.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算,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即：若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。,4.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算在实际,例4.5.1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。求下限频率

21、、上限频率和电压放大倍数。,（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。,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，故电路的下限频率为10Hz。,fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz,（3）电压放大倍数,例4.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特,1.考虑C1对低频特性的影响,(b) C1所在回路的等效电路,2.考虑C2对低频特性的影响,1.考虑C1对低频特性的影响(b) C1所在回路的等效电路2,3.考虑Ce对低频特性的影响,4.考虑结电容对高频特性的影响,(e)结电容所在回路的等效电路,

22、比较C1、C2、Ce所在回路的时间常数1、2、e,当取C1C2Ce时，e将远小于1,2，即fLe远大于fL1和fL2因此，fLe就约为电路的下限频率。,3.考虑Ce对低频特性的影响(d) Ce所在回路的等效电路4,4.6 放大电路的阶跃响应,研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下的频率响应，这种分析方法称为频域法。,优点:是分析简单，实际测试方便,缺点:是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路的波形失真，,采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析方法称为时域法。,优点:是可以很直观地判断放大电路的波形失真缺点:是分析比较复杂,

23、4.6 放大电路的阶跃响应 研究放大电路在不,1.阶跃信号,2.单级放大电路的阶跃响应,（1）上升时间t r,上升部分可以采用RC低通电路来模拟,1.阶跃信号2.单级放大电路的阶跃响应（1）上升时间t r上,（1）上升时间t r,定义上升时间t r来表示前沿失真，上升时间t r是指输出电压从终始值的10%上升到90%所需的时间。,说明：上升时间tr与上限频率fH成反比，fH越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。,（1）上升时间t r 定义上升时间t r来表示前,（2）平顶降落,平顶部分可以采用RC高通电路来模拟,输出电压是按指数规律下降的现象称为平顶降落。,下降速度取决于时间常数RC，,平顶降落

24、：是指在规定的时间tp内，输出电压比终始值下降的百分数。即,当 时，有,（2）平顶降落平顶部分可以采用RC高通电路来模拟,考虑到：,平顶降落与低频下限频率fL成正比fL越低，平顶降落越小,则tp代表方波的半个周期，即,则平顶降落为,考虑到： 平顶降落与低频下限频率fL成正比fL越低，平顶降,从本节的分析可知，时域法和频域法虽然是两种不同的方法，但它们有着内在的联系；当放大电路的输入信号为阶跃电压时，在阶跃电压的上升阶段，放大电路输出电压的上升时间决定于放大电路的上限频率fH；而在阶跃电压的平顶阶段，放大电路输出电压的平顶降落又决定于放大电路的下限频率fL。一个频带很宽的放大电路，同时也应该是一个很好的方波信号放大电路。工程中也常用一定频率的方波信号去测试宽频带放大电路的频率响应，如它的方波响应很好，则说明它的频带较宽。,从本节的分析可知，时域法和频域法虽然是两种不同的方法，但它们,71,可编辑,感谢下载,71可编辑感谢下载,