放大电路的频率响应.ppt

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,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。,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。,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。,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。,3.幅频失真和相频失真,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。,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：,（1）幅频响应：,当ffH 时，,当ffH 时，,两条直线的交点f H称为转折频率。,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。,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,对数幅频特性：,对数相频特性：,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,2. RC高通电路,时间常数L=R2C2，令,幅频响应：,相频响应：,（1）幅频响应：,当ffL 时，,当ffL 时，,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。,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,对数幅频特性：,实际幅频特性曲线：,幅频特性,当 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。,最大误差为 3 dB，发生在 f = fL处,对数相频特性,图 5.1.3(a) 相频特性,误差,在低频段，高通电路产生 0 90 的超前相移。,【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，可以用折线化的近似波特图 表示放大电路的频率特性。,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。,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。,gm为低频互导：,2.简化的混合 模型,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，混合型等效模型的参数不仅与静态工作点有关，还与温度有关。,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,（截止频率）,其模值为,对数幅频特性,fT,20lg 0,对数相频特性,0.1f,2. 特征频率fT,fT的典型数据约在1001000MHz之间。,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】,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 时，由式,得：,3.共基截止频率 f,值下降为低频 0 时 的 0.707 时的频率。,【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。,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。,4.4 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,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。而且，构成 RC 低通电路。,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,1 中频电压放大倍数,式中,2 低频电压放大倍数,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,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,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,并令,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。,图 5.4.5,幅频特性,相频特性,通频带,f,|Au |,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,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。,说明：,式不很严格，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。,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,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：,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。,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,幅频特性,一 级,二 级,图 5.5.1,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。,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。,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、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,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,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,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。,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,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）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。,（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：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,考虑到：,平顶降落与低