模拟电子技术基础-第6章 放大电路的频率响应2011.10

第六章 放大电路的频率响应,6.1 放大电路频率响应概述,6.3 晶体管和场效应管的高频等效模型,6.4 单管放大电路的频率响应,6.2 RC电路的频率响应,6.5 多级放大电路的频率响应,1,作业,6-4、6-5的第1问、6-13自测题：6-1,2,本章内容,1.频率响应产生的原因和表示方法；低频Au下降的主要因素取决于耦合电容C，高频Au下降的主要因素取决于管子的极间电容。,2.RC低通和高通电路的频率响应，包括幅频特性和相频特性、通频带和截止频率；,3,5.多级放大电路的频率响应，包括幅频特性和相频特性、通频带和截止频率的近似估算。,3.晶体管的高频等效模型及相应参数的计算；,4.单管共射放大电路的频率响应，及相应参数的计算；,4,6.1 频率响应概述,6.1.1 频率响应产生的原因,原因：晶体管的极间电容 放大电路的耦合电容、旁路电容和分布电容电容的容抗均随着信号频率的变化而变化，因而使放大电路对不同频率信号的放大效果将不完全相同。这说明放大电路的电压放大倍数（增益）是频率的函数，这种函数关系叫做“频率响应”或者“频率特性”。,5,6.1 频率响应概述,中频段：耦合电容、旁路电容阻抗 小短路晶体管结电容的容抗 大开路 不考虑放大电路的频率特性。低频段：晶体管结电容 开路但是，耦合电容和旁路电容的容抗增大，对信号传输的作用不可忽略。,6,6.1 频率响应概述,高频段：耦合电容，旁路电容 短路 晶体管结电容和线路分布电容的容抗很小，对电流的并联分流作用不可忽略，同样会使增益的幅值减小，同时产生附加相位移。,放大电路的电压放大倍数（增益）是频率的函数，这种函数关系叫做“频率响应”或者“频率特性”。,7,6.1.2 频率响应的表示方法,电路的频率特性包括：幅频特性 相频特性,幅频特性：指电压增益的幅值和频率的关系。,相频特性：指输出电压与输入电压之间的相位差 和频率的关系。,8,通常把中频段的电压增益用Aum表示。当Aum 在高频端和低频段下降到0.707 Aum 时所对应的两个频率点叫做放大电路的“截止频率”。,9,6.1.2 频率响应的表示方法,图61 放大电路的幅频特性和相频特性,10,6.2 RC电路的频率响应,1. 高通电路及频率响应,11,在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数(lgf)刻度，而幅值（以dB为单位）或相角采用线性刻度。在这种半对数坐标中画出的幅频特性和相频曲线称为对数频率特性或波特图。,波特图,12,高通电路-高通滤波器 HPF,13,2. 低通电路及频率响应,14,低通电路-低通滤波器 LPF,15,考虑到晶体三极管发射结和集电结电容的作用，每个PN结均可用一个并联的结电容和结电阻等效。,6.3 晶体管和场效应管的高频等效模型6.3.1 晶体管的高频等效模型,1晶体管的混合参数 形模型,图66 晶体管的高频物理模型,表示受发射结电压控制的集电结电流（压控电流源）。,略去 、 ，开路 得到简化的晶体管的高频小信号等效模型。,16,晶体管混合参数 型等效电路,2晶体管的混合参数 形等效电路,17,X,简化H参数等效电路 中低频时混合形等效电路,当频率不高时，晶体管的结电容 和 的数值都很小，它们的影响可以忽略。这时混合参数 形等效电路就可以转化为H参数等效电路。,比较两个电路,18,将混合形等效电路通过密勒定理进行单向化转换，将C等效在输入回路和输出回路中。,3.混合参数形等效电路的简化,19,晶体管共射混合参数 型等效电路的简化图：,通常值很小，可以忽略。,把输入端并联电容合并，令,20,21,6.3.2 场效应管的高频等效模型,共源接法场效应管的混合参数 形等效电路如图。(rgs、rds大开路） 场效应管等效电路中的输入电容 较大，它的高频特性要比双极型晶体管差些。,22,6.3 单管共射放大电路的频率响应,在中频段，极间电容因为容抗大而视为开路，耦合电容和旁路电容因为容抗小而视为短路； 在低频段，主要考虑耦合电容和旁路电容的影响，将极间电容视为开路； 在高频段，主要考虑极间电容的影响，而耦合和旁路电容可以视为短路。,23,1.基本放大电路的中频响应,单管共射放大电路电路图和中频等效电路,24,中频段（源）电压增益,25,幅频特性和相频特性：,Ausm和 均为实数，其波特图的中频段都是一条水平线。,Ausm和 均为实数，其波特图的中频段都是一条水平线。,基本放大电路在低频段表现为RC高通特性。,2. 基本放大电路的低频响应,28,低频段电压增益为：,29,低频段波特图,30,基本放大电路在低频段表现为RC高通特性,f f L时增益为常数，当 f f L 时，幅频特性为一条斜率为20dB/十倍频程的直线。,3. 基本放大电路的高频响应,31,32,应用戴维南定理,高频段电压增益为：,基本放大电路在高频段表现为RC低通特性。,其中,33,高频段波特图,34,基本放大电路在高频段表现为RC低通特性,ff H时增益为常数，当 f f H 时，幅频特性为一条斜率为-20dB/十倍频程的直线。,4. 完整的单管共射放大电路的频率响应,完整的电压增益表达式：,完整波特图,35,低频段Au下降且产生相移,主要受耦合电容、旁路电容的影响。高频段Au下降且产生相移,主要受晶体管极间电容、电路中寄生电容的影响。,注意:,36,37,如果图中两个电容 同时存在，则存在两个下限截止频率：,电路的下限截止频率按下节介绍的多级放大电路的的下限截止频率的方法计算。,38,6.4.2 共基接法晶体管的高频小信号 模型,由于共基接法输入与输出端没有电容Cu，所以C = C+(1+K)Cu 中没后一项，值小很多，所以上限截止频率大，带宽也就宽。,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,1对放大电路频率响应的要求 只有在放大电路的通频带内，对于不同频率的信号，放大电路电压增益的幅值和相位才不会发生变化。 如果输入信号包含很多频率分量，输出信号不可能完全复现输入信号的波形而产生失真，这种失真叫做“频率失真”。频率失真包括“幅值失真”和“相位失真”。,39,为了减小频率失真，可以采取相应的手段扩大放大电路的通频带。通常采用的方法有：,（1）减小fL，改善低频响应。一方面使有关电容(耦合电容和旁路电容）的电容量增大，一方面使相应回路的电阻增大。当然，最好的办法是去掉耦合电容而采取直接耦合的方式。,40,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,应减小电阻和电容，选择特征频率高-C小的高频管，还要减小gmRL。但是，减小gmRL 会时放大电路电压增益下降。可见扩展频带和提高电压增益是有矛盾的。,41,（2）增大fH，改善高频响应。,（3）引入负反馈。在电路中引入负反馈，可以扩大放大电路的通频带。,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,43,44,通频带fBW,可以看出，在一般情况下，当晶体管和信号源选定后，增益带宽积也就大体确定。如果要使放大电路的通频带宽，同时又要使它的电压增益高，则应选用 和 都很小的高频管。,45,“增益带宽积”GBP，它是中频电压放大倍数Ausm 和通频带fBW的乘积。,6.5 多级放大电路的频率响应6.5.1多级放大电路的频率响应表达式和波特图,多级放大电路的电压增益：,多级放大电路电压增益的波特图的表达式为：,46,47,因此，只要把各级电压增益的波特图进行叠加，就可以得到多级放大电路总电压增益波特图。,已知两级放大电路，第一级放大倍数为20dB，上下限截止频率分别为1MHz和10Hz；第二级放大倍数为35dB，上下限截止频率分别为500kHz和100Hz.,48,多级放大电路下限截止频率的估算,多级放大电路的下限截止频率：当各级的下限截止频率相差不多时，采用上式估算fL。如果其中某一级的 fLK比其余各级大（4-5）倍以上时，则可认为总的 fL fLK。,49,多级放大电路上限截止频率的估算,多级放大电路的上限截止频率：当各级的上限截止频率相差不多时，采用上式估算fH。如果其中某一