模拟电子技术模电ch044ppt课件

4.7 放大电路的频率响应 4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应 4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 4.7.4 单级共基极和共集电极放大电路的高频响应 4.7.5 多级放大电路的频率响应 研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信 号频率变化时的响应。 4.7.0 复习频率响应的基本概念 1 放大 输入电阻输出电阻 温度 信号的频 率 影响放大的因素 ： BJT组态 实际信号大多数是含有许多频率成分的复杂 信号（其频率范围成为信号带宽） 静态 工作点位 置 2 4.7.0 复习频率响应的基本概念 1.为什么要研究频率响应？ 原因（1）：Av是f的函数，对不同频率信号的放大程度不同 。 原因（2）：信号有多个频率成分，若对不同频率信号的放大 程度不同，会产生频率失真。 2.如何分析研究频率响应的特性？ （1）信号的频率表达 （2）放大器的频率响应表达 （3）根据信号的频率特性提出对放大器的频率 响应的要求 （4）放大器的频率响应受那些因素的影响 3 放大器输入是单一中部频 率正弦波在频域的特性： 在下图中如何表达这个输入： 输入信号 输出 以射极放大器为例 在下图中如何表达这个输出： 4 信号的时频表示： 傅里叶级数分解 时域 频域 直流分量 其中 基波分量 三次谐波分量 以方波信号为例： 5 放大器Avf()关系 或 幅频响应 相频响应 6 输 入 输 出 中频点输入输出对照图示： 单一频点的放大倍数不能反 映放大器放大倍数的全貌 需要分析全部频点上放大 器的频率响应 频率响应？ 前期，作为标准信号我们仅 仅使用一个中频点上的正弦 信号作为标准输入信号讨论 放大特性。 输入对应各个频点的复输出 7 即vi含有丰富的频率成分 它们在放大器中的传输情况如何呢？ 实际信号分析： 音乐：20Hz-20KHz 视频信号：DC-4.5MHz 都包含有一定的频率范围 4.7.0 复习频率响应的基本概念 8 实际上放大器的响应是 中频带有限系统 4.7.0 复习频率响应的基本概念 9 输入信号 输出 以射极放大器为例 正常放大区 不正 常放 大区 不正 常放 大区 观察有丰富频率特性的信号通过 带宽有限的放大器的情况 10 不正常放大区对数字信号的影响： 设输入是数字信号的一个脉冲 关键是受中频带以 外部分的影响 11 关键是受中频带以外部分的影响 可以推论： 好的放大器中频带宽必须大于信号带宽 前期我们所讲到的增益都是在中频区。 那么到底是什么因素致使高低频区出现： 增益下降相移分散。 电路中那些因素会造成这些变化？ 12 电路中有电抗性元件（L、C，包括极间电容等） 对于不同 的f 或 X不同 放大器对于不同f 信号的AV 不同 输出波形不能反映输入波形的形状失真 放大器对于不同频率正弦信号的稳态响应 放大器的频率响应（特性） 是放大电路的重要指标！ 放大电路放大指标的完全表达 频率响应不同产生的原因是： 4.7.0 复习频率响应的基本概念 13 耦合电容 Cbc Cbe 极间电容 旁路电容 BJT放大电路中有哪些电抗元件： 如何处理呢？ 接线电容 分布电容 分布电感 变压器 Ce 14 前面的讨论： 耦合电容和旁路电容（F级） 直流时认为是交流是 BJT极间电容（pF级） 这是在什么条件下？ 前提：放大器输入是 单一中部频率正弦波 耦合电容直流开路f= 耦合电容交流短路 f= 0 开路 短路 BJT极间电容 C 开路 开路短路 -开路 0 中频值 C 大 很小中频值f= 15 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级 BJT极间电容pF级 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级短路 BJT极间电容pF级开路 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级开路 BJT极间电容pF级开路 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级开路有限值 短路 BJT极间电容pF级开路开路 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级开路有限值 短路 BJT极间电容pF级开路开路开路 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级开路有限值 短路短路 BJT极间电容pF级开路开路开路 电抗器件大小直流 f=0 低频 f=小 中频 f=中 高频 f=大 耦合旁路电容 F级开路有限值 短路短路 BJT极间电容pF级开路开路开路有限值 16 f Xc1 1Hz3184.7 10Hz318.5 100Hz31.8 1kHz3.2 10kHz0.3 100kHz0.03 1MHz0.003 Rb vi RcRL 固定偏流共射极放大电路 f 100Hz时，Xc1fL 2、幅度失真和相位失真： 当vi频谱很广，而放大器的通频带又不够宽时，对于 不同频率的信号不能得到同样的放大（幅度、相位） vo 波形发生变形失真！ 由于放大器对不同f 信号的放大效果 不同，而产 生的波形失真频率失真 AV 又分为： 幅度失真： vo中不同f 信号振幅的比例与放大前不同 。 相位失真： vo中不同f 信号的相位关系与放大前不同 。 B=fH fLfH 又称带宽。 21 22 线性失真：电抗元件引起 不产生新的频率分量 非线性失真：非线性元件（如二极管和三极管）引起 会产生新的频率分量 失真的后果：信号不能完全重现 如何不失真？ 多频率信号经过系统后发生相移是否是相频失真？ 23 不失真传输系统 幅度特性相位特性 传递函数频域 保证同相的相移 24 电压增益： 功率增益： 电流增益： AV用分贝数表示的优点： a.可将增益相乘变为相加； b.可采用对数坐标图绘制频率响应扩展视野，缩短坐标。 复习用分贝数（对数单位）表示增益： 例： 25 对数频率特性 把幅频响应和相频响应分别 绘制在两张半对数坐标纸上 纵坐标以dB表示的AV 或，采用线性分度。 称为对数频率响应，又称波特图。 横坐标f （或 ） ，采用对数分度 26 如何绘制？ 方法： 对于每一个频区 ，忽略次要因素，突出主 要因素，找出近似的模拟 等效电路， 对于中频区，等效电路即为H参数等效电路， 那么，高频区和低频区呢？ 工程上采用折线近似，而 不用逐点描迹。 用典型RC电路来模拟。 求出 的关系，分别在半对数坐标纸上绘制对数 频率特性波特图。 27 4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应 1. RC低通电路的频率响应 （电路理论中的稳态分析） RC电路的电压增益（传递函数）： 则 且令 又 电压增益的幅值（模）（幅频响应） 电压增益的相角（相频响应） 增益频率函数 RC低通电路 28 最大误差 -3dB 频率响应曲线描述 幅频响应 1. RC低通电路的频率响应 相频响应 f做分子时高频转折相移滞后 29 2. RC高通电路的频率响应 RC电路的电压增益： 幅频响应 相频响应 RC高通电路 且令 又 则 f做分母时低频转折相移超前 30 RC电路的频率响应 综上所述，可归纳： （2）fH和fL都是对应的回路时间常数 RC成反比的。 （1）转折频率fH和fL是频率响应的关键点。 （3）掌握用折线近似波特图表示放大电路的频率响应。 （4）放大器的频率响应可以分频区进行。 fH和fL是幅频响应的转折点； 0.1fH和10fH 、 0.1fL 和10fL是相频响应的转折点 。 f做分子时高频转折相移滞后 f做分母时低频转折相移超前 31 幅频响应 相频响应 一般表达式。 低通频率响应 AVSM：中频响应 AVSM 相位滞后0-90 f在上面，很小时可省略虚部，不影响低频 上限转折频率 32 幅频响应 相频响应 一般表达式。 高通频率响应 AVSM：中频响应 AVSM 下限转折频率 相位超前0-90 f在下面，很大时可省略虚部，不影响高频 33 幅频响应 相频响应 幅频响应 相频响应 低通 高通 重点：！一般表达式。 34 全表示 AVSM 求频率特性的三要素：AVSM，fH，fL. 35 （1）低频区：考虑耦合电容和旁路电容，极间电容开路。 放大器的频率响应可以分频区进行 （2）中频区：耦合电容和旁路电容短路，极间电容开路。 （3）高频区：考虑极间电容，耦合电容和旁路电容短路。 36 4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数 1. BJT的高频小信号模型 模型的引出 rbe 发射结电阻re归算到基极 回路的电阻 Cbe 发射结电容 rbc 集电结电阻 Cbc 集电结电容 rbb 基区的体电阻 BJT的高频小信号模型 b是假想的基区内的一个点 b rbb rbe Cbe rbc Cbc re 发射区体电阻 rc 集电区体电阻 re rc 37 4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数 1. BJT的高频小信号模型 模型的引出 BJT的高频小信号模型 b rbb rbe Cbe rbc Cbc re 发射区体电阻 rc 集电区体电阻 re rc 发射区体电阻和集电区体电阻 很小可以略去 38 4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数 1. BJT的高频小信号模型 模型的引出 互导 或跨导 几十毫西 导出BJT的高频小信号模型 b rbb rbe Cbe rbc Cbc re rc 由于结电容的影响，受控源： 受控于Vb e 39 由此可见gm是与频率无关的 0和rbe的比值，因此gm与频率无关。若IE=1mA，gm=1mA/26mV38mS。 gm称为跨导，还可写成 0 反映了三极管内部， 对流经 rbe的电流的放大 作用。 是真正具有电流放大作用的部分，0 即低频时 的。而： 40 简化模型 1. BJT的高频小信号模型 都是BJT放大时的等效 反偏结电阻，所以很大 可以开路 混合形高频小信号模型 41 2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 低频时，混合模型与H参数模型等价 所以 VT温度电压当量 42 又因为 所以 2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 低频时，混合模型与H参数模型等价 Q点上参数 受控电流源： 所以 43 Cbc : 210pF(C) 几十到几百pF(C) 从手册中查出 特征频率 其他参数的获得 ： 近似估算时，用器件手 册上的Cob代替。 Cob是BJT接成共基极形式且发射极开路时，CB间的结电容。 44 三极管的高频等效模型 e b c re rbe rbb rbcrc 三极管结构： b CbeCbc Cbc : 210pF(C) 几十到几百pF(C) 从手册中查出 特征频率 45 3. BJT的频率参数 由H参数可知 即 根据混合模型得 低频时 所以 C节点，b支路方程 电流增益的高频表示 交流 短路 当时， 46 令 的幅频响应 共发射极截止频率 特征频率 共基极截止频率 3. BJT的频率参数 的相频响应 47 特征频率 时的频率 得： 如果 由 得 则 发射结转折频率 BJT共射转折频率 48 f(10)fffT BJT的共基极截止频率f 远大于共射极截止频率f 特征频率fT 常用于衡量BJT的高频特性 49 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 形高频等效电路 采用密勒定理拆分Cbc 50 密勒定理： 51 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 形高频等效电路 对节点 c 列KCL得 由于输出回路电流比较大，所 以可以 忽略 的分流，得 而输入回路电流比较小，所以 不能忽略 的电流。 目标：断开输入输出之间的连接 52 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 形高频等效电路 称为密勒电容 53 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 同理，在c、e之间也可以求得 一个等效电容CM2，且 1. 高频响应 形高频等效电路 54 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 形高频等效电路 55 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 形高频等效电路 目标：简化和变换 输出回路的时间常数 远小于输入回路时间常数 ，考虑高频响应时可以忽 略CM2的影响。 56 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 形高频等效电路 目标：简化和变换 开路电压 等效内阻 57 4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应 1. 高频响应 高频响应和上限频率 由电路得 电压增益频响 其中 中频增益或通 带源电压增益 上限频率 58 1. 高频响应 高频响应和上限频率 RC低通电路 共射放大电路 频率响应曲线变化趋势相同 180arctan(f /fH) 相频响应 幅频响应 59 增益-带宽积 BJT 一旦确定，带宽增益积基本为常数 1. 高频响应 当RbRs及Rbrbe时，有 带宽与增益成反比 频率特性的改善：合理调整带宽增益和电抗元件，选择fT 大的BJT 60 例题 解：模型参数为 例4.7.1 设共射放大电路在室温下运行，其参数为： 负载开路，Rb足够大忽略不计。试计算它的低频电压增益和上限频率。 低频电压增益为 又因为 所以上限频率为 61 2. 低频响应 低频等效电路 极间电容开路 留下电路中的耦合电容、旁路电容 62 2. 低频响应 低频等效电路 Rb=（Rb1 | Rb2）远大于Ri Ri Re和Rb视为开路 63 2. 低频响应 低频等效电路 Ce和C1串联的 将Ce折算到基极回路： ，CeCb2 Ce对输出回路的影响忽略 64 中频区(即通常内)源电压增益当 则 下限频率取决于 2. 低频响应 低频响应 当 65 2. 低频响应 低频响应 下限频率取决于 当 时， 相频响应 180arctan( fL1 / f) 180 arctan(fL1/f) 幅频响应 66 2. 低频响应 低频响应 包含fL2的幅频响应 67 CE接法基本放大电路全频段微变等效电路 结论：电路中的每个电容在全频段 放大时都将增加一个衰减因子。 68 设fL1fL2，画出单级基本放大电路波特图，如图05.16所示。 图05.16 单级基本放大电路的波特图 69 4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应 1. 共基极放大电路的高频响应 高频等效电路 转成高频微变等效电路 保留结电容，短路耦合电容和旁路电容 70 4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应 1. 共基极放大电路的高频响应 高频等效电路 关系复杂需要化简 等同短路 71 4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应 1. 共基极放大电路的高频响应 高频等效电路 注意BJT内部的等效关系 72 4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应 1. 共基极放大电路的高频响应 高频等效电路 73 高频响应 特征频率 1. 共基极放大电路的高频响应 其中 由于re很小 由于Cb