放大器的频率特性.ppt

第 3章,放大器的频率特性,退出,301,目 录,3.1 线性失真及其分析方法 302,3.3 多级放大器的频率响应 385,3.4 放大器的阶跃响应 393,3.2 单级放大器的频率响应 338,退出,302,3.1 线性失真及其分析方法,3.1.1 线性失真,3.1.2 分析方法,退出,返回,303,由于放大电路中存在电抗元件(电容、电感等）， 所以在放大含有丰富频率成分的信号（如语音信号、 脉冲信号等）时，导致输出信号不能重现输入信号的 波形，这种在线性系统中产生的失真称为线性失真。,3.1.1 线性失真,1. 基本概念,丰富频率成分的信号,电路中有电抗元件,输出畸变,线性失真,退出,返回,304,例3-1：RC电路如图所示，当输入信号为周期为1ms的方波时，试分析输出电压波形产生失真的原因。,3.1.1 线性失真,1. 基本概念,退出,305,对输入信号做傅里叶分解，可见输入信号中包 含丰富的频率成分。,由于电容C对于不同频率呈现不同容抗，从而， 使输出波形产生了失真。,由于RC电路是线性电路，可以用叠加原理，将 输入信号的各个频率分量分别作用于RC电路，最后 在输出端求和。,1. 基本概念,退出,3.1.1 线性失真,306,幅度失真：(与振幅频率特性有关),放大器对输入信号的不同频率分量的放大倍数大 小不同，使输出信号各个频率分量的振幅相对比例关 系发生了变化，从而导致输出波形失真。,2. 线性失真的分类,例3-2：,退出,3.1.1 线性失真,307,输入信号由基波、二次谐波和三次谐波组成,输入信号基波、二次和三次谐波振幅比为10:6:2； 输出信号基波、二次和三次谐波振幅比为10:3:0.5； 因此出现失真。,退出,3.1.1 线性失真,308,2. 线性失真的分类,放大器对输入信号的不同频率分量滞后 时间不相等而造成的输出波形失真。,相位失真：(与相位频率特性有关),退出,3.1.1 线性失真,309,3. 不失真传输的条件,即,从幅频特性上看放大倍数的幅值与频率无关。,（1）不产生幅度失真的条件,退出,3.1.1 线性失真,310,3. 不失真传输的条件,从相频特性上看放大器对各频率分量滞后时间相同,即,（2）不产生相位失真的条件,退出,3.1.1 线性失真,311,3. 不失真传输的条件,对于要放大的输入信号，其主要频率成分总 是集中在一定的频率范围内，通常称为信号带宽。,对于幅度失真：只要放大器的通频带略大于信 号带宽，就可以忽略幅度失真。 对于相位失真：在话音通信中的中的放大器， 可以不考虑相位失真，但在图像通信中的放大器， 则必须考虑。,退出,3.1.1 线性失真,312,4. 和非线性失真的区别, 产生原因不同 线性失真是含有电抗元件的线性电路产生的失真。,非线性失真是含有非线性元件（如晶体管、场效应管等）的非线性电路产生的失真。,退出,3.1.1 线性失真,313,4. 和非线性失真的区别,线性失真的大小与输入信号幅度的大小无关，而非线性失真的大小与输入信号幅度大小密切相关（对于放大电路还与Q点位置有关）。,(2)产生结果不同 线性失真不会产生新的频率成分; 非线性失真产生了输入信号所没有的新的频率成分。,退出,3.1.1 线性失真,314,例3-3：某放大器中频电压增益 ，下限频率 ， 上限频率 ，最大不失真输出电压为10V，当输入 信号为下列情况时，判断输出信号是否失真？如是，为何种 失真？,3.1.1 线性失真,退出,315,该信号包含两个频率信号:1.5kHz和50kHz，均处于中频 区，故不会产生线性失真；但1.5kHz分量的信号幅度远大于 线性区允许的输入电压幅度最大值，即信号的最大值为10V， 故会产生严重的非线性失真。,解：,该信号为单频信号，虽然该信号 ，放大倍数会 降低，但输出仍为单频正弦波，不存在线性失真；线性区允 许的输入电压的最大幅值为10/10=1V,故不会产生非线性失真。,退出,3.1.1 线性失真,316,该信号的两个频率分量：1.5kHz处于中频区, 150kHz 处于高频区，故会产生线性失真。 两个信号分量的幅度均小于允许的输入电压最大值，叠 加之后的信号在t为 处有最大值0.1V，故不产生非 线性失真。,该信号的两个频率分量：3Hz处于低频区，1.5kHz处于 中频区，故产生线性失真； 叠加后的信号在t为 s有最大值为0.2V，故不产生 非线性失真。,退出,317,（1）线性失真的概念； （2）分类； （3）不失真传输条件； （4）和非线性失真的区别。,小结,退出,3.1.1 线性失真,318,3.1.2 分析方法,1.基本知识,设系统的传输函数为,将上式因式分解为,式中nm,退出,返回,319,1.基本知识,在式,中,分子等于零的根,零点,分母等于零的根,极点,因此一个线性系统的传输函数完全由零极 点和比例因子决定，据此可分析线性系统的频 率响应。,退出,3.1.2 分析方法,320,1.基本知识,将放大器的增益函数表示为,可将上式改成标准形式，即,退出,3.1.2 分析方法,321,对于正弦输入信号，增益函数可表示为,1.基本知识,由上述的增益函数表达式可以得到用分贝表示 的增益函数的幅值与频率的关系(幅频特性）；也可 得到增益函数的相位和频率的关系（相频特性）。,退出,3.1.2 分析方法,322,幅频特性：用分贝表示模值。,相频特性,退出,1.基本知识,3.1.2 分析方法,323,1.基本知识,幅频特性波特图：横坐标用频率对数刻度，纵坐标用dB表示， 描述幅频特性曲线。,相频特性波特图：横坐标用频率对数刻度，纵坐标用度(或弧度) 表示，描述相频特性曲线。,由上式可以看出，在求增益函数的幅频和相频特 性时，可以先分别求出单个零极点的贡献，最后合成。,退出,3.1.2 分析方法,324,2.渐近线波特图法,（1）一阶零点,设一阶零点表达式为：,幅频特性,当 时，幅频特性是斜率为 20dB/十倍频的斜线。,在 处的模值应为3.01dB，因此实际的幅频特 性曲线如虚线所示。,当 时，幅频特性为0dB；,这样用两线段构成的折线就称为渐近线波特图，它与实际曲线 存在一定的误差，如,退出,3.1.2 分析方法,325,2.渐近线波特图法,（1）一阶零点,相频特性为,实际上，在 处和 处的相 角分别为5.7和84.3，实际的相频特性 曲线如虚线所示。,退出,斜率为45/十倍频程的直线。,3.1.2 分析方法,326,折线误差,幅值误差/dB,相位误差/,0.1,0.04,+5.7,0.5,1,-4.0,1,3.01,0,2,1,+4.0,10,0.04,-5.7,退出,3.1.2 分析方法,327,2.渐近线波特图法,（2）一阶极点,设一阶极点表达式为：,幅频特性,当 时，幅频特性是斜率 为-20dB/十倍频的斜线。,实际上，在 处的模值为-3.01dB。,当 时，幅频特性为0dB；,退出,3.1.2 分析方法,328,2.渐近线波特图法,（2）一阶极点,相频特性为,退出,斜率为-45/十倍频程的直线。,3.1.2 分析方法,329,幅频特性为,相频特性为,（3）原点处的零点,表达式为,可以看出，零点,则,退出,2.渐近线波特图法,3.1.2 分析方法,330,幅频特性为,相频特性为,（3）原点处的极点,表达式为,可以看出，极点,则,退出,2.渐近线波特图法,3.1.2 分析方法,331,试画出其幅频特性和相频特性渐近线波特图。,例3-4：已知某放大器的增益函数为,解：,由增益函数，可以看出,两个一阶极点,退出,一个原点处的零点,2.渐近线波特图法,3.1.2 分析方法,332,（1）将增益函数写成标准形式,幅频特性为：,，则,相频特性为：,退出,3.1.2 分析方法,333,（2）画出单个零极点的渐近线幅频特性波特图,退出,3.1.2 分析方法,334,（2）画出单个零极点的渐近线相频特性波特图,退出,3.1.2 分析方法,335,3.计算机辅助分析法,MATLAB语言,由于渐近线波特图分析法存在误差，因此 为了精确分析放大器增益函数的幅频特性和相 频特性曲线，可以根据增益函数的表达式，用 MATLAB语言写程序。,例3-5：已知某放大器的增益函数为,用MATLAB编程画出其幅频特性和相频特性渐 近线波特图。,退出,3.1.2 分析方法,336,解：变换增益函数形式为,程序如下： g=tf(0 10e+8 0,1 100100 10e+7); bode(g,1,10e+7)；,g为增益函数的分子分母的系数。 bode是MATLAB中绘制系统波特图的命令。,退出,3.1.2 分析方法,337,MATLAB语言,程序运行后得到的波特图如下图所示。,退出,3.1.2 分析方法,338,3.2 单级放大器的频率响应,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,3.2.2 频率响应分析,3.2.3 晶体管的高频参数,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,退出,返回,339,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,1. 混合型等效电路,考虑到PN结的 电容效应及晶体管 的性质，可得到晶 体管的物理模拟电 路。,体电阻：,基区体电阻， 通常为10100；,集电区体电阻，,发射区体电阻， 一般都小于10。,退出,返回,340,:折合到基极支路的 发射结正向电阻;,:表示输出电压对输 入电压的反馈作用， 约为几M;,:表示输出电压对输 出电流的影响，约 为101000k；,:集电结电容，约为 210pF;,:发射结电容，约为 100500pF。,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,341,对应于H参数等效电路,有,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,342,忽略发射区和集电区体电阻，将晶体管接成共射接法， 可得到晶体管的高频混等效电路。,由等效电路中可看出， 输入和输出被 连到一起，使得分析复杂化， 因此需要简化等效电路。,由于 约为几M， 通常满足 所以可以将 断开。,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,343,2密勒定理,密勒定理是用来对电路进行单向化的。,（1）原理电路图,节点0为参考节点, 节点1为输入节点, 节点2为输出节点, Z为跨接在输入和 输出之间的阻抗。,目的：将阻抗Z等效到输入回路和输出回路中。,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,344,2密勒定理,（2）简化分析,令,则,即,同理,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,345,（3）等效电路,根据上述分析，可以将跨接阻抗等效为一折合 到输入端的并联阻抗Z1和输出端的并联阻抗Z2。,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,346,例3-6 如图电路，用密勒定理将图(a)电路等效为图(b)， 求图(b)中的C1、C2为何值。,解：,退出,347,例3-7 某放大器的交流通路如图所示，试用密勒定理将Rf 等效。,解：,等效原理图如图(b)所示。这里 ，由于是CC电 路， 小于1，但接近于1。因此 是一个绝对值很大 的负电阻，通常满足 与 的并联值近似为 ，即 可视为开路。,退出,348,3简化混合型等效电路,根据密勒定理的结论，可得,其中,输入端为be端，输出端 为ce端； 的容抗即为跨 接在输入输出间的阻抗。,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,349,并且其容抗和rce一般均 远大于交流负载电阻 ， 因此可忽略不计。,将 等效到输入和输出端，得到等效电路如图所示。,简化混合型等效电路,简化混合型等效电路也称为单向化模型。,退出,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,350,3.2.2 频率响应分析,定性分析：,由于要考虑电路中的电抗性元件对不同频率成分的响应 不同，因此在分析放大器的频率响应时应充分考虑电路中的 每个电抗元件在不同频率区域内的不同影响。,图示电路为电容耦合共射电路,输入、输出耦合电容:,旁路电容：,晶体管极间电容：,在分析频率响应时，采用分频区分析法，即划分成 低频、中频和高频三个不同的频率区域进行分析。,通常，C1、C2和Ce的容量较大(以 F为单位)，而 的容量较 小(以pF为单位)。,退出,返回,351,1.中频区频率响应分析,特点：所有电容的影响均可忽略不计。,中频区等效电路如下:,在中频区，由于 和 的容量很大，即容抗很小， 因此可以视为短路；而极间电容容量很小，即容抗很大，因此 可以视为开路。,退出,3.2.2 频率响应分析,352,中频区源电压放大倍数,其中,可见，中频区电压放大倍数是一个与频率无关的常数。,因此，其幅频特性为一条水平线，幅值(dB)为 对于共射电路，其相频特性为 的一条水平直线。,退出,3.2.2 频率响应分析,353,2.低频区频率响应分析,特点：考虑C1,C2,Ce的作用,根据容抗的计算公式， ，由于频率降低， 极间电容更可被视为开路，而耦合电容和旁路电容的容 抗增大，不能再视为短路。,低频区等效电路,多数情况下，射极旁路 电容Ce的容量很大，其容 抗很小，所以即使在低频 区仍将其视为短路。,分别位于输入回路和输出回路中，由于 输入回路和输出回路之间仅有地线连接，可以将输入 回路和输出回路分开考虑。,退出,3.2.2 频率响应分析,354,低频区源电压放大倍数,退出,3.2.2 频率响应分析,355,3.2.2 频率响应分析,356,式中：,根据回路时间常数的概念，即,输入回路时间常数,输出回路时间常数,可见，只要算出有电容的回路的时间常数，即可 可计算由该电容所确定的下限角频率。,当输入为正弦信号时,放大器总的下限角频率 （见本章第3节分析）,退出,3.2.2 频率响应分析,357,例3-8：,画出低频区的幅频特性和相频特性。,解：,根据原点处零点和一阶极点的渐近线 波特图画法，即可得到低频区的幅频 特性和相频特性。,退出,3.2.2 频率响应分析,358,例3-8：,低频区的幅频特性和相频特性如下图所示。,幅频特性,相频特性,退出,3.2.2 频率响应分析,359,3.高频区频率响应分析,特点：考虑电容 的作用。,根据容抗的计算公式， ，由于频率升高， 极间电容的容抗减小，不可视为开路，而耦合电容和旁路 电容的容抗减小，更可视为短路。,利用简化的混模型画出的高频区等效电路如下:,为了简化分析，将 和信号源构成的电路 做戴维宁等效。,退出,3.2.2 频率响应分析,360,高频区源电压放大倍数,3.2.2 频率响应分析,退出,361,当输入为正弦信号时,式中,输入回路时间常数为,3.2.2 频率响应分析,362,例3-9：,画出高频区的幅频特性和相频特性。,解：,电路的高频特性，即上限频率是由回路的时间常数决定的，时间常数越小，则上限频率越高。,退出,3.2.2 频率响应分析,363,例3-9：,高频区的幅频特性和相频特性如下图所示。,幅频特性,相频特性,退出,3.2.2 频率响应分析,364,4.完整的幅频特性和相频特性曲线,将三个区域的幅频特性和相频特性曲线组合在一起，即 可以得到完整的幅频特性和相频特性曲线.,（1）幅频特性,称为下限频率,称为上限频率,称为通频带,在放大信号时，通常要求通频带略大于 信号带宽，以避免使输出信号出现幅度失真。,退出,3.2.2 频率响应分析,365,（2）相频特性,以中频区相移为参考时，低频区相位超前中 频区，即附加相移为正，其值为+90；而高频区 相位滞后中频区，即附加相移为负，其值为-90。,退出,3.2.2 频率响应分析,366,计算机辅助分析法,Workbench软件,对于具体的放大电路，可以利用Workbench 仿真工具获取放大器的幅频特性和相频特性波特图。,例3-10：分析如下放大电路的幅频和相频特性。,退出,3.2.2 频率响应分析,367,计算机辅助分析法,对于上图的放大电路来说，其仿真幅频特 性波特图和相频特性波特图如下所示。,退出,3.2.2 频率响应分析,368,5.电容耦合共集放大电路,电容耦合共集放大电路的频率特性要优于共射放大电路， 表现为其上限频率高于共射放大电路。,电路图,高频等效电路,退出,3.2.2 频率响应分析,369,电路特点：,该电路没有密勒倍增效应；,共集放大电路的电压放大倍 数近似为1。, 折合到输入端的电容 远小于它本身，即输入回路 时常数很小；,若考虑负载电容 的影响 （包括输出电容），则由于 共集电路的 很小，即输出 回路时间常数小，所以高频特性好。,3.2.2 频率响应分析,退出,电路的高频特性，即上限频率是由回路的时间常数决定的，时间常数越小，则上限频率越高。,370,电路如下图所示。设放大器的上限频率由CL决定， 和 的影响可忽略不计。求开关S分别接A端和B端时的 表达式。,例3-11：,解:,接到A端时，CE组态,接到B端时，CC组态,注意：当 ， （与Rb无关）。,显然，在考虑负载电容时，CC组态的上 限频率要高于CE组态。,退出,3.2.2 频率响应分析,371,6. 电容耦合共基放大电路,电路图,高频等效电路,退出,3.2.2 频率响应分析,372,电路特点：,若忽略 的影响，则 不存在密勒倍增效应， 其中， 比共射接法 小得多，且共基输入电阻小， 故输入回路时间常数小；,若考虑负载电容 的影响，则由于共基电路和共射电路的输出电阻相同，所以输出回路时间常数也相同，因此由负载电容所引起的上限频率相同。,退出,3.2.2 频率响应分析,373,7.组合电路,相对于共射放大电路而言，为了展宽放大器的通频带，可以采用组合电路的方式。,主要有两种方式：共射-共基电路,共射-共集电路。,（1）CE-CB电路,共基电路的输入电阻很小， 第一级 密勒电容大大减小， 从而使共射电路的上限频率大 大提高。,两级级联后的上限频率取 决于第一级共射电路的上限 频率。,退出,3.2.2 频率响应分析,374,（2）CE-CC电路,适用于容性负载；,对于容性负载的共射放大 器的上限频率很低，但如 果容性负载作为共集放大 器的负载，则由于其输出 电阻很小,CL的影响将大大 减小；,两级级联后的上限频率取决于第一级共射电路(无 ）的 上限频率。,退出,3.2.2 频率响应分析,375,3.2.3 晶体管的高频参数,低频时，是一个实数，但随着频率的升高，将是个复 数，并且的模值会随频率的升高而下降。,定义：,当的模值下降到低频数值 的0.707倍时的频率， 称为晶体管共射截止频率，记为 。,1.共射截止频率,根据定义，需要求出高频时和频率之间的关系式。根据 的定义（共射短路电流放大系数），其等效电路如下：,退出,返回,376,由的模值可看出：,1.共射截止频率,退出,3.2.3 晶体管的高频参数,377,2特征频率,定义：,显见，特征频率远大于共射截止频率。,退出,3.2.3 晶体管的高频参数,378,3共基截止频率,利用和的关系，可以得到,为了保证实际电路在高频时仍有较大的电流放大 系数，必须选择晶体管的特征频率为,退出,3.2.3 晶体管的高频参数,379,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,1.场效应管的高频等效电路,类似于晶体管的高频等效电路，需要考虑场效应管 极间电容的影响。,（1）JFET高频等效电路,（2）MOSFET高频等效电路,（3）MOSFET高频等效电路 (衬源短路）,退出,返回,380,例3-12 一JFET放大器如下图所示。已知IDSS=8mA，UGS(off)=-4V rds=20k,Cgd=1.5pF,Cds=5.5pF，试计算Aum、fL以及fH，并画出渐近线波特图。,分析：计算中频电压放大倍数需要 求出跨导gm,因此需要做静态分析； 计算下限频率需要低频等效电路， 并找到有耦合电容的回路，计算该 回路的时间常数；计算上限频率需 要高频等效电路，并找到有极间电 容的回路，计算该回路的时间常数。,退出,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,381,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,解:（1） 静态分析 由JFET的特性和电路图可得：,（2）中频电压放大倍数,退出,382,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,（3）下限频率,低频等效电路,有电容的回路是输出回路，计算出该 回路的时间常数，下限角频率就是时 间常数的倒数。,在低频区，极间电容可看为开路，耦合电容 不能再视为 短路，必须予以考虑，但在本题中， ，因此只考虑 。,退出,383,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,在高频区等效电路中，用密勒定理对Cgd其进行单向化。,（4）上限频率,由于输入为恒压源，即 对高频特性没 有影响。,退出,384,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,（5）幅频特性和相频特性曲线,退出,385,3.3 多级放大器的频率响应,3.3.1 幅频特性和相频特性,3.3.2 多级放大器的通频带,退出,返回,386,3.3.1 幅频特性和相频特性,1. 多级放大器框图,2. 多级放大器幅频特性,多级放大器的放大倍数是各级放大倍数的乘积,所以，其幅频特性为,退出,返回,387,3. 多级放大器相频特性,结论：在绘制多级放大器的幅频特性和相频特性曲线时，只 需要将各级的特性曲线在同一坐标系下叠加即可。,4. 定性分析,例3-13：将两个具有同样特性的放大电路串联起来，绘制其幅频特性和相频特性。,由图看出，叠加后 两级放大器的下限频率 fL提高了，而上限频率fH 下降了，导致通频带fBW变 窄了。,退出,3.3.1 幅频特性和相频特性,388,3.3.2 多级放大器的通频带,设放大器的低频电压增益函数与中频电压放大倍数之比的表达式为：,对于正弦输入：,1.计算,退出,，忽略高次项,称为主导极点。,如果满足,则,返回,389,设放大器的高频增益函数与中频电压放大倍数之比为：,若某放大器,2.计算,退出,，忽略高次项,称为主导极点。,如果满足,则,3.3.2 多级放大器的通频带,390,例3-14：,一多级放大器的电压增益函数为,求：中频电压增益、上限频率fH和下限频率fL。,解：,Au(s)都趋于零，这说明Au(s)是一个全频段增益函数表达式。,将Au(s)表达式中s从低频因子(s+2)、(s+10)、(s+100) 中提出；将常数