三极管放大电路的频率响应课件.ppt

1,4.7.1频率响应概述,在放大电路中，由于电抗元件（如电容、电感线圈等）及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移。说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性。一、频率失真及不失真条件二、实际的频率特性及通频带定义三、RC电路的频率响应四、波特图,2,一、频率失真及不失真条件,1、频率失真我们知道，待放大的信号，如语音信号、电视信号、生物电信号等等，都不是简单的单频率信号，它们都是由许多不同相位、不同频率分量组成的复杂信号，即占有一定的频谱。由于实际的放大器中存在电抗元件（如管子的极间电容、电路的负载电容、分布电容、引线电感等），使得放大器对不同频率信号分量的放大倍数和延迟时间不同。由此而引入的信号失其称为频率失真。,3,一、频率失真及不失真条件,如图所示，某待放大的信号是由基波（1）和三次谐波（31）所组成。,4,一、频率失真及不失真条件,由于电抗元件的存在，使放大器对三次谐波的放大倍数小于对基波的放大倍数，那么放大后的信号各频率分量的大小比例将不同于输入信号。人们称这种由于放大倍数随频率变化而引起的失真为振幅频率失真。,5,一、频率失真及不失真条件,如果放大器对各频率分量信号的放大倍数虽然相同，但延迟时间不同（分别为td1和td3），那么放大后的合成信号也将产生失真。由于相位=t，延迟时间不同，意味着不与成正比。人们称这种失真为相位频率失真。,6,一、频率失真及不失真条件,2、线性失真和非线性失真振幅频率失真和相位频率失真都是由电路的线性电抗元件（电阻、电容、电感等）引起的，故又称为线性失真。线性失真和非线性失真同样会使输出信号产生畸变，但两者有许多不同点：起因不同线性失真由电路中的线性电抗元件引起，非线性失真由电路中的非线性元件引起（如晶体管或场效应管的特性曲线的非线性等）。,7,一、频率失真及不失真条件,结果不同线性失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生变化，或滤掉某些频率分量的信号，但决不产生输入信号中所没有的新的频率分量信号。但非线性失真却完全不同，它的主要特征是产生输入信号中所没有的新的频率分量。如输入为正弦波（单一频率信号），若产生非线性失真，则输出变为非正弦波，它不仅包含输入信号的频率成分（基波1），而且还产生许多新的谐波成分(21、31、)。,8,一、频率失真及不失真条件,3、不失真条件-理想频率响应综上所述，若放大器对所有不同频率成分的放大倍数相同，延迟时间也相同，那么就不可能产生频率失真，故不产生频率失真的条件为：,9,一、频率失真及不失真条件,不产生线性失真的振幅频率响应和相位频率响应称为理想频率响应，如下图所示：,10,二、实际的频率特性及通频带定义,实际的振幅频率特性一般如图所示。在低频和高频区放大倍数有所下降，而中间一段比较平坦。为分析方便起见，人们将实际的振幅频率响应划分为三个区域，即中频区、低频区和高频区。并定义上限截止频率H、下限截止频率L以及通频带BW，以便定量表征频率响应的实际状况。,11,二、实际的频率特性及通频带定义,上限截止频率H定义为高频区放大倍数下降为中频区的1/2时所对应的频率，即：同理，下限截止频率L为：通频带为：BW=H-LH,12,二、实际的频率特性及通频带定义,上、下限截止频率所对应的H点和L点又称为半功率点（因为功率与电压平方成正比）。若用分贝表示增益G，则：GH=20lgAuH=20lgAum-3dBGL=20lgAuL=20lgAum-3dB故又称H点和L点为-3dB点，BW为-3dB带宽。,13,二、实际的频率特性及通频带定义,中频区增益与通频带是放大器的二个重要指标，而且这两者往往又是一对矛盾的指标，所以引进增益带宽乘积来表征放大器的性能：人们总是希望放大器具有尽可能大的增益带宽乘积。,14,二、实际的频率特性及通频带定义,关于通频带的选择，要根据信号的频谱而定。例如，心电图的最高频率分量约为100Hz，那么通频带设计为0100Hz左右即可。语音信号的频谱约为10Hz20KHz左右，而电视图象信号的频带要求为06MHz左右。通频带不是越宽越好，对给定的信号而言，通频带过宽不仅没有必要，而且还会窜入更多的干扰和噪声。,15,三、RC电路的频率响应,在放大电路中，存在着耦合电容和半导体管的极间电容。由于耦合电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。,16,三、RC电路的频率响应,与耦合电容相反，由于半导体管极间电容的存在，对信号构成了低通电路，即对于频率足够低的信号相当于开路，对电路不产生影响；而当信号频率高到一定程度时，极间电容将分流，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。为了便于理解有关频率响应的基本要领，这里将对无源单极RC电路的频率响应加以分析。,17,三、RC电路的频率响应,1、高通电路RC高通电路如图所示：,18,三、RC电路的频率响应,式中为输入信号的角频率，RC为回路的时间常数，令：,19,三、RC电路的频率响应,用幅值与相角表示：称为幅频特性称为相频特性,20,三、RC电路的频率响应,2019/12/14,21,可编辑,2019/12/14,22,可编辑,23,三、RC电路的频率响应,RC高通电路的频率特性曲线如下图，上边为幅频特性曲线，下边为相频特性曲线：,24,三、RC电路的频率响应,2、低通电路RC低通电路如图所示：,25,三、RC电路的频率响应,回路的时间常数=RC，令：,26,三、RC电路的频率响应,用幅值与相角表示：称为幅频特性称为相频特性,27,三、RC电路的频率响应,28,三、RC电路的频率响应,RC低通电路的频率特性曲线如下图，上边为幅频特性曲线，下边为相频特性曲线：,29,四、波特图,在画放大电路的频率特性曲线时，常采用对数坐标，称为波特图。采用对数坐标的好处是：用对数坐标刻度可将很宽的频率变化范围压缩在较窄的频率坐标内。当纵坐标以分贝表示函数的幅值时，函数的乘除运算变成了加减运算，使用方便，符合增益的习惯表示法。可以用渐进线代替绘制十分麻烦的频率特性曲线。,30,四、波特图,（一）、RC高通电路波特图的绘制1、对数幅频特性曲线的绘制根据：计算出f/fH为不同值时的的值，并列成表：,31,四、波特图,2、对数相频特性曲线的绘制根据相频特性表达式计算出数据表：根据两个表中的数据画出相应的曲线如下图。,32,四、波特图,33,四、波特图,从曲线看出，幅频特性可用一条0分贝线和一条斜率为20dB/十倍频的两条渐进线近似。,34,四、波特图,从曲线看出，相频特性可用=0，=90和中间的一条过渡线三段来近似。,35,四、波特图,这样近似后的误差为：,36,四、波特图,（二）、RC低通电路波特图的绘制按照同样的步骤计算出数据表，画出曲线，分析渐进线近似后的误差。,37,四、波特图,38,四、波特图,39,例、RC低通电路的R=1K，C=100pF；高通电路的R=10K，C=1F，试画出各自的波特图。解：先画低通电路的波特图，步骤如下：计算时间常数，=RC=110310010-12=10-7SH=1/2=1/23.1410-71.6106Hz在幅频特性的横坐标上定出=H1.6106Hz的点，由此点作斜率为-20dB/十倍频的直线(ffH)和与横轴平行的直线(ffH)即为幅频特性。,40,在相频特性的横坐标上定出0.1H（即1.6105Hz）、H（即1.6106Hz