模拟电子线路(模电)频率特性.ppt

1概述2RC电路的频率响应3三极管的高频小信号模型4共射放大电路的频率特性5多级放大器频率特性 放大电路的频率特性 一 频率响应 放大器对不同频率信号的稳态响应 一 概述 放大器输入信号 频率范围 音频 话音 300 3400Hz 音乐 20 15KHz视频 图象 0 6MHz 二 频率特性 幅度频率特性相位频率特性 幅频特性是描绘输入信号幅度固定 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律 即 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律 即 阻容耦合放大的频率特性和频率失真 中频段 电压放大倍数近似为常数 低频段 耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大 以致不可视为短路 因而造成电压放大倍数减小 高频段 晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小 以致不可视为开路 也会使电压放大倍数降低 波特图 Bode 半对数坐标 dB decibel 分贝Au db 20logAu Au 1010210310 110 2Au db 204060 20 40 3 优点 1 乘 加2 人耳对声能的辨别能力与其对数成正比 产生原因 1 放大电路中存在电抗性元件 例如耦合电容 旁路电容 分布电容等 2 三极管的 是频率的函数 低频小信号模型不再适用 幅频失真相频失真 线性失真 组合失真 频率失真 设计电路时 要合适选择耦合电容和旁路电容 放大器的失真 频率失真 放大器的失真是指输出信号不能重现输入信号波形的一种物理现象 失真类型 一般而言 放大器中含有电抗元件 在正弦信号激励下 不同频率呈现不同电抗 因而放大器增益应为频率的复函数 波特图 在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图 对数刻度 对数刻度 线性刻度 线性刻度 增益分贝值 通频带 对应上限频率fH 及下限频率fL 增益下降到时 fH fL 频率特性的三个频段 中频段 通频带以内的区域 放大器的增益 相角均为常数 不随f变化 特点 原因 所有电抗影响均可忽略不计 高频段 f fH的区域 频率增大 增益减小并产生附加相移 特点 原因 极间电容容抗 分流 不能视为开路 即极间电容开路 耦合旁路电容短路 低频段 f fL的区域 频率减小 增益降低并产生附加相移 特点 原因 耦 旁电容容抗 分压 不能视为短路 幅度失真与相位失真 实际输入信号含有众多频率分量 当通过放大器时 若不同频率信号呈现不同增益 幅度失真 相位失真 幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真 若不同频率信号呈现不同相角 由于频率失真由线性电抗元件引起 故称线性失真 注意 线性失真不产生新的频率成份 一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真 视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真 指放大脉冲信号时 电抗元件上的电压或电流不能突变而引起的失真 瞬变失真 非线性失真 非线性失真由三极管产生 它产生了新的频率成份 假设三极管基射间外加电压 则 利用付氏级数展开得 非线性失真系数 RC电路的频率响应 一 RC低通电路二 RC高通电路 频率特性曲线 一 RC低通电路 传递函数为 模 相角 绘制渐近波特图 渐近波特图画法 幅频 p时 p时 p时 相频 0 1 p时 10 p时 p时 20dB 十倍频 45 十倍频 低通滤波器的渐近线Bode图 在f fH处幅频特性渐近线有3dB的最大误差 在其它频率上的误差均小于3dB 一般认为 f10fH即为f fH 幅频特性在f fH时为一条斜率为 20dB 10倍频程的直线 相频特性在f fH时为一条等于 90 的直线 由此得到的其幅频特性和相频特性的Bode图 确定上限角频率 20dB 十倍频 45 十倍频 归纳一阶因子渐近波特图画法 幅频渐近波特图 已知 自0dB水平线出发 经 p转折成斜率为 20dB 十倍频 的直线 相频渐近波特图 自0 水平线出发 经0 1 p处转折 斜率为 45 十倍频 再经10 p处转折为 90 的水平线 因 p时 H p 频率特性曲线 传递函数为 模 相角 二 RC高通电路 绘制渐近波特图 20dB 十倍频 45 十倍频 幅频渐近波特图 p 0dB水平线 p 斜率为 20dB 十倍频 的直线 相频渐近波特图 10 p 0 水平线 频率特性小结 复频域与频域 1 低通电压传递函数 相对于高频等效电路 称为极点角频率 2 高通电压传递函数 相对于低频等效电路 三 三极管的高频参数 一 混合 型高频小信号模型二 电流放大系数 的频响 一 混合 型高频小信号模型 简化 忽略rb c rce 1 等效电路 2 参数计算 3 单向化 密勒定理 Cb c很小 场效应三极管高频小信号模型 a 场效应三极管高频小信号模型 b 单向化高频小信号模型 它是在低频模型的基础上增加了三个极间电容而构成的 其中Cgs Cgd一般在10pF以内 Cds一般不到1pF 为了分析方便 用密勒定理将Cgd折算到输入和输出侧 只要保证折算前后的电流相等即可 于是从输入侧有 而输入回路的高频时间常数为 于是可得场效应三极管的简化高频小信号模型 如图所示 简化高频小信号模型 二 的频响 1 共射截止频率 f f 时 下降到 0的0 707倍 因此上式又可简化为 2 特征频率fT 随着频率的增大而减小 当工作频率使得 1时 对应的工作频率为特征频率fT 当f fT时 有 由此可做出 的幅频特性和相频特性曲线 如图所示 三极管 的幅频特性和相频特性曲线图 当 1时对应的频率称为特征频率fT 且有fT 0f 当20lg 下降3dB时 频率f 称为共发射极接法的截止频率 共基极截止频率f 所以 为保证电路在最高工作频率fm时仍具有较大的电流放大能力 要求fT必须大于3fm 例 已知某放大电路的波特图如图所示 试求 1 电路的中频电压增益及其分贝数 2 电路的下限频率fL和上限频率fH 3 电路的电压放大倍数的表达式 1 1000 60dB 2 10Hz 10000Hz 3 二 高频段小信号微变等效电路三 低频段小信号微变等效电路 四共射放大电路的频率特性 一 全频段小信号模型 一 全频段小信号模型 以共射放大电路为例 全频段小信号模型如图 CE接法基本放大电路 全频段微变等效电路 分低 中 高三个频段研究 前述电路分析默认为中频段 大C短 小C断 无频率影响 显然这是一个RC低通环节 其时间常数 二 高频段小信号微变等效电路 将全频段小信号模型中的C1 C2和Ce短路 于是上限截止频率fH 1 2 H 共射放大电路高频段的波特图 幅频响应 相频响应 三 低频段小信号微变等效电路 保留C1 C2和Ce 忽略CM L1 RB rbe rS C1 L1 Ri rS C1 L2 Rc RL C2 L2 Ro RL C2 L3 Re R S rbe 1 Ce式中R S rS RB 低频段微变等效电路 该电路有三个RC高通电路环节 在波特图上可确定fL1和fL2 分别做出二条曲线 然后相加 设fL1 fL2 大4 5倍 可将最大的fL作为下限截止频率做波特图 单级基本放大电路的波特图 综合 总电压放大倍数的复数形式为 4 完整的共射放大电路的频率响应 1 通频带 2 带宽 增益积 fbw Aum BJT一旦确定 带宽增益积基本为常数 5 频率失真 由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真 两个频率响应指标 几点结论 3 三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因 上限截止频率由高频时间常数中较大的一个决定 2 放大电路的耦合电容 旁路电容是引起低频响应的主要原因 下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定 1 C CM C1 C2 CeR 与各电容构成回路的等效电阻值 4 由于 若电压放大倍数Au增加 CM也增加 上限截止频率就下降 通频带变窄 增益和带宽是一对矛盾 所以常把增益带宽积作为衡量放大电路性能的一项重要指标 若管子参数给定 则增益带宽积 常数 5 CB组态放大电路由于输入电容小 所以CB组态放大电路的上限截止频率比CE组态要高许多 共发电路增益带宽积GBW 定义 其中 1 选rbb 小 Cb c小 T高的三极管 使GBW 若D 1 则 H T 此时上限角频率最高 2 管子选定后 采用恒压源 RS 0 激励 采用恒流源 RS 激励 D 1时 H 上限频率降低 3 RL D H 但AvsI 需兼顾两者 提高共发电路上限频率的方法 此时 共发电路上限角频率 H最高 且接近管子特征角频率 T 共集放大器 共集和共基放大器的高频特性 由于 因此 Cb c可忽略不计 令RL rce RE RL 由简化等效电路 式中 极点角频率 并联在Cb e两端的总电阻 共基放大器 由图 整理得 受控源 其中 由简化等效电路 式中 由于Cb c很小 因此当RL 较小时 P2 P1 由主极点概念 H P1 某运放技术指标 运放开环增益A 140dB 3dB带宽7Hz 若组成反相比例运算电路 放大倍数100 问此电路通频带为多少 20lgA 140dB A 10000000开环增益A 140dB 10000000 增益带宽比为常数 10000000 7 100XX 700000Hz 700kHz 例题 解 模型参数为 低频电压增益为 又因为 所以上限频率为 5 4多级放大器的频率响应 一 多级放大器的频率响应1 多级放大器的幅频特性n级放大器的幅频特性为 只要将各级放大器的幅频特性曲线在同一个坐标系中叠加 就可得到多级放大器的幅频特性曲线 多级放大器的下限频率比任何一个单级放大器的下限频率都高 而上限频率比任何一个单级放大器的上限频率都低 2 多级放大器的相频特性n级放大器的相频特性为 只要将各级放大器的相频特性曲线在同一个坐标系中叠加 就可得到多级放大器的幅频特性曲线 二 多级放大器的通频带1 多级放大器的上限频率在高频段 多级放大器的放大倍数可表示为 令 则 因为fH是下降到的倍时对应的工作频率 因此有 利用fH fHk 1 将上式中的高次项忽略 可得多级放大器的上限频率fH的近似计算公式 当各级放大器的上限频率相同即均为fH1时 有 2 多级放大器的下限频率与高频段的分析近似 在低频段 多级放大器的电压放大倍数为 由此可得多级放大器的下限频率fL的近似计算公式 当各级放大器的下限频率均为fL1时 则有 3 多级放大器的通频带多级放大器的通频带为 因为fHfLk 因此多级放大器的通频带小于任何一个单级放大器的通频带 1 写出电路传递函数表达式A s 频率响应分析步骤 复频域内 无零多极系统传递函数一般表达式 2 令s j 写出频率特性表达式A j 设极点均为负实数 p p 则 4 确定上 下限角频率 3 绘制渐近波特图 多极点系统频率响应 利用RC低通电路分析结果 得传递函数表达式 式中 如图所示的三级理想电压放大器 Ri Ro 0 试画渐近波特图 并求 H 已知R1C1 R2C2 R3C3 频率特性表达式 幅频及相频表达式 均为单阶因子波特图的叠加 20dB 十倍频 40dB 十倍频 60dB 十倍频 45 十 90 十 45 十 归纳多极点系统渐近波特图画法 幅频渐近波特图 自中频增益AvI dB 的水平线出发 经 pn转折成斜率为 20ndB 十倍频 的直线 相频渐近波特图 自0 水平线出发 经0 1 p1处开始转折 斜率为 45 十倍频 乘以 单阶因子重叠的段数 再经10 pn 转折成 90 n的水平线 已知 确定上限角频率 根据定义 当 H时 即 整理并忽略高阶小量得 若 p2 4 p1 则称 p1为主极点 p2 p3为非主极点 上限角频率取决于主极点角频率 电子设备中 为改善电路频率响应 常要求放大器具有很高的上限频率 几MHz 几千MHz 宽带放大器 扩展上限频率的方法 改进集成工艺 通过提高管子特征频率fT扩展fH 在放大电路中引入负反馈扩展上限频率fH 利用电流模技术扩展上限频率fH 利用组合电路扩展上限频率fH 组合电路宽带放大器 共发 共基组合电路 三种组态中 共发电路上限频率最低 因此 组合电路上限频率主要由共发电路决定 为扩展整个电路上限频率 应设法使共发电路的输入 输出为低阻节点 共集 共发组合电路 因为共基电路Ri2小 因此扩展了上限频率 则共发电路具有低阻输出节点 因为共集电路RO1小 因此扩展了上限频率 则共发电路具有低阻输入节点 CA3040集成宽带放大器 Av 30dB fH 55MHz 电流放大器 跨导线性环电流放大器 由图 则 化简得 改变输入输出偏置电流 即可改变电流增益 两输入节点B1 B2均为低阻节点 故上限频率高 二级宽带放大器 电流模电路 以电压作为电路中的处理变量 电压模电路 两者主要区别 表现在节点阻抗电平的高低上 电流放大器 跨导线性电路 开关电流电路 动态电流镜等 低阻节点上的变量 主要表现为电流量 以电流作为电路中的处理变量 电流模电路 高阻节点上的变量 主要表现为电压量 利用低节点阻抗的特点 电流