放大电路的频率响应和噪声.ppt

1 模拟电子线路 南京邮电大学蔡祥宝E mail xbcai Tel2 第四章放大电路的频率响应和噪声 3 第4章放大电路的频率响应和噪声 4 1放大电路的频率响应和频率失真 4 1 1放大电路的幅频响应和幅频失真 4 1 2放大电路的相频响应和相频失真 4 1 3波特图 4 2晶体管的高频小信号模型和高频参数 4 2 1晶体管的高频小信号模型 4 二 特征频率fT 4 3晶体管放大电路的频率响应 4 3 1共射放大电路的频率响应 一 共射放大电路的高频响应 4 1 2晶体管的高频参数 二 共射放大电路的低频响应 三 共基电流放大系数 jf 及f 一 共射电流放大系数 jf 及其上限频率f 4 3 2共基 共集放大器的频率响应 5 4 4场效应管放大电路的频率响应 4 4 1场效应管的高频小信号等效电路 4 4 2共源放大电路的频率响应 4 5多级放大器的频率响应 4 5 1多级放大电路的上限频率 4 5 2多级放大电路的下限频率 4 6放大电路的噪声 4 6 1电子元件的噪声 4 6 2噪声的度量 6 第4章放大电路的频率响应和噪声 1 掌握放大电路频率响应的有关概念 掌握放大器的低频 中频和高频等效电路 2 掌握晶体管频率参数 共射电路频率响应特性 3 了解单管放大电路频率响应的分析方法 4 了解波特图的概念及画法 7 1 待放大的信号 具有一定的频率范围 2 放大电路的放大性能与频率有关 由于电抗元件的存在 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 那么放大后的信号各频率分量的大小比例和时间相对关系将不同于输入信号 由此产生的失真称为频率失真 4 1放大电路的频率响应和频率失真 8 幅频失真和相频失真 avi 线性失真 起因 结果 线性电抗元件引起 非线性元件引起 不产生新的频率分量 产生新的频率分量 非线性失真 9 但实际上放大器中含有耦合 旁路电容等大电容 另外三极管 场效应管的极与极之间存在极间电容等小电容 而电容的阻抗与频率密切相关 因而放大器的A与频率f的关系曲线应如左图 由于耦合 旁路等大电容的影响 由于极间电容 分布电容等小电容的影响 放大器的增益A随信号频率的改变而改变的这种特性就是放大器的频率特性 也称放大器的频率响应 放大器的频率特性反映了放大器对不同频率的信号的适应能力 在中频段 A最大 放大器的输出不会产生频率失真 在高 低频段 A随频率改变而下降 产生频率失真 在低频段由于耦合电容等大电容的影响会产生低频失真 在高频段由于极间电容等小电容的影响会产生高频失真 带宽B fH fL 10 2 三极管的 是频率的函数 在研究频率特性时 三极管的低频小信号模型不再适用 而要采用高频小信号模型 电路中存在着电抗器件是影响频响的主要因素 研究频响实际上是研究电抗元件对放大器放大倍数的影响 产生频率失真的原因是 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 变压器 PN结电容 分布电感等 11 即放大器的频率特性主要表现在两个方面 一 对不同频率信号的幅度有不同的放大倍数 二 对不同频率信号将产生不同的附加相位 其中 是放大器对不同频率 的信号幅度的放大倍数 它是频率的函数 它与频率之间的关系称为幅频特性 是放大器对不同频率 的信号产生的相移 它也是频率的函数 它与频率之间的关系称为相频特性 放大器频率特性的好坏直接影响输出信号的质量 对放大器的稳定性也有影响 因而必须对放大器的频率特性给予足够的重视 不同用途的放大器对频率失真具有不同的要求 对音频放大器 只需较好的幅频特性 因为人耳对相位变化感觉迟钝 对图象放大器 要求幅频特性 相频特性都好 因为人眼对相位变化敏感 各分量间相位关系也重要 一般将放大器增益A表示为 12 因放大电路对不同频率成分信号的增益不同 从而使输出波形产生失真 称为幅度频率失真 简称幅频失真 因放大电路对不同频率成分信号的相移不同 从而使输出波形产生失真 称为相位频率失真 简称相频失真 幅频失真和相频失真是线性失真 13 放大器的失真 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 频率失真 对三极管而言 由线性电抗元件引起 故称线性失真 瞬变失真 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 非线性失真 注意 线性失真不产生新的频率成份 进入管子的非线性区域 会产生新的频率分量 14 线性失真和非线性失真比较 1 起因不同 2 结果不同 线性失真由电路中的线性电抗元件 电感 电容 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 线性失真不产生输入信号中所没有的新的频率分量信号 非线性失真产生输入信号中所没有的新的频率分量信号 15 不失真条件 理想频率响应 若放大器对所有不同频率分量信号的放大倍数相同 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 16 A u j K 0 a j 0 b 图4 2理想频率响应 a 理想振幅频率响应 b 理想相位频率响应 17 4 1 1放大电路的幅频响应和幅频失真 图4 1 2幅频特性 a 理想幅频特性 c 阻容耦合放大电路幅频特性 中频区 低频区 高频区 上限频率 下限频率 通频带 增益频带积 中频增益 18 图4 1 3相频特性 a 理想相频特性 4 1 2放大电路的相频响应和相频失真 c 阻容耦合放大电路的相频特性 19 4 1 3波特图 波特图就是一种采用对数坐标的频率特性曲线 图4 1 4高通电路的频率响应及其波特图 a 高通电路 b 频率响应 20 图4 1 4高通电路的频率响应及其波特图 c 波特图 b 频率响应 线性刻度 对数刻度 对数刻度 对数刻度 21 高通 电路的时间常数 下限角频率 下限频率 极限情况 22 图4 1 4高通电路的频率响应及其波特图 c 波特图 b 频率响应 线性刻度 对数刻度 对数刻度 对数刻度 23 C R 低通 电路的时间常数 上限角频率 上限频率 极限情况 24 极限情况 25 普遍意义的结论 1 电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数 2 当f fL时 增益下降3dB 且产生 45o相移 4 近似分析中 可用近似波特图表示放大电路的频率特性 3 当f fH时 增益下降3dB 且产生 45o相移 26 波特图及画波特图的方法 放大器的频率特性可用频率特性图来表示 A 都是频率的函数 一个频率f必定对应一个A和 频率的变化范围很宽 几Hz 几MHz 而增益的变化范围为 几 几百甚至几千 若按常规画法 要一一对应画在坐标上是不可能的 为了缩短坐标 拓展视野 幅频特性图和相频特性图可分别画在两张半对数坐标纸上 合称为频率特性图 用半对数坐标画出的频率特性图称为波特图 将增益的dB数作纵坐标 将频率的对数作横坐标 将频率的对数作横坐标 将相位等刻度作纵坐标 作幅频特性波特图 作相频特性波特图 这样处理后 f 1和f 1的频段扩展了 这样就可对中频段附近的频率特性看得较清楚 这正是我们需要的 对频率按上述取法是合理的 除零频外f与A 仍有一一对应关系 对零频信号即直流信号 我们不关心其A 我们关心的是交流增益 27 从系统的观点看 小信号放大器为线性时不变系统 系统频率特性分析 即系统的总相位为各个因子的相位的代数和 即系统的总的dB数为各个因子的dB数的代数和 总结 画系统的幅频 或相频 特性图时 只要将各个因子的幅频 或相频 特性波特图在同一坐标中画出来 然后进行线性叠加即可 28 说明 在仅含容性电抗元件的实际系统中 比如放大器 系统的传递函数通常由以下因子构成 1 常数因子AI对应幅频特性和相频特性波特图 2 j 因子对应幅频特性和相频特性波特图 3 极点因子 对应幅频特性和相频特性波特图 4 零点因子 对应幅频特性和相频特性波特图 29 常数因子的波特图 0 0 0 10 20 100 40 20dB 10倍频 j 因子的波特图 极点因子的波特图 30 极点因子的波特图 0 3 20 40 20dB 10倍频 0o 45o 90o 45o 10倍频 31 零点因子波特图 比较零点因子和极点因子的A 知 它们的表达式只差一个负号 由此知零点因子的波特图与极点因子的波特图相对横坐标对称 则零点因子波特图如下 0 3 20 40 20dB 10倍频 0o 45o 90o 45o 10倍频 32 例子1 试分析如下电路的频率特性RC 10 3 分析步骤 解 1 写出电路的传递函数 2 根据传递函数画出其频率特性波特图 0 3 20 40 20dB 10倍频 0o 45o 90o 45o 10倍频 幅频特性波特图 相频特性波特图 33 例子2 试分析如下电路的频率特性RC 10 3 分析步骤 解 1 写出电路的传递函数 2 根据传递函数画出其频率特性波特图 幅频特性波特图 1 2 3 0 20 40 60 20 1 2 3 20dB 10倍频 相频特性波特图 0o 45o 45o 90o 90o 1 2 3 45o 10倍频 34 绘制系统波特图步骤 1 写出电路传递函数表达式A j 并整理成由常见因子构成的标准形式 3 确定上 下限角频率及其带宽 2 在同一坐标中绘出每个因子的对应的幅频 或相频 波特图 然后逐段叠加 就可绘制系统的渐近幅频 或相频 波特图 35 解 1 整理传递函数为标准形式 由表达式可知 该传递函数由4个因子构成 一个常数因子 103 一个零点因子 两个极点因子 例3 设某系统的传递函数为 36 2 在同一坐标中绘出四个因子的幅频 相频特性波特图 0 20 40 60 80 0o 45o 90o 45o 90o 20 20dB DEC 20dB DEC 因为波特图与常见因子中的转折频率 p 0 1 p 10 p直接相关 因而在幅频特性波特图和相频特性波特图中的横坐标上先将它们标出来 45o 10倍频 45o 10倍频 90o 10倍频 45o 10倍频 37 4 2晶体管的高频小信号模型和高频参数 4 2 1晶体管的高频小信号模型 图4 2 1晶体管的高频小信号混合 模型 38 4 2 2晶体管的高频参数 一 共射电流放大系数 jf 及其上限频率f 图4 2 2的分析 39 40 二 特征频率fT 41 三 共基电流放大系数 jf 及f 42 作业 4 1 4 3 43 4 3晶体管放大电路的频率响应 图4 3 1 a 共射放大器电路 4 3 1共射放大电路的频率响应 1 高频小信号等效电路及其简化模型 一 共射放大电路的高频响应 44 b 等效电路 设RB1 RB2 rbe r be b r bb R s U s r ce R C R L U o b e R L C bc C be c U be g m 图4 3 1共射放大器及其高频小信号等效电路 I 1 I 2 45 r bb R s U s r be C be C M b C M R L U o b e U be g m c I 1 密勒等效电容 图4 3 2 a 密勒等效后的单向化等效电路 46 r bb R s U s r be C be C M b C M R L U o b e U be g m c 图4 3 2 a 密勒等效后的单向化等效电路 I 2 47 图4 3 2 b 进一步的简化等效电路 U be g m R L U o U s R s C i U be 48 2 高频增益表达式及上限频率 49 图4 3 3共射放大电路的高频响应 a 幅频特性 b 相频特性 c 幅频特性近似波特图 d 相频特性近似波特图 50 二 共射放大电路的低频响应 a 电路 图4 3 4共射放大电路及其低频等效电路 1 共射放大器的低频等效电路 51 低频等效电路 图4 3 4共射放大电路及其低频等效电路 52 简化低频等效电路 图4 3 4共射放大电路及其低频等效电路 53 2 C1 E对低频特性的影响 54 55 3 C2对低频响应的影响 图4 3 6C2对低频响应影响的等效电路 56 C2引入的下限角频率 57 中频源增益 58 图4 3 7共射放大电路完整的频率响应波特图 59 4 3 2共基 共集放大器的频率响应 共基放大器中没有共射放大器中的密勒倍增效应 而且 共基放大器为理想的电流接续器 能够在很宽的频率范围内 f f 将输入电流接续到输出端 因此 共基放大器的上限频率远远高于共射放大器的上限频率 60 同样 在共集放大器中也没有共射放大器中的密勒倍增效应 而且 共集放大器为理想的电压跟随器 也就是反馈系数是百分之百的电压串联负反馈放大器 第六章将详细讨论 因此 共集放大器的上限频率也远远高于共射放大器的上限频率 61 作业 4 4 62 4 4场效应管放大电路的频率响应 场效应管放大器的频率响应与双极型晶体管放大器的分析方法是相似的 其结果也相似 4 4 1场效应管的高频小信号等效电路 图4 4 1场效应管的高频等效电路 63 图4 4 1场效应管的高频等效电路 图中 Cgs表示栅 源间的极间电容 Cgd表示栅 漏间的极间电容 Cds表示漏 源间的极间电容 在MOS管中 衬底与源极相连 所以栅极与衬底间的电容可以归纳Cgs中 漏极与衬底间的电容也可归纳到Cds中 这三个极间电容对场效应管放大器的高频响应将产生不良影响 64 4 4 2共源放大电路的频率响应 一 共源放大电路的高频响应 图4 4 2共源放大电路及其高频等效电路 a 电路 典型的场效应管共源放大电路如图4 4 2 a 所示 65 图4 4 2共源放大电路及其高频等效电路 b 高频等效电路 高频小信号等效电路如图4 4 2 b 所示 66 图4 4 3共源放大电路单向化电路 Cgd是跨接在放大器输入端和输出端之间的电容 应用密勒定理作单向化处理 可将Cgd分别等效到输入端 用CM表示 和输出端 用CM 表示 如图4 4 3所示 67 由于输出回路电容CL 远小于输入回路电容Ci 故分析频率特性时可忽略CL 的影响 因此可得简化电路如图4 4 4 68 图4 4 4场效应管共源放大电路单向化简化电路 69 根据简化电路得到电压放大倍数的高频表达式 则上限频率为 式中 70 图4 4 4场效应管共源放大电路单向化简化电路 71 二 共源放大电路的低频响应 对于图4 4 2 a 电路 在低频区 Cgs Cgd和Cds开路 考虑耦合电容CD 得到低频等效电路如图4 4 5 图4 4 5共源放大电路低频等效电路 72 图中CD对场效应管放大电路低频特性的影响与4 3 2小节中C2的影响相似 因此可得 其中 73 4 5多级放大器的频率响应 在多级放大电路中含有多个放大管 因而在高频等效电路中就含有多个低通电路 在阻容耦合放大电路中 如有多个耦合电容或旁路电容 则在低频等效电路中就含有多个高通电路 如果放大器由多级级联而成 那么总增益 74 取对数 幅频特性为 相频特性为 75 4 5 1多级放大电路的上限频率 设单级放大器的增益表达式为 则多级放大电路的增益为 76 取模值为 相角 式中 AuI AuI1 AuI2 AuIn 为多级放大器中频增益 令 77 则 解该方程 忽略高次项 可得多级放大电路的上限角频率的近似表达式 若各级上限频率相等 即 则根据式4 5 9得 4 5 9 78 4 5 2多级放大电路的下限频率 设单级放大器的低频增益为 则多级放大电路的低频增益为 79 解得多级放大器的下限角频率近似式为 若各级下限角频率相等 即 L1 L2 Ln 则 得 80 通过以上分析可以得出下述结论 2 在设计多级放大器时 必须保证每一级的通频带都比总的通频带宽 例如一个四级放大器的总通频带要求为300Hz 3 4kHz 电话传输所需带宽 若每级通频带都相同 则每级放大器的上限频率为 1 多级放大器总的上限频率fH比其中任何一级的上限频率fHk都要低 而下限频率fL比其中任何一级的下限频率fLk都要高 也就是说 多级放大器总的放大倍数增大了 但总的通频带 fH fL 变窄了 81 而下限频率应为 3 如果各级通频带不同 则总的上限频率基本上取决于最低的一级 而总的下限频率取决于最高的一级 所以要增大总的上限频率fH 尤其要注意提高上限频率最低的那一级fHk 因为它对