模拟电子技术基础-第六章放大电路的频率响应

1,第六章 放大电路的频率响应,6.1 放大电路频率响应概述6.2 RC电路的频率响应6.3 晶体管和场效应管的高频等效模型6.4 单管放大电路的频率响应6.5 多级放大电路的频率响应6.6 时域响应,2,6-16-46-96-13,作业,3,本章重点,1.频率响应产生的原因和表示方法；低频Au下降的主要因素取决于耦合电容C，高频Au下降的主要因素取决于管子的极间电容。,2.RC低通和高通电路的频率响应，包括幅频特性和相频特性、通频带和截止频率；,4,5.多级放大电路的频率响应，包括幅频特性和相频特性、通频带和截止频率的近似估算。,3.晶体管的高频等效模型及相应参数的计算；,4.单管共射放大电路的频率响应，及相应参数的计算；,5,6.1 频率响应概述,6.1.1 频率响应产生的原因,原因：晶体管的极间电容 放大电路的耦合电容、旁路电容和分布电容电容的容抗均随着信号频率的变化而变化，因而使放大电路对不同频率信号的放大效果将不完全相同。这说明放大电路的电压放大倍数（增益）是频率的函数，这种函数关系叫做“频率响应”或者“频率特性”。,6,6.1 频率响应概述,中频段：耦合电容、旁路电容 小 - 短路 晶体管结电容的容抗 大 - 开路 不考虑放大电路的频率特性。低频段：晶体管结电容 - 开路 但是，耦合电容和旁路电容的容抗增大，对信号传输的作用不可忽略。,7,6.1 频率响应概述,高频段：耦合电容，旁路电容 - 短路 晶体管结电容和线路分布电容的容抗很小，对电流的并联分流作用不可忽略，同样会使增益的幅值减小，同时产生附加相位移。,8,6.1.2 频率响应的表示方法,电路的频率特性包括两部分：幅频特性和相频特性。,幅频特性指电压增益的幅值和频率f 的关系。,相频特性指输出电压与输入电压之间的相位差 和频率的关系。,通常把中频段的电压增益用Aum表示。当Aum 在高频端和低频段下降到0.707 Aum 时所对应的两个频率点叫做放大电路的“截止频率”。,9,6.1.2 频率响应的表示方法,图61 放大电路的幅频特性和相频特性,10,6.2 RC电路的频率响应6.2.1 RC低通电路的频率响应,只有在直流或者频率很低时，输入信号才能顺利传输到输出端，所以这种电路叫做“低通电路”。,图62 RC低通电路,11,1. 电压传输系数的幅频特性和相频特性,图62 RC低通电路,6.2.1 RC低通电路的频率响应,12,其幅值特性和相位特性表达式为：,6.2.1 RC低通电路的频率响应,13,6.2.1 RC低通电路的频率响应3.RC低通电路的波特图,图63 RC低通电路的波特图,根据幅频特性，当 ， ；当 时， 。可知， 是低通电路的“上限截止频率”，电路的“通频带”为从0到 的频率范围，即 。当 。,14,6.2.2 RC高通电路的频率响应,只有频率较高时，输入信号才能顺利传输到输出端，所以这种电路叫做“高通电路”。,图64 RC高通电路,15,1、电压传输系数的相频特性和幅频特性,图64 RC高通电路,16,分别写出幅频特性和相频特性,17,3.RC高通电路的波特图,图65 RC高通电路的波特图,3分贝0.707,5.71,根据幅频特性，当 ， ；当 时， 。可知， 是低通电路的“下限截止频率”，电路的“通频带”为从 。当 ， 。,18,考虑到晶体三极管发射结和集电结电容的作用，每个PN结均可用一个并联的结电容和结电阻等效。按照晶体管的实际结构，可得到晶体管的高频物理模型。,6.3 晶体管和场效应管的高频等效模型6.3.1 晶体管的高频等效模型,1晶体管的混合参数 形模型,图66 晶体管的高频物理模型,表示受发射结电压控制的集电结电流（压控电流源）。,19,cbc,图67晶体管混合参数 型等效电路,cbe,近似：re很小，忽略，c结反偏，rbc很大，开路,6.3.1 晶体管的高频等效模型,20,6.3.1 晶体管的高频等效模型,图68晶体管的等效电路,21,6.3.1 晶体管的高频等效模型,通过两电路比较可知：,4.通常 的值很大，所以可以看成开路。,22,图610 单向化后的晶体管共射混合参数 型 等效电路,将混用于共射放大电路的混合模型进行单向化转换(密勒定理），即将C等效在输入回路和输出回路中，如下图所示。,23,单向化后的晶体管混合参数型等效电路的简化图,24,晶体管共射电流放大系数 的频率响应,在直流和低频时可以看成一个常数，而随着频率的升高， 的值也会发生改变。实际上， 也是频率的函数。通常把在直流和低频时的共射电流放大系数用0 表示。,25,当频率较低时，有,所以,26,的定义：输出端交流短路时的电流放大倍数。,则有：,27,晶体管共射电流放大系数的频率响应,则,令,28,可以看出， 的频率响应和RC低通电路一致。当f=f时， ，因此f叫做晶体管共射电流放大系数的“上限截止频率”。,29,晶体管共射电流放大系数的频率响应,图612 的波特图,特征频率fT,30,(2)特征频率fT及其与f、C 的关系,fT特征频率是 下降到1时的输入信号频率，晶体管的fT 值可由产品手册得到。,由于CC，有,31,混合参数型等效电路的参数计算,32,6.3.2 场效应管的高频等效模型(自学）,场效应管共源接法场效应管的混合参数形等效电路如图a所示,简化图如图b所示。场效应管等效电路中的输入电容 较大，所以它的高频特性要比双极型晶体管差一些。,33,6.4 单管放大电路的频率响应6.4.1 单管共射放大电路的频率响应,在分析放大电路的频率响应时，通常采用“分频段研究法”，就是将频率分为低频、中频和高频三个频段分别进行讨论。,34,在中频段，极间电容因为容抗大而视为开路，耦合电容和旁路电容因为容抗小而视为短路； 在低频段，主要考虑耦合和旁路电容的影响，将极间电容视为开路； 在高频段，由于极间电容的存在，使晶体管的电流放大系数降低，而耦合和旁路电容可以视为短路。,35,6.4 单管放大电路的频率响应6.4.1 单管共射放大电路的频率响应,1.基本放大电路的中频响应,图614 单管共射放大电路电路图和中频等效电路,36,中频段(源）电压增益为：,37,1. 基本放大电路的中频响应,幅频特性和相频特性表示如下：,以上两式画出的波特图的中频段都是一条水平线。,38,2. 基本放大电路的低频响应,图614a）所示基本放大电路在低频时的交流等效电路如图615所示。,39,低频段电压增益为：,40,令,可以看出，基本放大电路在低频段是一个高通RC电路,则,41,基本放大电路低频段波特图,42,3. 基本放大电路的高频响应,应用戴维南定理,其中，,43,高频段电压增益为：,44,3. 基本放大电路的高频响应,令,可以看出，基本放大电路在高频段是一个低通RC电路。, 则,45,基本放大电路高频段波特图,46,4. 完整的单管共射放大电路的频率响应,完整的电压增益表达式,47,例6-1 在下图所示电路中，晶体管型号为3DG8，由手册查出其 ， , ,电源电压 ，其他参数如图所示。试计算该放大电路的中频电压增益、下限和上限截止频率、通频带，并画出波特图。设 , 。,48,（1）求静态工作点,49,（2）计算中频电压放大倍数,50,（3）计算下限截止频率,51,52,（5）求通频带,（6）画波特图波特图如图所示。,53,6.4.2 共基接法晶体管的高频小信号模型,6.4.3 共集放大电路的高频响应,自学 以下两节,54,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,1对放大电路频率响应的要求 只有在放大电路的通频带内，对于不同频率的信号，放大电路电压增益的幅值和相位才不会发生变化。因此，如果输入信号包含很多频率分量，输出信号不可能完全复现输入信号的波形而产生失真，这种失真叫做“频率失真”。频率失真包括“幅值失真”和“相位失真”。,55,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,为了减小频率失真，放大电路的通频带应该覆盖整个输入信号的频率范围。但是，放大电路的通频带也不能太宽，因为外界的“干扰”和内部的“噪声”往往是高频率的，放大电路通频带越宽，受干扰和噪声的影响也越大。,56,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,为了减小频率失真，可以采取相应的手段扩大放大电路的通频带。通常采用的方法有：,（1）减小 ，改善低频响应。一方面使有关电容(耦合电容和旁路电容）的电容量增大，一方面使相应回路的电阻增大。当然，最好的办法是去掉耦合电容而采取直接耦合的方式。,57,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,（3）引入负反馈。在电路中引入负反馈，可以扩大放大电路的通频带。,（2）增大 ，改善高频响应。有 其中：所以应减小电阻和电容，选择特征频率高， 小的高频管，还要减小 。但是，减小 会时放大电路电压增益下降。可见扩展频带和提高电压增益是有矛盾的。,58,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,59,由于,60,6.4.4 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,所以：,增益带宽积为：,可以看出，在一般情况下，当晶体管和信号源选定后，增益带宽积也就大体确定。如果要使放大电路的通频带宽，同时又要使它的电压增益高，则应选用 和 都很小的高频管。,61,6.5 多级放大电路的频率响应6.5.1多级放大电路的频率响应表达式和波特图,设多级放大电路每一级的电压增益分别为 ， ， ， ，则总的电压增益为：,多级放大电路电压增益的波特图的表达式为：,因此，只要把各级电压增益的波特图进行叠加，就可以得到多级放大电路总电压增益波特图。,62,6.5.2多级放大电路的下限截止频率 的估算,多级放大电路在低频段的 为：,令总的中频电压增益 ，则,63,根据下限截止频率的定义，有,64,6.5.2多级放大电路的下限截止频率 的估算,如果忽略高次项(fLfLK)，有：,如果需要更加精确一些，可以乘以修正因子1.1,65,多级放大电路的下限截止频率fL的估