第5章 频率响应ppt课件

第5章放大器的频率响应 频率响应的一般概念 一 频率响应的表示法 或写为 其中 电路的放大倍数与频率的函数关系 放大电路的频率响应或频率特性 放大器的放大倍数本身应该用复数来定义 在零初始条件下 放大电路的频率响应 图示 幅频特性 纵轴 dB 横轴 对数坐标 频率响应的一般概念 相频特性 中间有一个相当宽的频段是平坦的 且相移为零 即放大倍数不变 称之为中频段 其中 高频区 中频区 低频区 二 带宽 频率响应的一般概念 频率特性的图示法 波特图 幅频特性曲线的纵坐标常以分贝为单位 横坐标按频率的对数为刻度 这样表示的幅频特性曲线又叫波特图 奈奎斯特图 把的幅模A和相角画在极坐标上 矢量端点的轨迹就是放大电路在极坐标系统中的频率响应曲线 线性系统的分析方法 激励与响应传递函数 拉普拉斯变换可得 令 极点与零点 极点与零点 是分子多项式等于零的根 叫零点 分母多项式等于零即特征方程的根 叫做极点 图例 一个稳定的线性系统 其极点只能位于极零图的左半平面 而且极点只能是负实数或实部为负的共轭复数 将系统传输函数的极点 用 表示 和零点 用 表示 表示在复平面s上 就是该系统的极零图 叫做标尺因子 或者 一个可以实现的稳定的有源线性系统 分母多项式的系数恒为正实数 其极点必为负实数或者实部为负数的共扼复数 单时间常数RC电路的频率响应 一 RC低通电路的频率响应 一阶无零系统 电路理论中的稳态分析 RC电路的电压增益 传递函数 则 且令 又 电压增益的幅值 模 幅频响应 电压增益的相角 相频响应 增益频率函数 最大误差 3dB 频率响应曲线描述 幅频响应 0分贝水平线 斜率为 20dB 十倍频程的直线 单时间常数RC电路的频率响应 一 RC低通电路的频率响应 相频响应 表示输出与输入的相位差 高频时 输出滞后输入 所以 频率响应曲线描述 单时间常数RC电路的频率响应 一 RC低通电路的频率响应 2 RC高通电路的频率响应 RC电路的电压增益 幅频响应 相频响应 输出超前输入 单时间常数RC电路的频率响应 令 三级理想的电压放大器用低通电路进行级联 单极放大电路的高频响应 一 BJT的高频小信号建模 模型的引出 互导 混合 型高频小信号模型 模型简化 单极放大电路的高频响应 一 BJT的高频小信号建模 模型的引出 又因为 所以 模型参数的获得 与H参数的关系 低频时 混合 模型与H参数模型等效 所以 又 单极放大电路的高频响应 一 BJT的高频小信号建模 的频率响应 由H参数可知 即 根据混合 模型得 低频时 所以 单极放大电路的高频响应 一 BJT的高频小信号建模 共发射极截止频率 的幅频响应 令 则 特征频率 共基极截止频率 单极放大电路的高频响应 一 BJT的高频小信号建模 的频率响应 单极放大电路的高频响应 密勒定理 证明 2 共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路 等效电路 单极放大电路的高频响应 对节点c列KCL得 电路简化 忽略的分流得 称为密勒电容 等效后断开了输入输出之间的联系 2 共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路 单极放大电路的高频响应 电路简化 最后 2 共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路 单极放大电路的高频响应 高频响应 由电路得 电压增益频响 又 其中 低频增益 上限频率 2 共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路 单极放大电路的高频响应 增益 带宽积 BJT一旦确定 带宽增益积基本为常数 如何提高带宽 2 共射极放大电路的高频响应 单极放大电路的高频响应 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 3 共基极放大电路的高频响应 高频等效电路 单极放大电路的高频响应 b 高频小信号等效电路 高频响应 列e点的KCL 而 所以电流增益为 其中 电压增益为 其中 特征频率 忽略 3 共基极放大电路的高频响应 单极放大电路的高频响应 几个上限频率的比较 的上限频率 特征频率 共基极上限频率 共发射极上限频率 共基极电路频带最宽 无密勒电容 3 共基极放大电路的高频响应 单极放大电路的高频响应 单极放大电路的高频响应 4 共集极放大电路的频率响应 共集放大器的上限频率很高 没有密勒倍增效应 主要是共集电路是理想的电压跟随器 单极放大电路的低频响应 1 低频等效电路 低频等效电路 2 低频响应 中频增益 当 则 下限频率取决于 即 单极放大电路的低频响应 当 多极放大电路的频率响应 1 多级放大电路的增益 前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载 2 多级放大电路的频率响应 以两级为例 则单级的上下限频率处的增益为 当两级增益和频带均相同时 两级的增益为 即两级的带宽小于单级带宽 多极放大电路的频率响应 组合放大器 共发 共基组合 共发 共基放大电路交流通路的基本形式如图所示 电路中第一级是共发组态电路 第二级是共基组态电路 它的输入电阻很小 因而第一级共发电路的等效负载很小 因此密勒倍增因子 就小 由式 5 2 22 知道第一级共发电路的将提高 而第二级共基电路本身就有较宽的频带 因此二级叠加后的频带比原来一级共发电路的频带要宽 共集 共发电路 共集 共发电路的交流通路的基本形式如图所示 共集电路的频带较宽 所以整个放大器的带宽也是主要取决于第二级共发电路 但共集电路输出阻抗很小 相当于图中的源电阻小 也可以有效提高共发电路的 负反馈放大器的频率响应 单极点 低通 说明引入负反馈以后 放大电路的上限频率增加了 增加的程度与反馈深度F有关 负反馈放大器的频率响应 单极点 高通 说明引入负反馈以后 放大电路的下限频率降低了 增加的程度与反馈深度F有关 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 1 自激振荡现象 在不加任何输入信号的情况下 放大电路仍会产生一定频率的信号输出 2 产生原因 在高频区或低频区产生的附加相移达到180 使中频区的负反馈在高频区或低频区变成了正反馈 当满足了一定的幅值条件时 便产生自激振荡 反馈深度 3 自激振荡条件 自激振荡 即 又 得自激振荡条件 幅值条件 相位条件 附加相移 注 输入端求和的相位 1 不包含在内 闭环增益 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 3 自激振荡条件 得自激振荡条件 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 说明 1 一级或两级负反馈放大电路是稳定的 三级或三级以上的负反馈电路 在深度负反馈的条件下 由可能产生自激振荡 2 为使负反馈放大器能够稳定地工作 必须设法破坏自激振荡的条件 在时 在时 使 使 4 稳定工作条件 破坏自激振荡条件 或 或写为 其中 Gm 幅值裕量 一般要求Gm 10dB m 相位裕量 一般要求 m 45 保证可靠稳定 留有余地 Gm增益裕量 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 5 负反馈放大电路稳定性分析 环路增益的幅频响应写为 一般 与频率无关 则 的幅频响应是一条水平线 利用波特图分析 水平线 的交点为 即该点满足 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 5 负反馈放大电路稳定性分析 2 作 水平线 判断稳定性方法 在水平线 的交点作垂线交相频响应曲线的一点 若P点在水平线之下 稳定 否则不稳定 或 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 5 负反馈放大电路稳定性分析 基本放大电 基本放大 负反馈放大电路的稳定问题 二 自激及稳定工作条件 稳定区 不稳定区 反馈深度越深 越容易自激 越大 水平线 容易自激 下移 越 频率补偿技术 一 频率补偿的基本思想 将电路的各个极点的间距拉开 特别使主极点和相近的极点电的间距拉大 可以按预定的目标改变相频相应 并有效地增加环路增益 补偿实现 修改一个补偿的极点来实现 思考 如果在0dB线以上只有一个转折频率 则无论反馈深度如何 电路都能稳定工作 对吗 假设为无源网络 最大为1 即 无论反馈深度如何 P点都交在的 20dB 十倍频程处 放大电路是稳定的 负反馈放大电路的稳定问题 一 自激及稳定工作条件 简单的电容补偿技术 1 滞后电容补偿 改变第一个极点的频率 Bf等于1或小于1的时 集成运算放大器始终工作在稳定的状态 这时的补偿叫做全补偿或者单位增益补偿 例1 已知集成运放的中频增益为105 三个极点的频率分别为200k 2M 20M 产生第一个极点的等效阻抗为200K 降其连接成同向放大器 为保证放大器的正常工作采用了简单的电容补偿技术 1 未补偿前提供的 同向放大器提供的最小增益是多少 2 若要求同向放大器提供的增益为10 试求所需要的补偿电容 3 若要求同向放大器提供的增益为1 试求所需要的补偿电容 密勒电容补偿技术 利用密勒倍增效应实现相位的补偿的技术 将电路的各个极点的间距拉开 特别使主极点和相近的极点电的间距拉大 相应的 20db 十倍的频程的线段加