第4章_放大电路的频率特性.ppt

第四章：放大电路的频率特性,内容提要,内容提要,非线性失真：由于放大电路中存在非线性元件，致使幅度大小不同的信号具有不同的增益而产生的失真,惰性失真：由于电路中存在具有惰性的电抗元件，使得电路对变化速度不同的信号反应不同而产生的失真,采用简谐波作为测试信号时，放大电路的增益随频率变化的特性称为频率特性，由此产生的失真称为频率失真，实质上是惰性失真,本章详细介绍放大电路的频率特性与器件及电路参数的关系，以及减小频率失真的方法,频率特性的分析方法,第一节：频率特性的分析方法,可采用电路分析中的复数法，并将增益分为幅模和相位两部分：,幅模代表信号经放大后幅度变化倍数的绝对值，其随频率的变化称为幅频特性,相位代表输出信号相对于输入信号的相移，其随频率的变化称为相频特性,频率特性的分析方法：,手工计算的工程简化法,计算机辅助分析法,放大电路不产生频率失真的条件(一),第一节：频率特性的分析方法,图(a)：由基波和三次谐波组成的信号,图(b)：对不同频率信号的增益不同，且没有相移,图(c)：对不同频率信号的增益相同，但相移不与频率成比例,图(d)：对不同频率信号的增益相同，相移与频率成比例,放大电路不产生频率失真的条件(二),第一节：频率特性的分析方法,理想幅频特性：对被放大的信号所包含的频率成分同等放大,理想相频特性：相移与频率成正比，即：,放大电路不产生频率失真的条件(三),第一节：频率特性的分析方法,实际电路中可能会有高频失真或低频失真,应注意低频失真中的超前相移代表的是稳态结果,注意上、下截止频率以及通频带的定义,频率特性的工程简化分析方法(一),第一节：频率特性的分析方法,造成放大电路产生频率失真的根本原因在于电路中有电抗元件,由于电抗元件在不同频段的作用大小显著不同，从而可使用分频段简化分析的方法来对电路进行简化处理，使每一个简化后的电路适用于一个频段,略去一批电抗元件而保留另一批，就可使电路得到简化，简化后的电路称为高频段或低频段,频率特性的工程简化分析方法(二),第一节：频率特性的分析方法,在放大电路中，电抗元件可能由于起辅助作用或是寄生参数的原因而出现,电抗可能以并联或串联的形式存在。对串有电抗元件的串联电路，简化时将电抗短路；对并有电抗元件的并联电路，简化时将电抗开路,只要在计算时所产生的误差不超过5%，即可进行近似处理,频率特性的工程简化分析方法(三),第一节：频率特性的分析方法,简化频率特性分析应注意：,分析频率变化时物理量的相对变化，而不研究其绝对值,信号源用电压源表示或是用电流源表示，负载上的输出量采用电压或电流，选择得当可以减少计算步骤,电抗和电阻的相对大小达到某一值时，可忽略电抗。但电阻是不能被忽略不计的，因为放大输出量是从简化电路的电阻上获取的,PN结的势垒电容(一),第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,势垒电容是由于PN结势垒区的正、负离子层在外加电压变化时发生变化，而在外电路中产生容性电流的等效电容,外加电压变化时的物理过程可用处于势垒区的平板电容来等效，这个等效电容称为势垒电容,注意：势垒电容是微变电容，具有非线性特性,PN结的势垒电容(二),第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,若为反向电压，则取负值,与结面积及掺杂情况有关,和半导体材料有关,与结的制造工艺有关，称为变容指数,PN结的扩散电容,第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,因扩散作用而形成的空穴-电子对储存所产生的电容效应，称为扩散电容,当外加正向电压变化时，在PN结的P区和N区都存在电子-空穴对储存效应，可用两个扩散电容来等效,微变扩散电容：,注意：从外部电压变化与电流变化之间的关系看，三个电容为并联关系,但在不同的偏置下，不同的电容将起主导作用,共发射极高频混合模型(一),第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,在三极管的混合模型中加入发射结电、集电结电容后，即可获得高频小信号混合模型,发射结电容主要是扩散电容，且其容量与发射极的静态工作点电流成正比,通常近似认为集电结电容只具有势垒电容性质。但当集电结反向偏压增大或集电极静态电流增大时，忽略扩散分量所产生的误差会有所增大,共发射极高频混合模型(二),第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,是集电极扩散电流和基极复合电流之比。但在高频情况下，基极电流中除了复合电流还有结电容电流,在的条件下，推导可得：,共发射极高频混合模型(三),第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,上截止频率：的幅模减至，此时基极容性电流等于复合电流,特征频率：减至1。若C、E短接，此时结电容电流等于扩散至集电极电流,若信号源内阻为无限大，则对于由电流源、电阻、电容并联的电路，其输出电压和信号源电流之比的上截止频率就是电路RC时间常数的倒数,共基极高频T型模型,第二节：双极型晶体管的高频参数及模型,在共基极低频模型的基础上添加两个结电容，便成为共基极高频T型模型,注意左图中只有流过的电流才是扩散电流,推导可得：,近似等于而略大于,单级纯阻负载放大电路及其高频等效电路,第三节：单级放大电路的高频特性,基本解法为使用电路分析的理论对等效电路进行直接分析,等效电路的单向化与密勒效应(一),第三节：单级放大电路的高频特性,首先考虑将输入回路和输出回路拆开,从电路形式上看，只有输入到输出的信号传输，而没有输出反馈到输入的传输，故这种处理称为单向化,等效电路的单向化与密勒效应(二),第三节：单级放大电路的高频特性,推导可得：,即密勒电容,上图中：,等效电路的单向化与密勒效应(三),第三节：单级放大电路的高频特性,低通一阶电路的特性(一),第三节：单级放大电路的高频特性,上截止角频率,故有,由于分母为自变量的一次方，称为一阶函数；又因为其幅模随频率的降低而增加，故称为低通一阶函数；具有此函数特性的电路称为一阶电路,低通一阶电路的特性(二),第三节：单级放大电路的高频特性,使用分贝可表示为,若频率升至原值的10倍，则幅模减小20dB，此即该直线的斜率,可用折线来近似实际的曲线，如上图所示,误差最大点处在截止角频率处,低通一阶电路的特性(三),第三节：单级放大电路的高频特性,可用折线来近似实际的曲线，如上图所示,误差最大点处在和处,在幅频曲线斜率变化不大的频段，对应的相频曲线的相位变化不大,低通一阶电路的特性(四),第三节：单级放大电路的高频特性,若要分析由至的频率特性，则应考虑将短接后由B、E向左端看去的等效电阻：,的上截止频率低于的上截止频率,低通一阶电路的特性(五),第三节：单级放大电路的高频特性,输出回路的特性为：,单级放大电路的频率特性结论(一),第三节：单级放大电路的高频特性,大多数情况下，整个放大电路的上截频主要由决定；源电压放大系数的频率特性更由至的传输特性决定,单级放大电路的频率特性结论(二),第三节：单级放大电路的高频特性,为提高上截止频率，应：,使(或)和尽可能小,选择和、尽可能小的器件,为提高源电压增益的上截频，信号源内阻应有较小的值,不能断言零频放大倍数和带宽的乘积是一个常数,对一个多级放大电路来说，后级输入电容成为前级负载电容，此时有：,整个放大电路的高频特性变坏,整个放大电路的放大函数不是低通一阶函数,基本概念与方法,第四节：扩展放大电路通频带的方法,扩展放大电路的通频带是指提高上截止频率和降低下截止频率,直接耦合可以将下截止频率延至零频,本节讨论在器件参数和负载已经确定的情况下，如何从电路上采取措施达到提高上截止频率的目的,放大电路在高频时增益下降的根本原因是器件极间电容、负载电容因频率升高而电抗下降,提高上截频的三类方法：,采用负反馈,采用不同组态放大电路混合连接,外接补偿元件,负反馈扩展通频带的基本原理,第四节：扩展放大电路通频带的方法,增益随频率的变化可以看成增益的不稳定，只是引起增益不稳定的原因是器件结电容和负载电容的容抗随频率而变,采用负反馈来提高放大电路的上截止频率，就要求当频率升高、增益减小的同时，负反馈往减小的方向变化,采用负反馈来扩展通频带，实质上是改变放大电路输入电路的传输系数。此时应使得放大电路从信号源电压到有效输入电压的传输系数随频率变化的规律与放大电路输入端到输出端增益随频率变化的规律相反,简单的单级负反馈电路(一),第四节：扩展放大电路通频带的方法,负反馈展宽通频带的定性分析,上截止频率的提高是以牺牲零频增益为代价的,简单的单级负反馈电路(二),第四节：扩展放大电路通频带的方法,近似推导可得：,即放大电路加负反馈后，零频增益与带宽乘积不变,简单的单级负反馈电路(三),第四节：扩展放大电路通频带的方法,成立的条件：,增益为一阶函数,反馈系数为常数,对于左图而言，上截止频率的提高不满足上式,若在反馈电阻两端并联电容，则上截止频率会提高得更多，甚至可能出现升峰,若在反馈电阻两端并联电感，则上截止频率会提高得更少，甚至可能下降,用负反馈来提高容性负载下的上截止频率，还将牺牲低频应用时器件的动态范围,多级负反馈放大电路的频率特性(一),第四节：扩展放大电路通频带的方法,由于多级放大电路的放大系数是各单级放大电路放大系数的乘积，故当反馈环包含级数较多时且工作频率足够高时，反馈电压和信号源电压之间的相移就会很大,在条件适合时，可能在某一个频段，输出电压将比低、中频段高,多级负反馈放大电路的频率特性(二),第四节：扩展放大电路通频带的方法,若反馈足够深，且反馈环包含级数足够多时，可能会变成正反馈,若幅度也足够大，则放大电路会产生自激，此时即使撤除信号源电压，放大电路也可以自己维持输出,自激条件：,或,振幅条件,相位条件,注意自激时输出电压并不会无限增长,若放大电路满足自激条件，并不一定要外加一个原始电压才能产生自激,反馈放大电路自激的防止与消除,第四节：扩展放大电路通频带的方法,多于3级的负反馈放大电路，可以采用“多宽一窄的方法来实现增大反馈深度且不产生自激振荡,反馈深度越深，窄级与宽级的上截止频率需要离得越远，才能使放大电路不产生自激振荡,为获得多级放大电路的深负反馈，需要付出通频带方面的代价,共射-共基混合连接电路,第四节：扩展放大电路通频带的方法,注意比较各种方法方法扩展频带的物理实质,关于提高上截频的定性分析,共射-共集混合连接电路,第四节：扩展放大电路通频带的方法,该电路能提高上截频的原理在于利用共集电极的阻抗变换作用,注意：该电路只适用于容性负载的小信号放大电路。若在纯阻负载和共射级之间增添一个共集级，反而会降低上截止频率,外接电感补偿元件法(一),第四节：扩展放大电路通频带的方法,采用外接电感补偿元件的方法，可以在不要求增大器件输出电流的条件下，提高容性负载放大电路在高频段的输出电压,该方法的实质是提高放大电路在高频时的等效负载阻抗,可以通过研究该电路的输出端等效电路来研究其频率特性,外接电感补偿元件法(二),第四节：扩展放大电路通频带的方法,推导可得：,当时，可得到最大平坦特性,当时，具有升峰特性,此时的上截止频率为,具有最平坦时延特性的Q值为0.57,输出端的频率特性(一),第五节：电容耦合放大电路的低频特性,在级间采用直接耦合时，其下限可以延伸至零频,在本节分析放大电路的低频特性时，将容量相对来说小得多的极间电容视为开路,推导可得：,输出端的频率特性(二),第五节：电容耦合放大电路的低频特性,具有高通特性,下截止频率为,时，波特图的斜率20dB/10倍频,相移为正,在下截止频率，相移为+45,当时，,输入端的频率特性,第五节：电容耦合放大电路的低频特性,分析可得：,该电路具有高通性质,的影响和的影响有所不同,应注意取值时的注意事项,放大电路的时域特性(一),第六节：放大电路的时域特性,通过频率特性来考察非正弦信号通过放大电路产生