模拟电子技术基础第4章三极管基本放大电路ppt课件

1、第三章半导体三极管及放大电路,武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组,3 半导体三极管及放大电路,3.1 半导体BJT 3.2 共射极放大电路 3.3 估算法与图解分析法 3.4 小信号模型分析法 3.5 放大电路的工作点稳定问题 3.6 共集电极电路和共基极电路 3.7 放大电路的频率响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,本节要求,熟悉频率特性基本概念：上限频率、下限频率及通频带 掌握对数频率特性（波特图）的画法。 3. 了解单级放大器的低频等效电路和高频等效电路 4. 了解负反馈放大器的自激条件及稳定工作条件,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3

2、.7 频率响应与稳定性,什么是频率响应呢？为什么要提出这个问题呢,电子系统的信号不是单一频率的正弦波（如声波）它可以分解成不同频率正弦波的叠加；而在放大电路中都常常有电抗元件存在（如电容），其电抗值在不同频率下是不同的，因而使放大器对不同频率信号的放大倍数不一致，这时电路输出信号不能完全重现输入信号的波形，即在放大过程中产生了失真（属于频率失真,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,1. 频率响应定义,放大器对不同频率正弦信号的稳态响应称为频率响应。 如何表征？用频率响应表达式,复模与频率的关系称为幅频响应,输出/输入电压

3、之间相位差称为相频响应,两者综合表征放大器的频率响应特性,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,2. 通频带,fL,fH,fH,RC耦合放大器频率响应,直接耦合放大器频率响应,两种放大器为何频率特性曲线不同呢,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 低频区：当信号频率降低时，耦合电容和射极旁路电容的影响不可忽略，致使放大倍数下降,1). 高频区：当信号频率升高时，器件内部的极间和引线电容影响不可忽略，致使放大倍数下降,3). 中频区：当信号频率处于中频区所有电容（耦合、射极旁略、极间、分布）

4、的影响可以忽略不计，放大倍数不随信号频率而变，维持一个定值,容抗的频率效应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,2. 通频带,fL,fH,fH,RC耦合放大器频率响应,直接耦合放大器频率响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1). 频率响应曲线平坦部分称为中频区，放大倍数用AVM表示。 2). 当AV下降0.707AVM时，所确定的两个频率、分别称为上限频率fH和下限频率fL。 3). 在fH与fL 之间的频率范围（中频区）又称为放大器的通频带或带宽BW,4). 在低于fL的频率范围称为放

5、大器的低频区。 5). 在高于fH的频率范围称为放大器的高频区,带宽 BW= fH - fL,频带的基本概念,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,3. 频率失真,若放大器的通频带不够宽，对不同频率的波形放大倍数不同，则将出现频率失真，输出波形就会变形,频率失真分为幅度失真和相位失真,频率失真放大电路对不同频率的输入信号，有不同的放大能力和相移，从而使输出信号产生了失真,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,幅度失真,相位失真,二次谐波,基波,输入信号,3.7 频率响应与稳定性,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7

6、 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,3. 频率失真,频率失真也称为线性失真（因为晶体管工作于放大区时出现的失真）。 不同于晶体管工作在非线性工作区产生的饱和与截止非线性失真,对于单一频率的正弦波，频率失真并不会引起波形失真。 对于单一频率的正弦波，非线性（饱和或截止）失真将引起波形失真,而现在讨论频率失真之所以是线性失真，指的是对于单一频率的正弦波输出波形只有幅度变化和相位改变，结果输出波形还是一个单一频率的正弦波，波形不变形,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,4. 用分贝表示放大倍数,电

7、压放大倍数转换分贝表示,若放大倍数,为衡量放大器信号在传输过程中的变化，我们常用对数单位来表示，一个对数单位我们就叫“分贝”（dB,用分贝表示,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,4. 用分贝表示放大倍数,在上、下截止频率处有,用分贝表示,上限频率fH和下限频率fL是对应中频放大倍数下降3dB之处,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,4. 用分贝表示放大倍数,放大倍数采用分贝表示优点在于： 可将放大倍数的相乘化为相加。 在绘制频率响应图时，采用对数

8、坐标，有利于扩大视野。 较符合人耳对声音的感觉状况，如输出功率增大了100倍，但人耳觉得只增大了两倍,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,5. 对数频率响应折线波特图,为压缩坐标，扩大视野 在画幅度频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值采用dB表示。 在画相位频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而相角用线性刻度。 这种半对数坐标频率特性曲线称为对数频率特性或波特图,频率响应即指电压放大倍数频率的关系,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,5.

9、 对数频率响应折线波特图,频率响应即指电压放大倍数频率的关系,波特图采用折线法近似作出,频率响应特性分为幅频响应特性和相频响应特性,因此放大电路频响波特图由幅频响应波特图和相频响应波特图组成,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.1 频率响应的基本概念和基本分析方法,5. 对数频率响应折线波特图,幅度f关系,频率采用对数分度，幅值采用dB；相移采用线性分度 这两张图称为对数频率响应或波特图,阻容耦合放大电路波特图绘制步骤如下,相位f关系,幅频响应曲线,相频响应曲线,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1)分析放大电路中频区的频率响应

10、。各种电容影响忽略不计，绘制纯电阻放大电路；求出中频电压放大倍数和中频附加相移。 (2)分析放大电路低频区的频率响应。考虑耦合电容和旁路电容影响，用电路的RC高通电路模拟低频区放大电路；求出下限截止频率。 (3)分析放大电路高频区的频率响应。考虑极间电容和引线电容影响，用电路的RC低通电路模拟高频区放大电路；求出上限截止频率,阻容耦合放大电路波特图绘制步骤如下,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,阻容耦合放大电路波特图绘制步骤如下,求fL,低频区,中频区,高频区,用电路中的 RC高通电路模拟,求AVM、jM,C影响忽略不计 绘制纯电阻电路,用电路中的 RC低通电路模

11、拟,求fH,考虑极间电容和引线电容影响,绘制波特图,考虑耦合电容和旁路电容影响,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.2 RC高通电路分析对应放大器的低频响应,1. 电路特点,其电压放大倍数为,电路特点是： 电容在前，电阻在后， 频率越低，容抗越大，相位超前,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.2 RC高通电路分析对应放大器的低频响应,令,有,令,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.2 RC高通电路分析对应放大器的低频响应,复模表达式，即幅频响应,复角表达式，即相频响应,复数表达式,电子技

12、术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.2 RC高通电路分析对应放大器的低频响应,当,时,时,若,为转折频率时,这是一条斜线，斜率为20dB/十倍频,幅频响应,的一条直线,产生最大误差,RC高通电路频率特性曲线折线波特图,当,当,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.2 RC高通电路分析放大器的低频响应,时,为转折频率时,的直线表示,RC高通电路频率特性曲线折线波特图,当,当,相频响应,近似用,若,的直线表示,近似用,当,时,若,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.2 RC高通电路分析放大器的低频响

13、应,幅频响应,RC高通电路频率特性曲线折线波特图,0dB,20dB,斜率为20dB/十倍频,3dB,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,转折频率处,直线,RC高通电路频率特性曲线折线波特图,相频响应,直线,近似折线,实际曲线,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,RC高通电路频率特性曲线折线波特图,0dB,20dB,3dB,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.3 RC低通电路分析放大器的高频响应,1. 电路特点,其电压放大倍数为,电路特点是： 电阻在前，电容在后， 频率越高，容抗越小，相位滞后,电子技术基

14、础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.3 RC低通电路分析放大器的高频响应,令,令,有,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3.7.3 RC低通电路分析放大器的高频响应,复模表达式，即幅频响应,复角表达式，即相频响应,复数表达式,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,当,时,时,若,为转折频率时,这是一条斜线，斜率为20dB/十倍频,幅频响应,的一条直线，平行于横轴,产生最大误差,RC低通电路频率特性曲线折线波特图,当,当,3.7.3 RC低通电路分析放大器的高频响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频

15、率响应与稳定性,时,为转折频率时,的直线表示,RC低通电路频率特性曲线折线波特图,当,当,相频响应,近似用,若,的直线表示,近似用,当,时,若,3.7.3 RC低通电路分析放大器的高频响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,幅频响应,RC低通电路频率特性曲线折线波特图,斜率为20dB/十倍频,3.7.3 RC低通电路分析放大器的高频响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,转折频率处,直线,RC低通电路频率特性曲线折线波特图,相频响应,直线,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,RC低通电路频率特性曲线折线波特

16、图,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,RC电路全频率范围折线波特图,高通相位超前,高频响应,低通相位滞后,低频响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,分析思路： 分析管子结构，画出管子的高频型等效电路 利用密勒定理，将型电路化为互不联系的输入输出回路 将输入输出回路等效成RC低通电路的形式 求出高频电路的AV表达式 求出上限频率fH的值,3.7.4 单级放大器的高频响应（以共射电路为例,高频区与频率相关现象： 当信号频率升高时，器件内部的极间和引线电容影响不可忽略，致使放大倍数下降,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,由于要使用密勒

17、定理，我们首先介绍密勒定理,1). 密勒定理,设有一个任意的包含N个独立节点的网络1.2.N,我们可以取其中任意一个节点作为该网络的公共点参考电位,如取节点N为公共点，令VN=0,假设在节点1和节点2之间接有阻抗Z，并设节点1、2相对N的电压为 V1、V2；且己知这两节点电压之比,1,2,N,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1). 密勒定理,假设在节点1和节点2之间接有阻抗Z，并设节点1、2相对N的电压为 V1、V2；且己知这两节点电压之比,则由节点1流向节点2的电流为,1,2,N,令,则,这说明什么,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定

18、性,1). 密勒定理,从V1流过阻抗Z的电流=从节点1出发流过Z1到公共点N的电流,1,2,N,令,则,这说明什么,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1). 密勒定理,1,2,N,令,则,这说明什么,同理，可以得到： 从节点2(V2)流过阻抗Z流向节点2的电流I2为,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1). 密勒定理,从V2流过阻抗Z的电流=从节点2出发流过Z2到公共点N的电流,1,2,N,令,则,这说明什么,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1). 密勒定理,结论： 跨接在节点1和节点2的阻抗Z，可等效

19、到输入输出回路， 分别是,1,2,N,实际意义： 可以将联系输入输出回路的公共元件转化到输入输出回路，使输入输出回路单向化（不要相互牵扯,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,分析思路： 分析管子结构，画出管子的高频型等效电路 利用密勒定理，将型电路化为互不联系的输入输出回路 将输入输出回路等效成RC低通电路的形式 求出高频电路的AV表达式 求出上限频率fH的值,3.7.4 单级放大器的高频响应（以共射电路为例,高频区与频率相关现象： 当信号频率升高时，器件内部的极间和引线电容影响不可忽略，致使放大倍数下降,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定

20、性,3.7.4 单级放大器的高频响应（以共射电路为例,在高频时，三极管由于器件内部的结电容的存在，它对信号有一个适应过程，对于共射电路而言，频率过快Ic老跟不上Ib的变化,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,等效变换 1)用PN结高频电路代替三极管的集电结和发射结； 2)用rbb表示基区体电阻，发射区集电区体电阻很小（10）忽略不计； 3). 用rce表示电流源的电阻，用gmVbe表示三极管的电流放大作用,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,发射结,集电结,C、E极间电阻,基区体电阻,集电区体电阻,发射区体电阻

21、,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,受控电流源,集电结电容,集电结电阻,发射结电阻,发射结电容,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,发射结,集电结,这个电路很象“”字，所以称为混合参数形等效电路,发射区体电阻很小，忽略不计,集电区体电阻很小，忽略不计,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,通常有,rce、rbc很大可以视为开路，忽略不计,此时，得到三极管的高频等效电路的简化模

22、型,其中,重要,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,在低频和中频时,Cbe、Cbc很大可以视为开路，忽略不计,三极管低频等效电路低频小信号模型（H参数微变模型,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,2). 三极管的高频等效模型型等效电路及简化,三极管低频等效电路两者等效,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3). 共射电路的高频响应等效电路,交流通路,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3). 共射电路的高频响应等效电路分析,交流通路,b,

23、e,c,ic,高频等效电路,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3). 共射电路的高频响应等效电路分析,ic,应用密勒定律,将Cbc等效到 输入回路C1 输出回路C2,电路单向化,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3). 共射电路的高频响应等效电路分析,b,e,c,ic,输入回路的简化,输出回路的简化,C2很大，忽略,Rb很大，开路忽略,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,3). 共射电路的高频响应等效电路分析,b,e,c,ic,输入回路变换成低通电路电阻在前，电容在后,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,

24、3.7 频率响应与稳定性,4). 共射电路的高频响应AVH及上限频率fH,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,4). 共射电路的高频响应AVH及上限频率fH,令,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,4). 共射电路的高频响应AVH及上限频率fH,其中,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,4). 共射电路的高频响应AVH及上限频率fH,又因为,中频电压放大倍数与第4节计算结果相同,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,4). 共射电路的高频响应AVH及上限频率fH,当,时,幅频响应,相频

25、响应,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,由于结电容的影响，使f升高时，Ib部分电容分流使流过电流减小，从而使下降 是频率f的函数。它们之间的关系究竟怎样呢,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,求解思路如下,由定义,求出,经过推导有,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,求解思路如下,0,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,求解思路如下

26、,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,同理，共基电流放大系数,求出,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,同理，共基电流放大系数,求出,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,5). 三极管电流放大系数的频率特性,结论,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,在射极偏置共射放大电路，当信号频率进入低频区时，电压放大器倍

27、数的降低是由于耦合电容和旁路电容的影响。这时耦合电容和旁路电容不能忽略不计，应保留在电路中,3.7.5 单级放大器的低频响应（以射偏共射电路为例,将输入输出电路转化成RC高通电路的形式；求出高频电路的电压放大倍数表达式，由表达式求出电路的下限截止频率,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1）当信号频率进入低频区时，画出放大电路的低频等效电路； 2）将输入输出电路等效成RC高通电路的形式； 3）求出低频电路的AVL表达式； 4）求出下限频率fL,3.7.5 单级放大器的低频响应（以射偏共射电路为例,其分析思路如下,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应

28、与稳定性,1）低频等效电路及其简化,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,1）低频等效电路及其简化,b,c,e,Re很大，开路忽略,Rb很大，开路忽略,此电路直接分析很烦琐，在工程上作合理的简化是必须的,由于,若低频工作频率为,当,则容抗,简化电路,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,b,c,e,简化电路,2）将输入输出电路等效成RC高通电路的形式,RC高通电路： 电容在前， 电阻在后,将Ce折算到基极回路，保持在压降不变，电流由IeIb；则应将容抗扩大（1+b）倍；即电容减小（1+b）倍,将Ce折算到输出回路，保持在压降不变，电流由IeIc，基本不变，容抗不变；即电容不变,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3.7 频率响应与稳定性,b,c,简化电