模拟电子线路模电频率特性PPT课件

1、一、一、频率响应频率响应：放大器对不同频率信号的稳态响应：放大器对不同频率信号的稳态响应一. 概述放大器输入信号放大器输入信号频率范围频率范围：音频音频话音：话音：300-3400Hz300-3400Hz 音乐：音乐：20-15KHz20-15KHz视频视频图象：图象：0-6MHz0-6MHz第1页/共77页二、二、频率特性频率特性 幅度频率特性幅度频率特性 相位频率特性相位频率特性 幅频特性是描绘输入信号幅度固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。即 fUUAio/ 相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律。即)(iofUUA第2页/共77页阻容耦合放大的频率特性

2、和频率失真阻容耦合放大的频率特性和频率失真AuAum0.707AumfHfLf通频带共发射级放大电路的幅频特性：电压放大倍数近似为常数。：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。第3页/共77页波特图（Bode） 半对数坐标dB(decibel):分贝 Au(db)=20logAuAu: 10 102 103 10-1 10-2 Au(db): 20 40 60 -20 -40 -321折线化对数分度（扩大视野）特点：优点：1、乘加 2、人耳对声能的辨别能力与其对

3、数成正比第4页/共77页产生原因: :1.1.放大电路中存在电抗性元件，例如 耦合电容、旁路电容、分布电容等; ; 2.2.三极管的 ( ( ) )是频率的函数。 低频小信号模型不再适用幅频失真相频失真线性失真（组合失真）频率失真设计电路时，要合适选择耦合电容和旁路电容第5页/共77页 放大器的失真是指输出信号不能重现输入信号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。波形的一种物理现象。 失真类型失真类型频率失真频率失真瞬变失真瞬变失真线性失真线性失真非线性失真非线性失真 一般而言，放大器中含有电抗元件。在正弦信一般而言，放大器中含有电抗元件。在正弦信号激励下，不同频率呈现不

4、同电抗，因而放大器号激励下，不同频率呈现不同电抗，因而放大器增益应为频率的复函数：增益应为频率的复函数： )(jAe )()j (AA第6页/共77页 波特图在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。0f /HzA( f )/dB0f /Hz A( f )幅幅频频特特性性相相频频特特性性( (对数刻度对数刻度) )( (对数刻度对数刻度) )( (线性刻度线性刻度) )( (线性刻度线性刻度) )(lg20)(dBAA增益分贝值：增益分贝值：通频带：通频带： LH7 . 0ffBW对应上限频率对应上限频率fH 、及下限频率及下限频率fL 。增益下降

5、到增益下降到 时，时，I21AAIAI2fHfL第7页/共77页 频率特性的三个频段中频段：通频带以内的区域中频段：通频带以内的区域放大器的增益、相角均为常数，不随放大器的增益、相角均为常数，不随f 变化变化。特点：特点：原因：原因： 所有电抗影响均可忽略不计。所有电抗影响均可忽略不计。 高频段：高频段： f fH 的区域的区域频率增大，增益减小并产生附加相移。频率增大，增益减小并产生附加相移。 特点：特点：原因：原因： 极间电容容抗极间电容容抗 分流分流 不能视为开路。不能视为开路。即即极间电容开路极间电容开路、耦合旁路电容短路。、耦合旁路电容短路。低频段：低频段： f fL 的区域的区域频

6、率减小，增益降低并产生附加相移。频率减小，增益降低并产生附加相移。 特点：特点：原因：原因： 耦、旁耦、旁电容容抗电容容抗 分压分压 不能视为短路不能视为短路第8页/共77页 幅度失真与相位失真实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：若不同频率信号呈现不同增益若不同频率信号呈现不同增益幅度失真幅度失真相位失真相位失真幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。若不同频率信号呈现不同相角若不同频率信号呈现不同相角由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。注意：

7、注意：线性失真不产生新的频率成份。线性失真不产生新的频率成份。一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真。一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真。视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。第9页/共77页 指放大脉冲信号时，电抗元件上的电压或电流指放大脉冲信号时，电抗元件上的电压或电流不能突变而引起的失真。不能突变而引起的失真。RC+- -vi- -vo+vit10vot0.10.9trRC+- -vi- -vo+vit0vott1 vot 1第10页/共77页非线性失真由三极管产生，它产生了新的频率成份。非线性失真由三极管产生，它产生了新的频率成

8、份。假设三极管基射间外加电压假设三极管基射间外加电压:tVvsinm则则TTBEQCQSCVvVVveIeIi利用付氏级数展开得：利用付氏级数展开得：.)(! 31)(! 211 3T2TTCQCVvVvVvIi.sin.2sinsinnm2m1m0tnItItII非线性失真系数：非线性失真系数：m122nmIITHDn第11页/共77页 RC电路的频率响应一、 RC低通电路二、 RC高通电路第12页/共77页频率特性曲线一、 RC低通电路RC+-io.UU HuffRCUUAj11j11io传递函数为：模：相角：21RC21fh式中：上限截止频率（上边频）2H)(11ffAu2H)(1log

9、20)(ffdbAu)arctg(Hff第13页/共77页0 p0.1 p10 pAv( )/dB - -20- -30 p0.1 p10 p A( ) - - 45 - - 90 - - 5.7 绘制渐近波特图：2PdB)(1lg20)(vA)arctan()(PA根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：幅频 p 时，PdBlg20)(vA = p 时，dB3)(dBvA相频oA0)( 10 p 时，oA90)( = p 时，oA45)(- -20dB/十倍频- -45 /十倍频第14页/共77页低通滤波器的渐近线 Bode 图 在 ffH 处幅频特性渐近线有3dB 的最大误差，在其

10、它频率上的误差均小于3dB。第15页/共77页 一般认为, f 0.1 fH 即为 f 10 fH 即为 f fH 。 幅频特性 在 ffH 时为一条斜率为20dB/10倍频程的直线； 相频特性 在 ffH 时为一条与横轴重合的直线， 在 0.1fH ffH 时为一条等于90的直线。 由此得到的其幅频特性和相频特性的 Bode 图。 第16页/共77页 确定上限角频率：0 p0.1 p10 pAv( )/dB - -200 p0.1 p10 p A( ) - - 45 - - 90 - -20dB/十倍频- -45 /十倍频归纳一阶因子渐近波特图画法：幅频渐近波特图：Pj11)j (vA已知

11、自0dB水平线出发，经 p转折成斜率为（20dB/十倍频）的直线。相频渐近波特图： 自0 水平线出发，经0.1 p处转折，斜率为(45 /十倍频)，再经10 p处转折为- -90 的水平线。dB3)(1lg20)(2PdBvA因 = p时， H = p第17页/共77页频率特性曲线传递函数为：模：相角：二、 RC高通电路ffRCRCUUALuj11j1jio21RC21fL式中：下限截止频率（下边频）2)(11ffALu2)(1log20)(ffdbALu)arctg(90Loff第18页/共77页0 p0.1 p10 p A( ) 45 90 绘制渐近波特图：2PdB)(1lg20)(vA)

12、arctan()(PA根据画出幅频波特图画出相频波特图0 p0.1 p10 pAv( )/dB - -2020dB/十倍频- -45 /十倍频幅频渐近波特图： p：0dB水平线； p：斜率为(20dB/十倍 频）的直线。相频渐近波特图： 0.1 p： - -90 的水平线。 0.1 p 10 p ：0 水平线。第19页/共77页 频率特性小结：频率特性小结： 复频域与频域， 1， 低通电压传递函数(相对于高频等效电路）( )111( )1( )oupipUsAsUsR CssR Csj 称为极点角频率。12pfR CHuffRCUUAj11j11io第20页/共77页2， 高通电压传递函数（相

13、对于低频等效电路）12pfRCffRCRCUUALuj11j1jio( )( )1( )ouipUsssAsUsssRC第21页/共77页三. 三极管的高频参数一、混合一、混合型高频小信号模型型高频小信号模型二、电流放大系数二、电流放大系数的频响的频响第22页/共77页一、混合一、混合型高频小信号模型型高频小信号模型简化：忽略rbc 、 rce1.等效电路第23页/共77页2.参数计算26(1)()bebbb ebbErrrmVrImA据e bbebbEe brrr)mA(ImV26)1 (r得ebebbbebmrUIIUg据)mS(I5 .38mV26)mA(IrgCEe bm得第24页/共

14、77页3.单向化)()()(sUsUsAiou)(1)()()()()()(1sAsUsYsUsUsYsIuioi)(11)()()()()()(2sAsUsYsUsUsYsIuoio)(1 )()(sAsYsYui)(11 )()(sAsYsYuo密勒定理第25页/共77页)()()(sUsUsAebou)(11 )()(1 )(sAsCsYsAsCsYucboucbicbeboebmcsCsUsUsUgsI)()()()()/()()(LCcoRRsIsULcbLcbmuRsCRsCgsA1)()(LCLRRR/ cbLcbmCRCg1LmuRgsA)(cbMcbLmMCCCRgC21Cb

15、c很小1 LmRg第26页/共77页 场效应三极管高频小信号模型(a) 场效应三极管高频小信号模型 (b) 单向化高频小信号模型 第27页/共77页 它是在低频模型的基础上增加了三个极间电容而构成的，其中Cgs、Cgd一般在10pF以内，Cds一般不到1pF。为了分析方便，用密勒定理将Cgd折算到输入和输出侧。只要保证折算前后的电流相等即可，于是从输入侧有gsgdgddsgsgd)1 (j1/j=UCACUUIu1|,/=gsdsuuAUUA一般为电压放大倍数式中gsgdgdgsgdj1/j=UCCUI第28页/共77页根据II.gdgd可得出从输出侧，根据gdgd=II可得出 对CS放大电路

16、，因dsL P1由主极点概念： H P1 结论： 三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。第54页/共77页 某运放技术指标：运放开环增益A140dB，3dB带宽7Hz。若组成反相比例运算电路，放大倍数100，问此电路通频带为多少？ 20lgA=140dB, A=10000000 开环增益A140dB10000000， 增益带宽比为常数， 10000000*7100X X=700000Hz =700kHz第55页/共77页例题例题 解：解：模型参数为 设共射放大电路在室温下运行，其参数为：，pF5 . 000MHz41001mA1001kcbTCbbsCfIrR。 k5cR试计算它的低

17、频电压增益和上限频率。 mgTEVImV26mA1 S 038. 0 ebrmgS 038. 0001 k 6 . 2 ebCcbTm2 Cfg pF 8 .14 usmAcmRg ebbbseb rrRr51.133 Ceb CMC pF 5 .111 低频电压增益为 R)(bbs rReb/ r k 77. 0又因为所以上限频率为 HfRC 21MHz 85. 1 usmAlg2051.133lg20 dB 5 .42 MCcbcm)1( CRgpF 7 .96 第56页/共77页5.4 多级放大器的频率响应一， 多级放大器的频率响应1、多级放大器的幅频特性 n 级放大器的幅频特性为 只要

18、将各级放大器的幅频特性曲线在同一个坐标系中叠加，就可得到多级放大器的幅频特性曲线。多级放大器的下限频率比任何一个单级放大器的下限频率都高，而上限频率比任何一个单级放大器的上限频率都低。 | )()()(|lg20| )(|lg2021jAjAjAjAnvsvsvsvs | )(|lg20| )(|lg20| )(|lg2021jAjAjAnvsvsvs 第57页/共77页2、多级放大器的相频特性n 级放大器的相频特性为只要将各级放大器的相频特性曲线在同一个坐标系中叠加，就可得到多级放大器的幅频特性曲线。 n 21二，多级放大器的通频带1、多级放大器的上限频率 在高频段，多级放大器的放大倍数可表

19、示为 nkHkkvsvsHAjA1201| )(|第58页/共77页令 nkkvsvsAA100|则 nkHknkHkvsvsHffAjA121201111|)(|nkHkHff122111因为 fH 是 下降到 的 倍时对应的工作频率，因此有 | )(|jAvsH|0vsA21第59页/共77页利用 fH/fHk1，将上式中的高次项忽略，可得多级放大器的上限频率fH 的近似计算公式 nkHkHff122111222211111HnHHHffff 当各级放大器的上限频率相同即均为 fH1 时，有 第60页/共77页2、多级放大器的下限频率 与高频段的分析近似，在低频段，多级放大器的电压放大倍数

20、为 2121nHHff12/11nHHffnkLkkvsvsLAjA1201| )(|第61页/共77页由此可得多级放大器的下限频率fL的近似计算公式 当各级放大器的下限频率均为 fL1 时，则有 22221LnLLLffff 12/11nLLff第62页/共77页 3、多级放大器的通频带多级放大器的通频带为 LHffBW 因为 fHfLk，因此多级放大器的通频带小于任何一个单级放大器的通频带。 第63页/共77页1）写出电路传递函数表达式 A(s) q 频率响应分析步骤频率响应分析步骤 复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式： )1 ()1)(1 ()(21InpspspsAsA 2）令

21、s = j ，写出频率特性表达式 A(j )设极点均为负实数( ( p p = = - - p ) )，则)j1 ()j1)(j1 ()j (pn2p1pI AA4）确定上、下限角频率 3）绘制渐近波特图第64页/共77页q 多极点系统多极点系统频率响应频率响应 利用RC低通电路分析结果，得传递函数表达式 ：)/1)(/1)(/1 ()(p3p2p1IsssAsAvv式中11P11CRC1R1+- -+- -vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3 如图所示的三级理想电压放大器，Ri ，Ro 0。试画渐近波特图，并求 H 。已知 R1 C1 R2 C2 R3 C322P21CR33P31CR

22、321IvvvvAAAA第65页/共77页 频率特性表达式：2P32P22P1IdB)(1lg20)(1lg20)(1lg20lg20)(vvAAP3P2P1A/arctan/arctan/arctan)()/j1)(/j1)(/j1 ()(p3p2p1IvvAsA幅频及相频表达式： 均为单阶因子波特图的叠加。假设dB60IvAP1P2P3100100 p20.1 p110 p3 A( ) - - 90 p1 p3- - 180 - - 270 0 p2 p1 p3Av( )/dB 204060- -20 p3- -20dB/十倍频- -40dB/十倍频- -60dB/十倍频- -45 /十-

23、 -90 /十- -45 /十第66页/共77页归纳多极点系统渐近波特图画法：幅频渐近波特图： 自中频增益AvI( (dB)的水平线出发，经 pn转折成斜率为（20ndB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：自0 水平线出发，经0.1 p1处开始转折，斜率为： (45 /十倍频）乘以（单阶因子重叠的段数），再经10 pn ，转折成- -90 n的水平线。)/j1)(/j1)(/j1 ()(p3p2p1IvvAsA已知第67页/共77页 确定上限角频率：根据定义，当 = H时：2)(1 )(1)(1 )(I2P3H2P2H2P1HIHvvvAAA即2)(1 )(1)(1 2P3H2P2H2P1H整理

24、并忽略高阶小量得：23P22P21PH/1/1/11上限角频率若 p2 4 p1 ，则称 p1为主极点， p2 、 p3为非主极点。P1H上限角频率取决于主极点角频率：第68页/共77页 电子设备中，为改善电路频率响应，常要求放大电子设备中，为改善电路频率响应，常要求放大器具有很高的上限频率（几器具有很高的上限频率（几MHz 几千几千MHz ）。）。 扩展上限频率的方法：扩展上限频率的方法： 改进集成工艺，通过提高管子特征频率fT 扩展 fH。 在放大电路中引入负反馈扩展上限频率fH。 利用电流模技术扩展上限频率fH。 利用组合电路扩展上限频率fH。第69页/共77页 共发共发共基组合电路共基

25、组合电路 三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。Vs(s)+ - -RL+ - -RST1T2Vo(s)+ - -RL+ - -RST1T2Vs(s)Vo(s) 共集共集共发组合电路共发组合电路 因为共基电路Ri2小因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输出节点因为共集电路RO1小因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输入节点第70页/共77页共集- -共发- -共基组合电路差放恒流偏置T7、T8射随器作输出级T1VCCvi1VEEvi2R5T4T2T3T5T6vo1vo2R6T7T8R7R8R9R2R1T9R3R4第71页/共77页 跨导线性环电流放大器跨导线性环电流放大器C4C2C3C1iiii由图则)2()2(odOQidI