放大电路频率特性PPT课件

1、3.1 3.1 频率特性的一般概念频率特性的一般概念 通常放大电路的输入信号不是单一频率的信号，而是由各种不同的频率分量组成的复杂信号。放大电路存在耦合电容；旁路电容，三极管存在结电容，电路联线间存在分布电容。Rb1Rb2RCRERLC1C2CERSUSU0UCCCjCjCFCFCFCF这些电容的容量对不同频率信号放大时，对其幅值和相位则不相同，所以放大倍数是频率的函数。因此放大电路存在频率响应，又称为频率特性。1. 频率特性 ：第1页/共63页1).1).人为接入的电容：人为接入的电容： （容量较大，为（容量较大，为F F 数量级）数量级） 耦合电容耦合电容 ： C1 ；C2 旁路电容旁路电

2、容 ： CeRb1Rb2RCRERLC1C2CERSUSU0UCCCjCjCFCFCFCF2).2).客观存在的电容：客观存在的电容： （容量较小，为（容量较小，为pFpF 数量级数量级) ) 结电容结电容 ： Cj 分布电容：分布电容： CF第2页/共63页复合信号tui0输 入 信 号 的 合 成第3页/共63页第4页/共63页7. 7. 考虑电容影响的等效电路考虑电容影响的等效电路 下面我们以电阻与电容这两种无源元件组成的网络来分析输出电压与输入电压的关系。第5页/共63页)(iCoCUj XURj X 输 出 从 电 容 两 端 取 出 ：12CXf C1()2ioCCURURj XX

3、f C输 出 从 电 阻 两 端 取 出 ：第6页/共63页RC 低通电路的幅频与相频特性 (无配音）RC 高通电路的幅频与相频特性 （无配音）第7页/共63页综上所述，共射极放大电路的电压放大倍数在三个频区是频率的函数，其表达式为 uuAAAu-放大倍数的幅值 -放大倍数的相位角中 频 区高 频 区低 频 区第8页/共63页 失真 失 真第9页/共63页 实验证明放大电路中的耦合电容和旁路电容主要影响低 频特性。三极管的极间电容和电路的分布电容主要影响高频 特性。三极管的电流放大系数、在三个频区随着频率的变化而变化。即它们也是频率的函数。 00 在高频区与 f 的关系 ： 01fjff f

4、信号工作频率 f f 三极管的截止频率 0 0 中频区的值f fT T特征频率第10页/共63页 fftg1幅角20ff1 模值20ff1 当 f = f 时， = 0.707 0 当 值下降到0 的 0.707 倍时所对应的频率定义为三极管 的截止频率。 第11页/共63页当 值下降到 1 时所对应的频率定义为 的特征频率 f T 。当 f = f T 时 , =1112ff0T 得到0Tff ffj10f，f，fT 三者之间的关系： fff0T1ffT 一般定义 下降到0 的0.707倍时所对应的频率f为的截止频率。第12页/共63页rberbbrbcrberbbrbcb eUmbeg U

5、cIbIbeU第13页/共63页cerbb cebIbbr ebr cI Cmbeg U Ccbr 阻值大beU受控源用 表示，而不用 表示，其原因是 不仅包括流过 的电流还包括流过电容C的电流。因此 不再与控制电流 成正比，理论分析证明受控源与电压 成正比。g m 称为跨导,它表示 变化 1V 时集电极电流 的变化量，其单位为 mA/V 。mb eg Uebr beUbI bIcIcIbIbeU第14页/共63页 由于在低频区和中频区，三极管的结电容C，C视为开路，型混合等效电路图a所示。与图b的h参数等效电路相比可得两种等效电路参数之间的关系。从两图上可得： EQbbebbbbeI261r

6、rrr EQEQebI26I261rbbbeb errr对比可得：图 a 第15页/共63页m b becbg I rII则。约约为为几几十十千千欧欧姆姆左左右右，于于约约等等几几百百欧欧姆姆，约约等等于于几几十十对对小小功功率率三三极极管管其其V/mAg1rrmebbbb ebb ecmb embb eUIrIgUgIr对图a：，的的大大小小呢呢？怎怎样样确确定定mgcbII对图b ：， 在中频区与低频区两图等效。2626EQmb eEQIgrI图 a 第16页/共63页2. 2. 高频区简化的混合型等效电路 高频区三极管极间电容容抗不可忽略。由于C跨接在 b 两极之间 ，计算时列方程比较困

7、难，所以用密勒定理 将C分别折算到输入端等效电容 C和输出端的等效电容 C来代替。cb eUmbeg UcIbI第17页/共63页1CKC 121111bebebeUKUUIjCj CKj C 1ceb eUKKU 若令：，将 值代式中得： 111ceb eb eb eceCUUUUUIzjC C折算为输入端电容的分析mLKg RIb eUceU比较 ，两式,可知跨接在 之间的C和并在 之间的电容 等效。即 ：be、Cb、c第18页/共63页 C C折算到输出端等效电容的分析折算到输出端等效电容的分析若从输出端向左看，则有：111b ecec eceb eUUUUUIjCjC 11111111

8、1+cecececeUUUUKKjCjCjCjCKK11CCK 其 中 ：b eUIceU得：表明从c、e两端看进去， C的作用并联在 c、e两端的电容 等效。即 ：C11CCK 第19页/共63页三极管的混合型等效电路：CCCCCberbIcImbeg UbeUcerbb cebIbbr ebr cI Cmbeg U Ccbr beU11CCK 1CKC 完整混合型电路：混合型等效电路：二者变换关系：第20页/共63页 分析它的频率特性时，可以将 RL 和 C2 视为下一级的耦合电容和输入电阻。这样分析问题会更简单。若画出共e极放大电路混合型等效电路则如下图所示。3.3 共发射极放大电路的频

9、率特性UoC1RbRC共射极型等效电路CCberbIcImbeg UbeUSRiUSU+UCCC2C1RSUSRbRCRL+第21页/共63页放大电路频率特性的分析方法：放大电路频率特性的分析方法：a. 将放大电路分为中频、低频和高频三个工作区域。将放大电路分为中频、低频和高频三个工作区域。b. 分别画出三个区域的微变等效电路。分别画出三个区域的微变等效电路。c. 分别写出电路在三个区域频率特性的表达式。分别写出电路在三个区域频率特性的表达式。d. 求出相应的参数求出相应的参数Ausm、fH和和fL。e. 画出幅频和相频特性曲线画出幅频和相频特性曲线。第22页/共63页中频区频率特性的分析及中

10、频放大倍数 Ausm在中频区，所有电容容抗均不考虑，即耦合电容，旁路电容应短路，极间电容、分布电容应开路，其等效电路如上图所示。考虑电源内阻时中频区放大倍数的定义式为：ou s mSUAUCC1bbcICRbrbbrbegUbemRCU0中频段等效电路USRSUi+第23页/共63页ib eb eibbb eUrUp UrrsiisiUrURriomcb emcssirUg R Ug R pURr ebbbebrrrp 式式中中 ebbbbirr/Rr 0imSCSiiusmmCSSSirg U R PURrrAg R PUURr 则得：bbcICRbrbbrbegUbemRCU0中频段等效电

11、路USRSUiUbe+第24页/共63页上式中负号说明输出电压与输入电压反相，与利用 h参数 计算相同。上面推出的公式与 h参数推出的公式应是一致的。b eb ebbb eberrprrrCQebI26r 26IgCQm 2626CQiiusmmcCsiCQbesicibesiIrrAg R pRRrIrRrRrrRr 第25页/共63页低频区放大倍数 AusL 及波特图 在低频区耦合电容 C1 的容抗不能忽略，而三极管的极 间电容仍然视为开路，耦合电容 C2 可以看作下一级的耦合 电容，其等效电路如上图。USRSC1RbRCC2RLUCCbbcRbrbbrbeRCU0低 频 段 型 等 效

12、电 路USRSC1UbegmUbe 我们对低频区的分析，目的就是找出放大电路在电路参数选定的情况下，怎样确定电路的下限截止频率。+第26页/共63页考虑信号源内阻时低频区电压放大倍数S0uslUUA 111CsisiisisiUrUrURrzRrjC/ /ibbbb erRrr式中放大器输入电阻：信号的工作角频率UCCC2C1RSUSRbRCRLRSZC1riSUiU第27页/共63页1111imcsSiSirgRpURrj c Rr011imb eCmcssirUg U RgRp URrj C ibebebeibbbebbbeU rrUp Uprrrr（）rbb低 频 段 型 等 效 电 路

13、bbcRbrbeRCRSC1riSUoUb eUmb eg UiU第28页/共63页01111iusLmcSsiSiUrAgRpURrj C Rr111usmlAj 1lSiCRr式中： 111122llsifRrC （1）式是一个很有用的公式，它说明了放大电路下限截 止频率由 C1 所在的回路的时间常数决定。iusmmcsirAgRpRr 第29页/共63页设信号工作角频率 代入低频区电压放大倍数中得：2 f所以可得低频电压放大倍数的幅值和幅角为：21u smu sllAAff0101180180llfftgtgff 11111111122uslusmusmusmlllAAAAfjjfjff

14、12luslusmlffAAf当时， 为下限频率。第30页/共63页2. 波特图：波特图： 利用取对数的方法可以作出幅频特性和相频特性。利用取对数的方法可以作出幅频特性和相频特性。 220log20log20log1luuslusmfGAAf220log1lufGf 设第二项为：| Ausm| = 100 ， 则 20 log|Ausm| = 40dB幅频特性由两项组成，第一项是中频区的增益，第二项是 随着频率变化的一项。为了作图清楚，设第一项为常数。 21usmusllAAff 幅频特性第31页/共63页220log20log20log140luuslusmufGAAfG2(1)1020lo

15、g 10.10lluffffG 当时，如取， 则2,0.1,20log 11020lluffffGdB (3)当时 取则2,20log113luffGdB (2)当时 则3dB折线曲线修正曲线Gu/dBlogf0.1flfl10fl4037200第32页/共63页当两项相加，则得折线曲线如图所示。但考虑 f = fl ，Gu =3dB ，所以修正为如图所示的修正曲线。这条曲线表明了在低频区时放大倍数幅值随频率变化的关系。3dB折线曲线修正曲线Gu/dBlogf0.1flfl10fl4037200第33页/共63页 相频特性 的波特图01180lftgf 当 f f l 时，取 f = 10 f

16、 l 则118018010llftgf 1804513511018090llftgf 当 f = f l 时， 当 f f h 时时 ，设，设 f = 10 f h 时，时，= 270 f = f h 时 ， = 225 ff h 时，设时，设 f = 0.1 f h 时，时， = -180logf0.1fh10fhfh-180-225-2705.715.71实际曲线理想曲线第41页/共63页共发射极放大电路的频率特性 分析它的频率特性时，可以将 RL 和 C2 视为下一级的耦合电容和输入电阻。这样分析问题会更简单。若画出共e极放大电路混合型等效电路则如下图所示。UCCC2C1RSUSRbRC

17、RLbbcICCRbrbbrbegUbemRCU0共射极型等效电路第42页/共63页1 中频区频率特性的分析及中频放大倍数 AusmCC1bbcICRbrbbrbegUbemRCU0中频段等效电路USRSUiUbe0iusmmCSSiUrAg R PURr 第43页/共63页2 低频区放大倍数 AusLUSRSC1RbRCC2RLUCCbbcRbrbbrbeRCU0低 频 段 型 等 效 电 路USRSC1UbegmUbe11uslusmLAAfjf11122LLsifRrC放大电路下限截止频率由 C1 所在的回路的时间常数决定。第44页/共63页高频区由于频率增高，耦合电容视为短路，而极间电

18、容的 容抗不可忽略，其型等效电路见下图。SUSRbRbbr iUebr ebmUg CCRir0UebU 1C变换后的等效电路如下图所示: UbeRSbCegmUbeRCU0CSU11ushusmhAAfjf CR2121fhh第45页/共63页11u smu sLHAAffjjff 将中频段，低频段，高频段的电压放大倍数综合在一起可得共发射极放大电路在全频段的电压放大倍数表达式。完整的频率特性曲线 ( 波特图 )iusmmcsirAg R pRrbwHLHffff12/ /(/ /)Hb ebbsbfrrRRC CCRg1Ccm 为了使频带展宽，要求 f H 尽可能地高。故应选择 小的管子且

19、要求管子的 和 小，同时也减小了中频区的放大倍数。显然，提高频带宽度与提高放大倍数是矛盾的。 cebr bbr mCHmCusmg RCfg RA第46页/共63页 上式告诉我们一个趋势，放大倍数 提高了频带就变窄，反之若展宽频带放大倍数就一定降低。 LhbwbbhusmbwusmfffcrRs21fAfA 令令第47页/共63页RC21f 令令 耦合电容C2 所决定的下限频率 20L2lCrR21f u02c2cAUUxf当频率下降时，由于C2 容抗的影响，将使放大倍数降低，其流程图如下：C2r0RLU0第48页/共63页 射极旁路电容C e 所决定的下限频率 1Rr/RC21fbbeee3

20、L上式中： 1Rr/RccrbbeeeesbbbbeeR/RR,1Rr/Rr ：式式中中 输出端CO（分布电容和负载电容）所决定的上限频率当输出端带有容性负载时，对低频区，中频区 XC0 可以视为开路，而对高频区必须考虑它对上限频率的影响。由C0 决定的时间常数为：LCLL0R/RRRc L0hRc21f 第49页/共63页 多级放大电路的通频带 f bw 2h1h2L1L2usm1usmff,ff,AA un2u1uuAAAA 按按定定义义：2usm2usm1usmum1AAAA 21usm2usm1usm2usL1usLuslA5 . 0A707. 0A707. 0AAA 21usm2us

21、m1usm2ush1ushushA5 . 0A707. 0A707. 0AAA 在中频区放大倍数：在低频区放大倍数： 在高频区放大倍数： 时时当当2h1hfff 时时当当2L1Lfff 设有一个两级放大器，放大倍数相等，上限频率，下限频率分别相等。即第50页/共63页21usm2usm1usmusmAAAA 1usm1usmusm2Alog40Alog202Alog20 第51页/共63页 （无配音）显然，要画两级放大电路的幅频特性只要把单级放大电路 的幅频特性加大一倍即可。由图上可以看到， f L f L1 ， f h f h1 ， 则 ： f bw = f h f L f bw1 = f

22、h1fL1 即多级放大器的通频带比单级放大器的通频带窄。第52页/共63页 多级放大电路上，下限频率的计算可以证明多级放大电路的上限频率与组成它的各级放大电路的上限频率满足下式：hn22h21h2hf1f1f11.1f1 2ln22l1l2lfff1.1f 在实际的电子电路中，各级的参数很难完全相同，当各级上下限频相差较大时一般均采用起决定作用的那一级作为估算的依据。其下限频率满足下式：例如 多级放大器中，某一级的上限频率为 f hk 比其他的上限频率小，而其下限频率f Lk又比其他的下限频率大，则可以取 f hf hk ， f Lf Lk 为多级放大器的上下限频率, 其通频带 f bw =

23、f hkf Lk 。第53页/共63页例题 ：单级共发射极放大电路如图，参数已标在图上。如果所需的下限频率 f L =100HZ ，问单独考虑C1 ，C2 ，Ce 的影响时，它们的容量如何选择，设 rbe =1k，=50 。UiUSRSC1C2CeReRbRCRLgmUberberbbUSRS1KC1Rb5KRC2KC2RL1KUCC=12VRe0.3KCe+UiU0等效电路：第54页/共63页CeReC2 解 ： 单独考虑 C1 单独作用时，可以将 C2，Ce视为短路，其等效电路如图所示。 bebs11cr/RRc UiUSRSC1RbRCRLgmUberberbbC1RSRbrbeBEUS

24、BECB第55页/共63页 bebs11c1Lr/RRc2121f F87. 010/1051010028. 61r/RRf21C333beBSL1 考虑 C2 单独作用时，C1 ，Ce 的容量足够大视为短路。其等效电路为图所示。CeReC1C2UiUSRSRbRCRLgmUberberbbC1RSRbrbeBEUS第56页/共63页先求出 C2 所在回路的时间常数： 0L22LrRc c0LC22LLRrRRC2121f2 ， F53. 01010210028. 61RRf21C33LC2L2 C2r0RLceAmosUs第57页/共63页C1C2ReUiUSRSCeRbRCRLgmUberberbb 考虑 Ce单独作用时，认为C1，C2 容量足够大，其等效 电路如图。eeRx视视为为开开路路eR第一种方法： 92.151010010014. 321fC21XF100C6eCee，则，则