模拟电子线路(模电)频率特性课件

1、1 概述 2 RC电路的频率响应 3 三极管的高频小信号模型 4 共射放大电路的频率特性 5 多级放大器频率特性,放大电路的频率特性,1,PPT学习交流,一、频率响应：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,频率范围：,音频话音：300-3400Hz 音乐：20-15KHz 视频图象：0-6MHz,2,PPT学习交流,二、频率特性,幅度频率特性 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,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,3,PPT学习交流,阻容耦合放大的频率特性和频率失真,中频段：电压

2、放大倍数近似为常数。 低频段：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。 高频段：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。,4,PPT学习交流,波特图（Bode） 半对数坐标,dB(decibel):分贝 Au(db)=20logAu,Au: 10 102 103 10-1 10-2 Au(db): 20 40 60 -20 -40 -3,优点：1、乘加 2、人耳对声能的辨别能力与其对数成正比,5,PPT学习交流,产生原因: 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;,2.三极管的

3、()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,6,PPT学习交流,放大器的失真,频率失真,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。,失真类型,一般而言，放大器中含有电抗元件。在正弦信号激励下，不同频率呈现不同电抗，因而放大器增益应为频率的复函数：,7,PPT学习交流,波特图,在半对数坐标纸上描绘的频率特性曲线即波特图。,(对数刻度),(对数刻度),(线性刻度),(线性刻度),增益分贝值：,通频带：,对应上限频率fH 、,及下限频率fL 。,增益下降到 时，,fH,fL,8,PPT学

4、习交流,频率特性的三个频段,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f 变化。,特点：,原因：,所有电抗影响均可忽略不计。,高频段： f fH 的区域,频率增大，增益减小并产生附加相移。,特点：,原因：,极间电容容抗 分流 不能视为开路。,即极间电容开路、耦合旁路电容短路。,低频段： f fL 的区域,频率减小，增益降低并产生附加相移。,特点：,原因：,耦、旁电容容抗 分压 不能视为短路,9,PPT学习交流,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：,若不同频率信号呈现不同增益,幅度失真,相位失真,幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。,若不同频率信

5、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。,注意：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。,视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。,10,PPT学习交流,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。,瞬变失真,11,PPT学习交流,非线性失真,非线性失真由三极管产生，它产生了新的频率成份。,假设三极管基射间外加电压:,则,利用付氏级数展开得：,非线性失真系数：,12,PPT学习交流,RC电路的频率响应,一、 RC低通电路 二、 RC高通电路,13,PPT学习交流,频率特性曲线,一、 RC低通电路,传递函数为：,模：,相

6、 角：,14,PPT学习交流,绘制渐近波特图：,渐近波特图画法：,幅频, p 时，, p 时，, =p 时，,相频, 0.1p 时，, 10p 时，, =p 时，,-20dB/十倍频,-45/十倍频,15,PPT学习交流,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，在其它频率上的误差均小于3dB。,16,PPT学习交流,一般认为, 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 时为一条等于90的直线。 由此得到的其幅频特性和相频特性的 Bode 图。,17,PPT学习交流,确定

7、上限角频率：,-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：,已知,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0.1p处转折，斜率为(45/十倍频)，再经10p处转折为-90的水平线。,因 =p时，,H =p,18,PPT学习交流,频率特性曲线,传递函数为：,模：,相 角：,二、 RC高通电路,19,PPT学习交流,绘制渐近波特图：,20dB/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：,10p ：0水平线。,20,PPT学

8、习交流,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）,称为极点角频率。,21,PPT学习交流,2， 高通电压传递函数（相对于低频等效电路）,22,PPT学习交流,三. 三极管的高频参数,一、混合型高频小信号模型 二、电流放大系数的频响,23,PPT学习交流,一、混合型高频小信号模型,简化：忽略rbc 、 rce,1.等效电路,24,PPT学习交流,2.参数计算,25,PPT学习交流,3.单向化,密勒定理,26,PPT学习交流,Cbc很小,27,PPT学习交流,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,28,PP

9、T学习交流,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,29,PPT学习交流,而输入回路的高频时间常数为,30,PPT学习交流,于是可得场效应三极管的简化高频小信号模型，如图所示。,简化高频小信号模型,31,PPT学习交流,二、 的频响,1.共射截止频率,f=f时， 下降到0的0.707倍。,32,PPT学习交流,，因此上式又可简化为,2、特征频率fT 随着频率的增大而减小，当工作频率使得 |1时，对应的工作频率为特征频率fT。,

10、33,PPT学习交流,当 f = fT 时, 有,34,PPT学习交流,由此可做出的幅频特性和相频特性曲线， 如图所示。 三极管的幅频特性和相频特性曲线图,当=1时对应的频率称为 特征频率fT，且有fT0f,当20lg下降3dB时,频率f 称为共发射极接法的截止频率,35,PPT学习交流,共基极截止频率f,所以,为保证电路在最高工作频率 fm 时 仍具有较大的电流放大能力，要求 fT 必须大于3fm。,36,PPT学习交流,例：已知某放大电路的波特图如图所示，试求：（1）电路的中频电压增益及其分贝数；（2）电路的下限频率fL和上限频率fH； （3）电路的电压放大倍数的表达式。 （1）1000，

11、60dB （2）10Hz，10000Hz （3）,37,PPT学习交流,二、 高频段小信号微变等效电路 三、 低频段小信号微变等效电路,四 共射放大电路的频率特性,一、 全频段小信号模型,38,PPT学习交流,一、 全频段小信号模型,以共射放大电路为例，全频段小信号模型如图:,CE接法基本放大电路,全频段微变等效电路,分低、中、高三个频段研究。,前述电路分析默认为中频段！,大C短，小C断! 无频率影响！,39,PPT学习交流,显然这是一个RC低通环节，其时间常数,二、 高频段小信号微变等效电路,将全频段小信号模型中的C1、C2和Ce短路,于是上限截止频率fH=1/2H 。,40,PPT学习交流

12、,41,PPT学习交流,共射放大电路高频段的波特图,幅频响应 ：,相频响应 ：,42,PPT学习交流,三、 低频段小信号微变等效电路,保留C1、C2和Ce，忽略CM。,L1=(RB /rbe)+rSC1 L1=Ri+rSC1 L2=(Rc +RL)C2 L2=(Ro +RL)C2 L3=Re / (RS+rbe)/1+Ce 式中RS = rS/ RB,低频段微变等效电路,该电路有三个RC高通电路环节！,43,PPT学习交流,在波特图上可确定fL1和fL2 ，分别做出二条曲线，然后相加。,设fL1fL2，大45倍,可将最大的fL作为下限截止频率做波特图。,44,PPT学习交流,单级基本放大电路的

13、波特图,综合：总电压放大倍数的复数形式为,45,PPT学习交流,4. 完整的共射放大电路的频率响应,46,PPT学习交流,（1）通频带：,（2）带宽-增益积： fbwAum,BJT 一旦确定，带宽增益积基本为常数,5. 频率失真由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。,两个频率响应指标：,47,PPT学习交流,几点结论：,3.三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因，上限截止频率由高频时间常数中较大的一个决定；,2.放大电路的耦合电容、旁路电容是引起低频响应的主要原因，下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定；,1. C：CM 、C1、C2、Ce R: 与各电

14、容构成回路的等效电阻值。,48,PPT学习交流,4.由于,若电压放大倍数Au增加，CM也增加，上限截止频率就下降，通频带变窄。增益和带宽是一对矛盾，所以常把增益带宽积作为衡量放大电路性能的一项重要指标。 若管子参数给定,则增益带宽积=常数,5.CB组态放大电路由于输入电容小，所以CB组态放大电路的上限截止频率比CE组态要高许多。,49,PPT学习交流,共发电路增益带宽积GBW,定义,其中,1）选rbb小、 Cbc小、T高的三极管使GBW 。,若D 1，则H T ，此时上限角频率最高。,2） 管子选定后,采用恒压源（ RS 0）激励：,采用恒流源（ RS ）激励：,D 1时，H ，上限频率降低。

15、,3） RL D H ，但AvsI 。需兼顾两者。,50,PPT学习交流,提高共发电路上限频率的方法：,此时，共发电路上限角频率H最高，且接近管子特征角频率T 。,51,PPT学习交流,共集放大器,共集和共基放大器的高频特性,由于,因此，Cbc可忽略不计。,令 RL =rce/ RE / RL,52,PPT学习交流,由简化等效电路：,式中,极点角频率：,并联在Cbe两端的总电阻,53,PPT学习交流,共基放大器,由图,整理得,受控源,其中,54,PPT学习交流,由简化等效电路：,式中,由于Cbc很小，因此当RL较小时: P2 P1,由主极点概念：,H P1 ,55,PPT学习交流,某运放技术指

16、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,56,PPT学习交流,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,57,PPT学习交流,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

17、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。,58,PPT学习交流,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。,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示为,59,PPT学习交流,令,则,因为 fH 是 下降到 的 倍时对应的工作频率，因此有,60,PPT学习交流,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,当各级放大器的上限频率相同即均为 fH1 时，有,61

18、,PPT学习交流,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为,62,PPT学习交流,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,63,PPT学习交流,3、多级放大器的通频带 多级放大器的通频带为,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。,64,PPT学习交流,1）写出电路传递函数表达式 A(s),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：,2）令 s = j，写出频率特性表达式 A(j),设极点均为负实数( p = -p )，则,4）确定上、下限角频率,3

19、）绘制渐近波特图,65,PPT学习交流,多极点系统频率响应,利用RC低通电路分析结果，得传递函数表达式 ：,式中,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 C3,66,PPT学习交流,频率特性表达式：,幅频及相频表达式：,均为单阶因子波特图的叠加。,-20dB/十倍频,-40dB/十倍频,-60dB/十倍频,-45/十,-90/十,-45/十,67,PPT学习交流,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

20、线出发，经0.1p1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10pn ，转折成-90n的水平线。,已知,68,PPT学习交流,确定上限角频率：,根据定义，当 =H时：,即,整理并忽略高阶小量得：,若p2 4p1 ，则称p1为主极点， p2 、 p3为非主极点。,上限角频率取决于主极点角频率：,69,PPT学习交流,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MHz 几千MHz ）。,宽带放大器,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。,70,PPT学习交流,组合电路宽带放大器,共发共基组合电路,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，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。,共集共发组合电路,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