第十一讲频率特性基本概念和波特图.ppt

1、第五章 放大电路的频率特性,前面几章在分析基本单元电路的特性和指标参数时，均假设输入信号为放大器中频段的单一频率正弦信号。因此电路的耦合电容、旁路电容、分布电容以及半导体器件的极间电容、结电容等均可忽略不计，采用BJT或FET的交流小信号线性模型对电路进行微变等效分析。,然而在实际应用中，电子电路所处理的信号，如语音信号、电视信号等都不是简单的单一频率信号，它们都是由幅度及相位都有固定比例关系的多频率分量组合而成的复杂信号，即具有一定的频谱。如音频信号的频率范围从20Hz到20kHz，而视频信号从直流到几十兆赫。,由于放大电路中存在电抗元件，使得放大器可能对不同频率信号的放大倍数和相移不同。放

2、大电路对不同频率信号的幅值放大不同，就会引起幅度失真；放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。,为实现信号不失真放大，我们需要研究放大器的频率特性。,主要内容：,5-1 放大电路频率特性的基本概念 5-2 放大电路的复频域分析法 5-3 基本放大器高、低截止频率的估算,重点：,1、幅频特性、相频特性、通频带、频率失真、 增益带宽积、主极点的概念；,2、放大电路的波特图,难点：,2、放大电路波特图的画法,3、基本放大器高、低截止频率的估算,4、基本放大器的频率特性分析,1、主极点的概念,第五章 放大电路的频率特性,5-1 放大电路频率特性的基本概念,一、频率特性和通频带,1、什么叫

3、频率特性,放大电路对不同频率的信号呈现出不同的放大倍数和相位差，以阻容耦合放大电路为例：,-105,25,76,-180,44,-225(45 ),仿真,频率特性是指放大器放大倍数的数值以及输出信号和输入 信号的相位差随输入信号的频率而变化的函数关系。,放大倍数的幅值与频 率的关系。,输出信号与输入信号的 相位差与频率的关系。,中频区增益最高,低频区增益下降,高频区增益下降,产生超前附加相移,产生滞后附加相移,相差约180,2、阻容耦合放大电路的频率特性定性分析,在中频范围：,大电容的容抗小，视为短路；小电容的容抗大，视为开路。交流通路是一个纯阻性的电路，电路参数Au、Ri、RO等均为与频率无

4、关的常数。,在低频段：,耦合、旁路电容的容抗增大，分压作用增大，旁路作用减弱，导致增益下降并产生超前附加相移。,在高频段：,极间电容、分布电容等容抗减小，分流作用增大，而且下降，导致增益下降并产生附加相移。,低频段主要受耦合电容旁路电容影响,高频段主要受三极管的结电容或极间电容影响,仿真,3、通频带以及上、下限截止频率的概念,在低频段和高频段，增益的幅值下降至中频增益Au0的70.7%（即下降3dB)时所对应的频率分别称为下限截止频率和上限截止频率。,下限截止频率fL ，简称下限频率,上限截止频率fH ，简称上限频率,通频带BW（3dB带宽） ：,（也称为3dB截止频率、半功率点）,4、直接耦

5、合放大电路的频率特性定性分析,直接耦合放大器没有耦合或旁路电容，在低频段不会因大电容上压降的增大而使电压放大倍数降低，也不会产生附加相移。,仿真,频率失真（线性失真）与非线性失真的比较：,二、频率失真和增益带宽积,1、频率失真（线性失真）：,幅频失真：,相频失真：,放大电路对输入信号不同频率分量的幅值不是等同放大而产生的输出波形失真。,放大电路对输入信号不同频率分量的相移不同而产生的输出波形失真。,基波,二次谐波,2、增益带宽积：,增益与带宽是互相制约的，在一定的条件下增益带宽积是一个常数：,任何放大电路都有一个确定的通频带，我们在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围；在设计放大电路时

6、，应能满足信号频率范围的要求。,（综合指标）,二、频率失真和增益带宽积,1、频率失真（线性失真）：,幅频失真：,相频失真：,放大电路对输入信号不同频率分量的幅值不是等同放大而产生的输出波形失真。,放大电路对输入信号不同频率分量的相移不同而产生的输出波形失真。,基波,二次谐波,5-2 放大电路的复频域分析,分析放大电路频率特性的方法：分频段复频率分析法,分频段 ：将电路按低频段、中频段和高频段分别进行分析。在每个频段分析时，根据其工作特点抓住影响该频段的主要参数对电路进行简化，得到各频段的微变等效电路。,复频率分析法 ：将电阻、电容、电感用复阻抗表示，得到各频段增益的传输函数，进而得到频率特性，

7、最后将三个频段的结果综合起来就得到电路的全频段响应。,一、复频域中放大电路的传输函数,1、线性网络的复频域传输函数与频率特性,令S = j，系统的稳态频率响应：,常数,零点,极点,求出零点和极点后，上式可以表示为：,线性网络复频域传输函数的一般表达式,（2）放大电路增益函数的特点, 零点数目肯定不会大于极点数目。, 所有极点都位于复平面的左半平面上。, 极点数目等于电路中“独立”电抗元件的数目。（P189）,（放大电路是可实现的线性时不变系统）,（放大电路应该是稳定的系统）,2、放大电路的增益函数及其特点,（1）放大电路增益函数的通式：,对于放大器，增益就是放大器的传输函数，,二、高通电路和低

8、通电路,1、高通电路,2、低通电路,1、中频段增益函数Aum,耦合电容和旁路电容由于电容量很大可视为短路；而极间电容、分布电容等小电容的容抗很大，可视为开路。交流通路是一个纯阻性的电路，所以电压增益为一个常数，与频率无关。,三、单管放大电路的频率特性分析,2、低频段增益函数AuL（s）,放大器的AuL(s)由低频段的小信号模型导出，耦合电容、旁路电容等大电容不能忽略，而极间电容视为开路。,高通电路,3、高频段增益函数AuH（s）,AuH(s)由高频小信号模型导出，耦合、旁路电容视为短路，极间电容不能忽略。,低通电路,4、全频段增益函数Au（s）,四、放大电路波特图的近似画法,波特图：,利用渐近

9、线将频率特性曲线画在半对数坐标系上。,横坐标 f ：,采用对数坐标，lg f 或 lg ,但习惯上在频率轴上仍标出频率f或角频率的值。,纵坐标：采用等分刻度。,幅频特性的纵轴用分贝值扩大视野；将倍数相乘变为分贝数相加；相频特性的纵轴仍用度数表示。,扩大视野；,（稳态响应）,1、作图思路,幅频特性：,结论：幅频特性等于各项基本因子幅频特性的线性叠加。,1、作图思路,相频特性：,结论： 相频特性是各项基本因子相频特性的代数和。,0是放大器中频段的固定相移，同相：0=0；反相： 0=180,放大电路的幅频和相频特性波特图等于基本因子幅频和相频特性波特图的线性叠加。,基本因子,常数因子A0,零点因子：

10、,极点因子：,已知放大器增益函数如何绘制波特图？,绘图前先将增益函数化为作图的标准式：,分别绘制出各项基本因子的波特图，然后线性叠加。,2、常数因子，一阶非零零、极点因子的波特图,首先变换成作图的标准式：,常数因子,非零极点因子,非零零点因子,设P=1000Z,（1）常数因子的波特图,同相：0=0， 反相： 0=180,（2）一阶非零零点因子的波特图,20dB/10倍频,渐进线的转折频率为Z；,最大误差发生在Z处，为-3dB。,最大误差发生在0.1Z和10Z处，为5.71,渐进线的转折频率为0.1Z和10Z，,45/10倍频,（3）一阶非零极点因子的波特图,-20dB/10倍频,-45/10倍

11、频,（4）合成波特图幅频波特图,设P=1000Z,（4）合成波特图相频波特图,（1）零点因子j的波特图,幅频特性：,相频特性：,当 =1rad/s，,为经过点（1，0），斜率为20dB/十倍频的直线。,值恒为90， 平行于频率轴的一条直线。,3、原点处的零点和极点因子的波特图,（2）极点因子1/ j的波特图,幅频特性：,相频特性：,当 =1rad/s，,为经过点（1，0），斜率为-20dB/十倍频的直线。,为值为-90， 平行于频率轴的一条直线。,小结：所有基本因子的波特图,小结：绘制波特图的规律,（1）幅频波特图,幅频波特图上每一个拐点对应一个或多重零、极点(Z ,P)。,每经过一个单个的零

12、点，渐进线的斜率改变+20dB/十倍频。双重零点为40dB/十倍频。,每经过一个单个的极点，渐进线的斜率改变-20dB/十倍频。双重极点为40dB/十倍频。,（2）相频波特图,非零零点因子在0.1Z后开始贡献正相位， =Z时，贡献的相位为45， =10Z之后，贡献的相位恒为90。,非零极点因子在0.1P后开始贡献负相位， =P时，贡献的相位为45， =10P之后，贡献的相位恒为90。,原点处的零点和极点因子贡献的相位恒为90或90。,【例题】已知某三级放大器的电压增益函数为：,画出幅频波特图，并确定中频电压增益|Aum|=？,（频率单位是MHz）,【例题】已知级联放大器的电压增益函数为：,试画

13、出其幅频特性和相频特性波特图。,化成作图的标准式：,5-3 基本放大器高、低截止频率的估算,一、主极点的概念,二、基本放大器上、下限截止频率的估算,三、多级放大器上、下限截止频率的估算方法,一、主极点的概念,1、基本放大器零、极点的分布特点,低频段：,零点通常比极点在数值上小得多。,高频段：,零点通常比极点在数值上大得多。,零点对高、低截止频率的影响通常可以忽略不计。,2、低频主极点,在低频段的极点中，若某极点的绝对值比其它极点的绝对值大4倍以上，则该极点对低频截止频率起决定作用，称之为低频主极点。,3、高频主极点,在高频段的极点中，若某极点的绝对值比其它极点的绝对值小4倍以上，称之为高频主极

14、点，它对高频截止频率起决定作用。,即放大器的高、低截止频率主要由高、低频段的极点决定。,例如：某放大器高频区的电压增益为：,-20dB/十倍频,-40dB/十倍频,fP1对BW起主导作用，为主极点。,fP2对BW基本无作用，为非主极点。,两个极点：,二、基本放大器上、下限截止频率的估算方法,在已知电路参数的情况下，如何估算放大器的上限截止频率 fH 和下限截止频率fL ？,估算上限截止频率 fH 开路时间常数法,估算下限截止频率fL 短路时间常数法,适用范围：适合用于不含电感的放大电路。,1、开路时间常数法（估算上限截止频率fH ）,（1）什么叫开路时间常数,C2开路时，C1的开路时间常数。,

15、C1开路时，C2的开路时间常数。,某个电容的开路时间常数是指将电路中的其他电容开路时，该电容两端的等效电阻与该电容的乘积。,1、开路时间常数法（估算上限截止频率fH ）,（2）放大电路上限截止频率fH与各电容开路时间常数间的关系,式子的意义：,-放大电路上限截止角频率的倒数恒等于相应的高频等效电路中各电容的开路时间常数之和。,利用这个开路时间常数法计算得到的fH总是低于实际的上限频率，为此引入修正系数(1.14)以减小误差。,1、开路时间常数法（估算上限截止频率fH ）,（3）估算放大电路的上限截止频率fH 的方法,首先画出放大电路的在高频段的微变等效电路，此时耦合电 容、旁路电容等大电容应短

16、路，放大管的极间电容、电路的 分布电容须考虑，因此BJT的模型应该用混模型。,分别求出电路中每一个电容的开路时间常数；,关键是求RjO：应将Cj以外的其他电容都开路，把独立信号源置零，此时该电容两端的等效电阻即为RjO.,将所有电容的开路时间常数代入 计算公式即可估算出fH。,2、短路时间常数法（估算下限截止频率fL ）,（1）什么叫短路时间常数,C2短路时，C1的短路时间常数。,C1短路时，C2的短路时间常数。,某个电容的短路时间常数是指将电路中的其他电容短路时，该电容两端的等效电阻与该电容的乘积。,（2）放大电路下限截止频率fL的估算方法,（3）估算放大电路的下限截止频率fL 的步骤,首先

17、画出放大电路的在低频段的微变等效电路，此时放大 管的极间电容、分布电容视为开路，耦合电容、旁路电容 等大电容必须保留。,分别求出电路中每一个电容的短路时间常数；,将所有电容的短路时间常数 代入 计算公式即可估算出fL。,四、多级放大器上限频率和下限频率的估算,可以证明：,级数越多，,fL越大， fH越小，,放大器总的通频带越窄。,放大器总的通频带比任何一级的通频带都要窄，,2、若各级放大器的高、低截止频率相差较大（4倍以上），则：,1、若各级放大器的高、低截止频率数值相等，则有：,第五章 小结,一、放大器频率响应的基本概念,1、频率特性函数：,2、影响放大器频率特性的主要因素：,低频区：耦合和

18、旁路电容；,高频区：极间电容和分布电容,3、表征放大器频率特性的主要特征参数：,（1）中频增益Au0及相角O：,（与频率无关）,在整个频段内， |Au0|是最大的。,（2）fH和fL：,（3）BW：,（4）GBW：,综合表征增益与带宽的性能,（5）频率失真：幅频失真、相位失真,二、放大电路的增益函数的特点,n等于电路中独立电抗元件的数目。,三、放大电路波特图的绘制方法,（1）将增益函数变换成作图的 标准表达式。,（2）将各个基本因子的波特图分别画出，最后进行线性叠加（合成）。,四、用时间常数法估算放大电路的上、下限截止频率,五、多级放大电路的上、下限截止频率及通频带,例题1：由个级相同的放大器组成的三级放大器，已知每级电压增益为20dB，上限频率为10MHz，下限频率为1kHz，则多级放大器的总电压增益为( ) ，上限频率为( )，下限频率为( ) ， 总的通频带为( ) 。,例题2：若两级级联放大电路 ，它们的上下