第4章放大电路的频率响应.pptx

4.14.1频率响应的概念频率响应的概念研究放大电路频率响应的必要性研究放大电路频率响应的必要性 由由于于放放大大电电路路中中存存在在电电抗抗性性元元件件及及晶晶体体管管极极间间电电容容，所所以以电电路路的的放放大大倍倍数数为为频频率率的的函函数数，这这种种关关系系称为称为频率响应或频率特性。频率响应或频率特性。小小信号等效模型只适用于低频信号的分析。信号等效模型只适用于低频信号的分析。本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。的描述方法。第1页/共69页频率响应的概念频率响应的概念1.1.频率响应与通频带频率响应与通频带 放大电路的电压放大倍数放大电路的电压放大倍数A Au u是频率的函数，这种函数关系称为放大是频率的函数，这种函数关系称为放大电路的电路的频率响应或频率特性频率响应或频率特性。A Au u(f f)表示电压放大倍数的模与频率表示电压放大倍数的模与频率f f的关系，称为的关系，称为幅频响应幅频响应 (f f)表示放大电路输出电压与输入电压之间的相位差与频率表示放大电路输出电压与输入电压之间的相位差与频率f f的关系，称为的关系，称为相相频响应频响应 放大电路的对数频率特性称为波特图。第2页/共69页2.2.通频带通频带 在中频区各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍数Au基本上不随信号频率而变化，保持常数。在低频区，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使放大倍数下降；在高频区，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大倍数下降。第3页/共69页2.2.通频带通频带 在绘制频率响应曲线时，常常采用对数坐标。幅频特性的纵坐标为 ，单位为分贝（dB）。相频特性的纵坐标仍为，不取对数。这时得到的频率响应曲线称为对数频率响应或波特图。在波特图中，放大器的下限频率fL和上限频率fH也就是中频电压增益下降3dB时所对应的两个频率。第4页/共69页3.3.幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真 放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形产生失真，这种失真放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形产生失真，这种失真称为称为频率失真频率失真，又称为，又称为线性失真线性失真 。频率失真又包括幅度失真和相位失真。幅度失真：是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同 而引起输出波形产生的失真。相位失真：是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而 引起输出波形产生的失真。第5页/共69页幅频失真和相频失真第6页/共69页电路的频率响应1.RC1.RC低通电路低通电路时间常数H=R1C1，令幅频响应：相频响应：第7页/共69页（1 1）幅频响应：）幅频响应：当ffH 时，随着f的上升，越来越小两条直线的交点f H称为转折频率。第8页/共69页当ffH 时，(2)(2)相频响应：相频响应：当f=fH 时，随着f的上升，越来越小可以利用RC低通电路来模拟放大电路的高频响应。第9页/共69页则有：则有：放大电路的对数频率特性称为波特图。(3)(3)低通电路的波特图低通电路的波特图第10页/共69页对数对数幅频特性：幅频特性：0.1 fHfH 10 fHf0-20-403dB-20dB/十倍频十倍频对数相频特性：对数相频特性：fH 10 fH-455.715.71-45/十倍频十倍频-900.1 fH 0f在在高高频频段段，低低通通电电路路产产生生0 90的滞后相移。的滞后相移。（3）低通电路的波特图）低通电路的波特图第11页/共69页2.RC高通电路时间常数L=R2C2，令幅频响应：相频响应：第12页/共69页（1 1）幅频响应：）幅频响应：当ffL 时，随着f的下降，越来越小第13页/共69页当ffH 时，(2)(2)相频响应：相频响应：当f=fH 时，随着f的下降，越来越小可以利用RC高通电路来模拟放大电路的低频响应。第14页/共69页则有：则有：放大电路的对数频率特性称为波特图。(3)(3)高通电路的波特图高通电路的波特图第15页/共69页对数幅频特性：对数幅频特性：实际幅频特性曲线：实际幅频特性曲线：幅频特性幅频特性当当 f fL(高频高频)，当当 f fT 时，时，三极管失去放大作用；三极管失去放大作用；f =fT 时，由式时，由式得：得：第32页/共69页3.共基截止频率共基截止频率 f 值下降为低频值下降为低频 0 时时 的的 0.707 时的频率。时的频率。第33页/共69页【f 与与 f 、fT 之间关系之间关系】：因为因为可得可得第34页/共69页【说明：说明：】所以：所以：1.f 比比 f 高很多，等于高很多，等于 f 的的(1+0)倍；倍；2.f fT f 3.低低频频小小功功率率管管 f 值值约约为为几几十十至至几几百百千千赫赫，高高频频小小功率管的功率管的 fT 约为几十至几百兆赫。约为几十至几百兆赫。第35页/共69页4.3 场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型 与晶体管一样，场效应管的各电极之间也会存在极间电容，根据场效应管的结构，与晶体管一样，场效应管的各电极之间也会存在极间电容，根据场效应管的结构，可得出它的高频等效模型如图（可得出它的高频等效模型如图（a a）所示。由于一般情况下）所示。由于一般情况下r rgsgs和和r rdsds都比外接电阻都比外接电阻大得多，因此可以忽略，认为它们开路。这样就可以得到图（大得多，因此可以忽略，认为它们开路。这样就可以得到图（b b）所示的简化高频）所示的简化高频等效模型。等效模型。第36页/共69页4.4 单管共发射极放大电路的频率响单管共发射极放大电路的频率响应应利用晶体管混合利用晶体管混合型等效模型就可以分析放大电路的频率响应型等效模型就可以分析放大电路的频率响应 第37页/共69页单管共射放大电路的频率响应单管共射放大电路的频率响应C1Rb+VCCC2Rc+Rs+单管共射放大电路单管共射放大电路中中频频段段：各各种种电电抗抗影影响响忽忽略略，Au 与与 f 无关；无关；低低频频段段：隔隔直直电电容容压压降降增增大大，Au 降降低低。与与电电路路中中电电阻阻构构成成 RC 高通电路；高通电路；高高频频段段：三三极极管管极极间间电电容容并并联联在在电电路路中中，Au 降降低低。而且，构成而且，构成 RC 低通电路。低通电路。第38页/共69页4.4 单管共发射极放大电路的频率响单管共发射极放大电路的频率响应应密勒定理密勒定理 折合到b-e之间为：折合到c-e之间为 第39页/共69页1 1 中频电压放大倍数中频电压放大倍数式中 第40页/共69页2 2 低频电压放大倍数低频电压放大倍数第41页/共69页并令并令第42页/共69页由上面的推导可以看出，fL1与C1所在回路的时间常数成反比。同理，当只考虑C2的影响时，可以得出其下限截止频率fL2为 第43页/共69页分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响第44页/共69页分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响在回路中其时间常数为 则下限截止频率fL3为 第45页/共69页3 3 高频电压放大倍数高频电压放大倍数在高频区，由于容抗变小，则耦合电容和旁路电容可忽略不计，视为短路，但并联的极间电容的影响应予以考虑，其等效电路如图（a）所示。由于所在回路的时间常数比输入回路C的时间常数小得多，所以将C忽略不计，如图（b）所示。第46页/共69页3 3 高频电压放大倍数高频电压放大倍数第47页/共69页并令并令第48页/共69页4 4 完整的频率响应完整的频率响应放大倍数在全部频率范围内的表达式：第49页/共69页四、波特图四、波特图绘制波特图步骤：绘制波特图步骤：1.根据电路参数计算根据电路参数计算 、fL 和和 fH；2.由三段直线构成幅频特性。由三段直线构成幅频特性。中频段：中频段：对数幅值对数幅值=20lg 低频段：低频段：f=fL开始减小，作斜率为开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；十倍频直线；高频段：高频段：f=fH 开始增加，作斜率为开始增加，作斜率为 20 dB/十倍频直线。十倍频直线。3.由五段直线构成相频特性。由五段直线构成相频特性。第50页/共69页图图 幅频特性幅频特性fOfL-20dB/十倍频十倍频fH20dB/十倍频十倍频-270-225-135-180相频特性相频特性-9010 fL0.1fL0.1fH10 fHfO 第51页/共69页通频带通频带f|Au|0.707|Auo|fLfH|Auo|幅频特性下限截下限截止频率止频率上限截上限截止频率止频率耦合、旁路耦合、旁路电容造成。电容造成。三极管结电三极管结电容、容、造成造成f 270 180 90相频特性 O O第52页/共69页放大电路频率响应的改善和增益带宽积放大电路频率响应的改善和增益带宽积1.为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，放大电路可采用直接耦合方式，使得放大电路可采用直接耦合方式，使得fL 02.为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限频率频率fH。3.增益带宽积增益带宽积中频电压放大倍数与通频带的乘积。中频电压放大倍数与通频带的乘积。第53页/共69页说明：说明：式式不不很很严严格格，但但从从中中可可以以看看出出一一个个大大概概的的趋趋势势，即即选选定定放放大大三三极极管管后后，rbb 和和 Cb c 的的值值即即被被确确定定，增增益益带带宽宽积积就就基基本本上上确确定定，此此时时，若若将将放放大大倍倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。如如愈愈得得到到一一个个通通频频带带既既宽宽，电电压压放放大大倍倍数数又又高高的的放放大大电电路路，首首要要的的问问题题是是选选用用 rbb 和和 Cb c 均均小小的的高高频频三三极极管。管。第54页/共69页复习：复习：1.晶体管、场效应管的晶体管、场效应管的混合混合 模模型型2.单管共射放大电路的单管共射放大电路的频率响应频率响应表达式：波特图的绘制：波特图的绘制：三段直线构成幅频特性三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性五段直线构成相频特性第55页/共69页4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路的电压放大倍数：多级放大电路的电压放大倍数：对数幅频特性为：对数幅频特性为：在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有中有多个低通电路多个低通电路。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路多个高通电路。第56页/共69页多级放大电路的总相位移为：多级放大电路的总相位移为：两级放大电路的波特图两级放大电路的波特图图图 fHfL幅频特性幅频特性fOfL1fH16 dB3 dB3 dBfBW1fBW2一一 级级二二 级级-20dB/十倍频十倍频-40dB/十倍频十倍频第57页/共69页图图 相频特性相频特性-270-360fL1fH1fO-540-180-450-90一一 级级二二 级级多多级级放放大大电电路路的的通通频频带带，总总是是比比组组成成它它的的每每一一级级的的通频带为窄。通频带为窄。第58页/共69页多级放大电路的上限频率和下限频率的估算多级放大电路的上限频率和下限频率的估算在在实实际际的的多多级级放放大大电电路路中中，当当各各放放大大级级的的时时间间常常数数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据即即：若若某某级级的的下下限限频频率率远远高高于于其其它它各各级级的的下下限限频频率率，则则可可认认为为整整个个电电路路的的下下限限频频率率就就是是该该级级的的下下限限频频率率。同同理理若若某某级级的的上上限限频频率率远远低低于于其其它它各各级级的的上上限限频频率率，则则可可认认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。第59页/共69页例例已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求如图所示。求下限频率、上限频率下限频率、上限频率和和电压放大倍数电压放大倍数。（2）高频段只有一个拐点，）高频段只有一个拐点，斜率为斜率为-60dB/十倍频程，电十倍频程，电路中应有三个电容，为三级路中应有三个电容，为三级放大电路。放大电路。解：（1）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的下限频率为10Hz。fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz（3）电压放大倍数）电压放大倍数第60页/共69页1.考虑考虑C1对低频特性的影响对低频特性的影响(b)C1所在回路的等效电路所在回路的等效电路2.考虑考虑C2对低频特性的影响对低频特性的影响(c)C2所在回路的等效电路所在回路的等效电路第61页/共69页3.考虑考虑Ce对低频特性的影响对低频特性的影响(d)Ce所在回路的等效电路4.4.考虑结电容对高频特性的影响(e)结电容所在回路的等效电路比较C1、C2、Ce所在回路的时间常数1 1、2 2、e e,当取C C1 1C C2 2CeCe时，e e将远小于1 1,2 2，即f fLeLe远大于f fL1L1和f fL2L2因此，f fLeLe就约为电路的下限频率。第62页/共69页4.6 放大电路的阶跃响应 研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下的频率响应，这种分析方法称为频域法。优点:是分析简单，实际测试方便 缺点:是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路的波形失真，采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析方法称为时域法。优点:是可以很直观地判断放大电路的波形失真缺点:是分析比较复杂第63页/共69页1.阶跃信号2.单级放大电路的阶跃响应（1）上升时间t r上升部分可以采用RC低通电路来模拟 第64页/共69页（1）上升时间t r 定义上升时间t r来表示前沿失真，上升时间t r是指输出电压从终始值的10%上升到90%所需的时间。说明：上升时间tr与上限频率fH成反比，fH越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。第65页/共69页（2）平顶降落平顶部分可以采用RC高通电路来模拟 输出电压是按指数规律下降的现象称为平顶降落。下降速度取决于时间常数RC，平顶降落：是指在规定的时间tp内，输出电压比终始值下降的百分数。即当 时，有第66页/共69页考虑到：平顶降落与低频下限频率fL成正比fL越低，平顶降落越小 则tp代表方波的半个周期，即 则平顶降落为 第67页/共69页从本节的分析可知，时域法和频域法虽然是两种不同的方法，但它们有着内在的联系；当放大电路的输入信号为阶跃电压时，在阶跃电压的上升阶段，放大电路输出电压的上升时间决定于放大电路的上限频率fH；而在阶跃电压的平顶阶段，放大电路输出电压的平顶降落又决定于放大电路的下限频率fL。一个频带很宽的放大电路，同时也应该是一个很好的方波信号放大电路。工程中也常用一定频率的方波信号去测试宽频带放大电路的频率响应，如它的方波响应很好，则说明它的频带较宽。第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页