模拟电子技术基础频率响应.pptx
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1、1华中科技大学 张林6.1 放大电路的频率响应放大电路的频率响应1、需要放大的信号通常都包含、需要放大的信号通常都包含许多多频率成份。如率成份。如话筒筒输出的出的语音信号(音信号(20Hz20kHz),),卫星星电视信号(信号(3.74.2GHz)等。)等。2、放大、放大电路中含有路中含有电抗元件或等效的抗元件或等效的电抗元件,抗元件,导致致对不同不同频率的信号放大倍数和率的信号放大倍数和时延不同。若信号中不同的延不同。若信号中不同的频率成份不能率成份不能被放大被放大电路同等地放大(包括路同等地放大(包括时延),延),则会出会出现失真失真现象(称象(称为线性失真或性失真或频率失真)。率失真)。
2、两个现实情况两个现实情况第1页/共74页2华中科技大学 张林 因此,放大因此,放大电路路对不同不同频率的率的输入信号具有不同的放大入信号具有不同的放大能力,即增益是能力,即增益是输入信号入信号频率率的函数。的函数。放大电路对不同频率信号产生不同响应的根本原因放大电路对不同频率信号产生不同响应的根本原因 前两章分析放大前两章分析放大电路的性能指路的性能指标时,是假,是假设电路中所有耦合路中所有耦合电容容和旁路和旁路电容容对信号信号频率来率来说都呈都呈现非常小的阻抗而非常小的阻抗而视为短路;短路;FET或或BJT的极的极间电容、容、电路中的路中的负载电容及分布容及分布电容容对信号信号频率来率来说都
3、呈都呈现非常大的阻抗而非常大的阻抗而视为开路。开路。输入输入输出输出放大电路放大电路1、电抗元件的阻抗会随信号抗元件的阻抗会随信号频率的率的变化而化而变化。化。2、放大、放大电路中有耦合路中有耦合电容、旁路容、旁路电容和容和负载电容,容,FET或或BJT也存在也存在PN结电容,此外容,此外实际电路中路中还有分布有分布电容。容。第2页/共74页3华中科技大学 张林放大电路典型的频率响应曲线放大电路典型的频率响应曲线阻容耦合阻容耦合单级共源放大共源放大电路的典型路的典型频率响率响应曲曲线如如图所示,其中所示,其中图a是是幅幅频响响应曲曲线,图b是相是相频响响应曲曲线。一般有。一般有 fH fL如果
4、信号的所有如果信号的所有频率成率成份均落在通份均落在通频带内,内,则基本上不会出基本上不会出现频率失率失真真现象。象。若已知信号的若已知信号的频率成份,要率成份,要设计出出满足要求的放大足要求的放大电路,最主要路,最主要的任的任务就是就是设计出出频率响率响应的的fH和和fL。第3页/共74页4华中科技大学 张林1、正弦、正弦稳态响响应是分析是分析频率响率响应的基本方法的基本方法2、工程上常采用分段分析的、工程上常采用分段分析的简化方法。即分化方法。即分别分析放大分析放大电路的低路的低频响响应、中中频(通(通频带)响)响应和高和高频响响应,最后合成全,最后合成全频域响域响应。其中通。其中通频带内
5、内的响的响应与与频率无关,就是前两章放大率无关,就是前两章放大电路性能指路性能指标的分析的分析结果。果。3、也可以用、也可以用计算机算机辅助分析(如助分析(如Spice等)的方法,等)的方法,获得放大得放大电路精确路精确的的频率响率响应曲曲线。频率响应的分析方法频率响应的分析方法 研究放大研究放大电路的路的动态指指标(主要是增益)随信号(主要是增益)随信号频率率变化化时的响的响应。具体包括:。具体包括:1、频率响率响应的分析方法的分析方法2、影响放大、影响放大电路路频率响率响应的主要因素的主要因素3、如何、如何设计出出满足信号足信号频带要求的放大要求的放大电路路4、各种、各种组态放大放大电路路
6、频率响率响应特点特点本章讨论的主要内容本章讨论的主要内容第4页/共74页华中科技大学 张林56.2 单时间常数单时间常数RC电电路的频率响应路的频率响应6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应6.2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应第5页/共74页6华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应1.增益的增益的传递函数函数且令且令又又则电压增益的幅增益的幅值(模)(模)(幅(幅频响响应)电压增益的相角增益的相角(相(相频响响应)第6页/共74页7华中科技大学 张林2.频率响率响应曲曲线描述描述最大误差最大误差-3dB0分贝水平线分贝水平线幅频响应
7、幅频响应第7页/共74页8华中科技大学 张林2.频率响率响应曲曲线描述描述相相频响响应低频时,输出超前输入低频时,输出超前输入因因为表示输出与表示输出与所以所以输入的相位差。输入的相位差。第8页/共74页9华中科技大学 张林6.2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应幅幅频响响应相相频响响应1.增益的增益的传递函数函数第9页/共74页10华中科技大学 张林幅幅频响响应相相频响响应输出滞后出滞后输入入2.频率响率响应曲曲线第10页/共74页华中科技大学 张林116.3 共源和共射放大电路共源和共射放大电路的低频响应的低频响应6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应6.3.
8、2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应第11页/共74页12华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1.增益的增益的传递函数函数 低低频区内,区内,电路中的耦合路中的耦合电容、容、旁路旁路电容的阻抗增大,不能再容的阻抗增大,不能再视为短路。短路。低低频小信号等效小信号等效电路路第12页/共74页13华中科技大学 张林为简化分析,化分析,设低低频区内,有区内,有低低频小信号等效小信号等效电路路则Rs可作开路可作开路处理理第13页/共74页14华中科技大学 张林定性定性讨论 Cb1所在的所在的输入回路入回路构成的是构成的是RC高通高通电路路 Rg上的电压
9、上的电压 输入回路入回路第14页/共74页15华中科技大学 张林 输出回路也是高通出回路也是高通电路,不路,不过不是不是简单的的单时间常数常数RC高通高通电路。路。和和 输出回路出回路第15页/共74页16华中科技大学 张林由由电路可列出方程路可列出方程由前两个方程得由前两个方程得第16页/共74页17华中科技大学 张林代入第代入第3个方程得源个方程得源电压增益增益第17页/共74页18华中科技大学 张林令令且且通通带内(中内(中频)增益,与)增益,与频率无关率无关Cb1引起的下限截止引起的下限截止频率率Cs引起的下限截止引起的下限截止频率率Cb2引起的下限截止引起的下限截止频率率第18页/共
10、74页19华中科技大学 张林其中其中第第1项是与是与频率无关的通率无关的通带内源内源电压增益增益后三后三项分分别是是3个与个与6.2节RC高通高通电路相同的低路相同的低频响响应。可可见共源放大共源放大电路的低路的低频响响应是由是由3个个RC高通高通电路共同作用路共同作用的的结果果。则 为简单起起见,假,假设3个下限截止个下限截止频率率fL1、fL2和和fL3之之间相距相距较远(4倍以上),可以只考倍以上),可以只考虑起主要作用的截止起主要作用的截止频率的影响。例率的影响。例如有如有fL2 4 fL1,fL1 fL3,则上式上式简化化为 第19页/共74页20华中科技大学 张林2.增益的增益的频
11、率响率响应波特波特图水平水平线不不是是0 dBf fL2时,相,相频响响应为-180,反映了,反映了通通带内内输出与出与输入的反相关系入的反相关系第20页/共74页21华中科技大学 张林 若想尽可能降低下限截止若想尽可能降低下限截止频率,率,则需要尽可能需要尽可能选择大的旁大的旁路路电容容Cs和耦合和耦合电容容Cb1、Cb2。但。但这种改善是很有限的,因此种改善是很有限的,因此在信号在信号频率很低的使用率很低的使用场合,可考合,可考虑用直接耦合方式。用直接耦合方式。第21页/共74页22华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1.增益的增益的传递函数函数低低频
12、小信号等效小信号等效电路路Rb=(Rb1|Rb2)远大于大于R i R i第22页/共74页23华中科技大学 张林定性定性讨论输入回路构成的是入回路构成的是RC高通高通电路路 输入回路入回路和和 输出回路出回路 输出回路也是高通出回路也是高通电路路第23页/共74页24华中科技大学 张林由第由第2个方程得个方程得由由电路可列出方程路可列出方程其中其中第24页/共74页25华中科技大学 张林代入第代入第1个方程得源个方程得源电压增益增益第25页/共74页26华中科技大学 张林令令且且通通带内(中内(中频)增益,与)增益,与频率无关率无关由由Cb1和和Ce引起的引起的下限截止下限截止频率率Cb2引
13、起的下限截止引起的下限截止频率率第26页/共74页27华中科技大学 张林其中其中第第1项是与是与频率无关的通率无关的通带内源内源电压增益增益后两后两项分分别是是2个与个与6.2节RC高通高通电路相同的低路相同的低频响响应。可可见共射放大共射放大电路的低路的低频响响应是由是由2个个RC高通高通电路共同作用路共同作用的的结果。其中果。其中fL1与与Cb1和和Ce两个两个电容有关。容有关。则 为简单起起见,假,假设2个下限截止个下限截止频率率fL1和和fL2之之间相距相距较远(4倍以上),可以只考倍以上),可以只考虑起主要作用的截止起主要作用的截止频率的影响。例如率的影响。例如有有fL1 4 fL2
14、,则上式上式简化化为 第27页/共74页28华中科技大学 张林2.增益的增益的频率响率响应波特波特图水平水平线不不是是0 dBf fL1时,相,相频响响应为-180,反映了,反映了通通带内内输出与出与输入的反相关系入的反相关系第28页/共74页29华中科技大学 张林包含包含fL2的幅的幅频响响应第29页/共74页30华中科技大学 张林 若想尽可能降低下限截止若想尽可能降低下限截止频率,率,则需要尽可能需要尽可能选择大的旁大的旁路路电容容Ce和耦合和耦合电容容Cb1、Cb2。但。但这种改善是很有限的,因此种改善是很有限的,因此在信号在信号频率很低的使用率很低的使用场合,可考合,可考虑用直接耦合方
15、式。用直接耦合方式。第30页/共74页31华中科技大学 张林 小结小结 (1)通)通过对共源和共射放大共源和共射放大电路低路低频响响应的分析看到,影的分析看到,影响低响低频响响应的主要因素是旁路的主要因素是旁路电容和耦合容和耦合电容。若想尽可能降容。若想尽可能降低放大低放大电路的下限截止路的下限截止频率,率,则尽量尽量选用容量用容量较大的旁路大的旁路电容容和耦合和耦合电容,其它容,其它组态的放大的放大电路有路有类似的似的结论。(2)以上分析)以上分析过程均假程均假设电路路满足一定条件,足一定条件,进行了行了简化化处理,理,实际上通上通过SPICE仿真可以得到更精确的分析仿真可以得到更精确的分析
16、结果。果。(3)通)通过选用大容量用大容量电容降低下限截止容降低下限截止频率的效果通常是率的效果通常是有限的,因此在信号有限的,因此在信号频率很低的率很低的场合,可考合,可考虑采用直接耦合的采用直接耦合的放大放大电路。路。第31页/共74页华中科技大学 张林326.4 共源和共射放大电路共源和共射放大电路的高频响应的高频响应6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位管的高频小信号模型及单位增益频率增益频率fT6.4.2 共共源放大电路的高频响应源放大电路的高频响应6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参的高频小信号模型及频率参数数6.4.4 共共射放大电路的高频响应射放大电路的高频响应第32
17、页/共74页33华中科技大学 张林6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1.MOS管的高管的高频小信号模型小信号模型Cgs栅-源源电容容Cgd栅-漏漏电容容Csb源源-衬底底电容容Cdb漏漏-衬底底电容容 多数情况下,多数情况下,MOS管的源极和管的源极和衬底底连在一起,此在一起,此时Csb被短路,被短路,而而Cdb变为Cds。当信号当信号频率率处于高于高频区区时,FET或或BJT的极的极间电容的阻抗将减容的阻抗将减小,不能再小,不能再视为开路,需考开路,需考虑它它们带来的影响。来的影响。第33页/共74页34华中科技大学 张林其其中中Cgs的
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