电子电路基础第四章()幻灯片课件.ppt

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1、电子子电路基路基础第四章第四章(2010)(2010)典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性OwwL(fL)wH(fH)BWAvm0.707Avm-90-180-270 w0VSe+RS+VCCRBRCRLCBCCT+VO-二、工作频段、截止频率和通频带二、工作频段、截止频率和通频带fLfHBWAvm0.707AvmOffL：下限频率；：下限频率；fH：上限频率：上限频率BW：通频带：通频带BW=fH-fL中频段高频段低频段三、放大电路的理想频率特性三、放大电路的理想频率特性放大电路所要放大的目标输入信号通常为有一定频谱范围的信号，例如语声信号的频

2、率范围一般在2020KHz。放大电路应该对输入信号频谱范围内任何频率点的信号分量给予同等量的幅度放大：通频带应覆盖输入信号的频谱范围且通频带内的A()保持为一常数放大电路应该对输入信号频谱范围内任何频率点的信号分量给予和同等量的时延：时延特性或 为线性特性。四、幅度失真和相位失真四、幅度失真和相位失真频率失真频率失真(a)幅频失真幅频失真(b)相频失真相频失真幅度失真：幅度失真：由于带宽的限制（对不同频率信号的放大能力不同）产生幅度失真（波形有变化）相位失真：相位失真：由于放大器对不同频率信号的时延不同产生相位失真（波形有变化）以上两种失真虽然输入和输出之间的波形有变化，但没有新的频率成分产生

3、，属线性失真线性失真。4.1.24.1.2频率特性的分析方法频率特性的分析方法一、传输函数和零点、极点一、传输函数和零点、极点在复数频率s域中，电容的容抗为1/sC,电感的感抗为sL。含有电抗成分的线性系统的传输函数A(s)的一般表示式:稳定的有源线性系统的特点：1.零点的个数m小于或等于极点的个数n.2.由于元件参数为正实数，有：极点为负实数或实部为负的共轭复数。零点为可正可负的实数或实部可正可负的复数。3.仅含电容的电路中，极点的个数等于独立电容的个数。(有非独立电容的电路，极点个数小于电容数）当S=z1,z2,z3时A(S)=0,称z1,z2,z3为函数的零点当S=p1,p2,p3.时A

4、(S)=,称p1,p2,p3为函数的极点极零图：将极点和零点在以 为实轴，为虚轴的复平面上用x表示极点，o表示零点，称为函数的极零图。一般零极点为实数或复数。当激励信号为角频率的正弦信号且在稳态时传输函数可写成：二.频率响应的波特图幅频特性的波特图使用分贝作为纵坐标，每十倍的频率间隔作为横坐标，幅频特性以分贝表示时：即：总的传输幅频特性（增益）为各零极点的代数和（差）。相频特性：1.一阶实数极点的波特图一阶实数极点的波特图单极点的电压传输函数为稳态响应为+_+_CR式中p为极点对应的角频率，其幅频特性和相频特性可表示为：+_+_CR（1）对于幅频特性：当p时由p形成的两条直线交于p，p成为上截

5、止频率。用波特图表示幅频特性误差最大点在p，误差为3dB。（2）对于相频特性：因此，可以用三条直线（频率用十倍频程)描述相频特性，最大误差在0.1 p和10 p处，误差为5.7度。2.一阶零点因子的波特图一阶零点因子的波特图设一阶有限零点（零点不为零）的稳态响应为：（1）对于幅频特性：当z时:（2）对于相频特性：3.RC 高通电路的波特图高通电路的波特图(一个零点加一个极点）一个零点加一个极点）+_+_CR RC 高通电路高通电路其中：其中：+_+_CR RC 高通电路高通电路一阶高通一阶高通(一个极点）一个极点）在在w=0处的一个零处的一个零点。点。w=wL时为时为0dB.则有：则有：+20

6、dB/十倍频十倍频-20dB/十倍频十倍频例例4.1.14.1.1：分析图4.1.4给定电路的传输系数。画出其波特图。-10dBA()14dB(103)0dB0.55505000.051250o45o90o(103)0.55505000.05-45o-90o例：设二阶低通系统的电压传输函数为下式所示，试画出其幅频特性和相频特性的波特图：解：令s=j,则系统的稳态响应为：上式中由四项构成(1)为100（+40dB)的常数,(2)为106rad/s的极点，(3)为107rad/s的极点，(4)为108rad/s的零点。对应此四项在幅频特性波特图中由虚线表示。标准表达形式标准表达形式虚线表示由幅频特

7、性的四个因子引起的幅频特性变化，实线为合成之后的最终结果。虚线为两个极点和一个零点提供的相移特性，实线为合成之后的最终结果X(j)Xo1Xi2Xo2XinY(j)XonXi1A1(j)A2(j)An(j)4.1.34.1.3 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性对信号的放大任务经常由多个单级放大电路级联后去完成。如图4.1.7所示。一一.多级放大电路增益的频率特性多级放大电路增益的频率特性 前级的开路电压是下级的信号源电压前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载下级的输入阻抗是前级的负载 如果一个完全

8、相同的两级放大电路每一级的幅频特性如果一个完全相同的两级放大电路每一级的幅频特性均如图所示。均如图所示。6dB3dBfLfH0.643fH1fL fL1，fH fH1，频带变窄！，频带变窄！二、多级放大电路的通频带和截止频率二、多级放大电路的通频带和截止频率 对于对于N级放大电路，若各级的下、上限频率分别为级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为，整个电路的下、上限频率分别为fL、fH，则，则由于由于求解使增益下降求解使增益下降3dB的频的频率，经修正，可得率，经修正，可得1.1为修正系数为修正系数三.主极点和主零点 在低通系统低通系统

9、中若频率最低的极点（零点）比其它零极点小得多（小于离它最近的零极点1/4以下），则该极点（零点）称为主极点（主零点）。（即其它零极点对该频率处的幅度影响可以忽略。）（注意：相位影响不可以忽略）同样：在高通系统中若频率最高的极点（零点）比其它零极点高得多（大于离它最近的零极点4倍以上），则该极点（零点）称为主极点（主零点）。（即其它零极点对该频率处的幅度影响可以忽略。）（注意：相位影响不可以忽略）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。4 42 2晶体

10、管的频率特性晶体管的频率特性晶体管内部的结电容，其容抗随着工作频率的增高而减小，导致晶体管高频放大能力下降。在中、低工作频段结电容的容抗相对较大可相当于开路。4.2.14.2.1双极型晶体管的高频参数双极型晶体管的高频参数图图4.2.1 双极性晶体管的混合双极性晶体管的混合模型模型晶体管电流放大系数的频率响应晶体管电流放大系数的频率响应令上图中c、e短路，得到：通过上式可解得：手册给出手册给出 和和Cbc，可求出，可求出Cbe4.2.24.2.2MOSMOS型场效应晶体管的高频参数型场效应晶体管的高频参数在衬极源极短接的情况下，模型如图4.2.3。电容分量Cgs、Cgd、Cgc是栅极板下绝缘层

11、的分布电容，是线性电容，不受管工作点影响。而Cbd及Cbs、Cbc为PN结位垒电容，与管的直流工作点有关的非线性电容。Cgb为Cgc与Cbc的串联。特征频率fT：式中的近似是由于Cgd通常较小（反偏压较高）、满足Cgdgm。当忽略了jCgd项时：由上式可见，栅极板下电容Cgs、Cgd、Cgc对管高频放大能力的影响均可反映到管的特征频率fT中，Cbs、Cbd的影响没有直接通过fT反映出来。作业：作业：4.1.24.1.34.1.44 43 3双极型晶体管双极型晶体管放大电路放大电路的频率特性的频率特性高频段：高频段：受晶体管高频参数的影响，放大受晶体管高频参数的影响，放大电路的放大能力会随工作频

12、率的增高而减弱电路的放大能力会随工作频率的增高而减弱（还与晶体管的工作组态、电路中的负载电阻、（还与晶体管的工作组态、电路中的负载电阻、信号源内阻有关）影响高频放大特性。信号源内阻有关）影响高频放大特性。低频段：低频段：受电路中存在耦合电容或旁路电受电路中存在耦合电容或旁路电容的影响，电路的放大能力也会随工作频率的容的影响，电路的放大能力也会随工作频率的降低而减弱。影响低频放大特性。降低而减弱。影响低频放大特性。定性分析：定性分析：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，Av 与与 f 无关；无关；低低频频段段：隔隔直直电

13、电容容压压降降增增大大，Av 降降低低。与与电电路路中中电电阻阻构成构成 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，Av 降降低低。而而且，构成且，构成 RC 低通电路。低通电路。4.3.14.3.1单管共发射极放大电路的高频特性单管共发射极放大电路的高频特性共射放大电路的交流通路中用高频混合模型代入可以得到高频微变电路，可从图中分析输出与输入之间的传输关系传输特性为两个极点和一个零点。在等效电路图中，由于Cbc跨于输出和输入之间使得分析比较繁琐一.密勒定理及等效电路的单向化模型12只要对应右图只要对应右图把把Cbc等效到等效到b和和c两端即

14、可两端即可利用密勒定理可将Cbc等效为两个电容CM和CM：二、共发射极放大电路的单向化等效电路二、共发射极放大电路的单向化等效电路近似为放大器的中频增益近似为放大器的中频增益利用密勒效应，通过以上的推导可以得到等效的高频微变等效电路注意：以上的推导过程及推导结果是在标准的共射放大电路基础上得到的。其它情况（例如：发射极串有电阻）结果会有差异（推导原理不变）三、共发射极放大电路的参数估算及分析例三、共发射极放大电路的参数估算及分析例例例4.3.1:单管共发射极放大电路如图所示，其中，VCC=5V，RB=344k，RC=2k，RL=2.5k，RS=1k。晶体管T（硅管）参数为：rbb=100，0=

15、80，VA=100V，fT=300MHz，Cbc=4pF。CB、CC为耦合电容。试分析电路的高频段电压增益函数 及其上截止频率fH解：解：估算直流工作点。估算管混合参数。，Cbc的密勒电容CM较Cbc增大了约43倍。估算中频增益 及其上截止频率fH由于偏置电阻RB的阻值（344k）较大，远大于信号源内阻Rs和晶体管输入电阻rbe，故在以下的分析计算中将RB开路处理。，。在求 的表达式及上截止频率时，可对电路进一步等效：Ci为输入回路总电容，Ci=Cbe+CM,Ci=189.6pF。从Ci两端向信号源方向做戴维南等效：为等效内阻，为等效信号源。，由图可见，共发射极放大电路可等效为两个一阶低通电路

16、的级联。输入回路的时间常数输出回路的时间常数时间常数时间常数一般情况下，输入回路中密勒电容CM的数值会相对较大。、从上面的分析看出：不需要推导整个电路的转移公式，只要从上面的分析看出：不需要推导整个电路的转移公式，只要求取：求取：1，电路，电路Avs02，输入、输出回路的时间常数：电容和电容两侧的等效电阻，输入、输出回路的时间常数：电容和电容两侧的等效电阻之积之积3，共射电路一般输入回路的极点为主极点。，共射电路一般输入回路的极点为主极点。估算 及其上截频fH1，只要求取输入、输出的时只要求取输入、输出的时间常数即可间常数即可式中，输入回路的时间常数输出回路的时间常数Rs对上截频的影响对上截频

17、的影响 和 fH反映了信号源内阻RS趋于零时共射放大电路的高频特性和上截止频率。综合分析：单管共发射极放大电路的高频放大特性通常主要取决于其输入回路。为提高电压增益的上截止频率，应首先减小输入回路的时间常数。为此可有三个方面的措施：选择rbb小、Cbc小、fT高的晶体管。减小信号源内阻RS，使信号源呈电压源的形式。减小负载电阻及管的直流工作点电流，以使Cbc的密勒电容随之减小。但这也会导致电路的中频增益的减小。增益带宽乘积放大电路的中频电压增益与上截止频率的乘积称为增益带宽乘积（GBW）。对单管共射电路，当在本例中，GBW=27.671.167106Hz=32.29106Hz。由GBW表达式可

18、见，当管参数（rbb、Cbc、fT）和信号源内阻（RS）决定后，放大电路的增益带宽乘积随gm、RL改变而变的程度较小，例如减小gmRL可以使Cbc的密勒电容减小、提高fH，但也付出了减小中频增益Avs0的代价。这种情况常在概念上表述为：增益带宽乘积基本为一常数。这是许多放大电路的电压增益的特点。4.3.2 单管共基极放大电路的高频特性单管共基极放大电路的高频特性 为简化计算，忽略rbb的影响，并利用电流源分割原理，将受控源分割到输出回路和输入回路:考虑到左边的受控源控制电压就是两端的电压，所以可以等效为一个电阻，阻值为1/gm。该电阻与rbe并联：列解方程可以得到：求取时间常数即可求取时间常数

19、即可Av的上限频率？的上限频率？系统的幅频和相频特性可表示为：可见：由于输入端输入电阻小，且没有Cbc的密勒效应在输入端的影响，所以fHi较高，如果输出端没有容性负载，fHo也很高共基电路具有：输入阻抗低、同相放大、较大的增益、较高的上截止频率。例例4.3.2:共基极放大电路的交流通路如图所示RC=2k，RL=2.5k，RS=1k，rbb=100，0=80，VA=100V，fT=300MHz，Cbc=4pF，T的直流工作点：ICQ1mA、VCEQ=3V。分析电路的电压增益函数和上截止频率。解：解：，相同工作情况下的共发射相同工作情况下的共发射极放大电路的上截止频率极放大电路的上截止频率约为约为

20、1.167MHz。Rs的阻值太大，增益的阻值太大，增益较低较低前面的计算忽略了前面的计算忽略了Rbb4.3.3 单管共集电极放大电路的高频特性单管共集电极放大电路的高频特性高频等效电路如图，由于Cbc跨接在输入端，容量很小，其两端的等效电阻（rbb和Rs）也较小，形成一个频率很高的高频极点。在高频分析时，主要关注主极点，该电容的影响忽略。根据电路列解方程组：一个零点和一个极点一个零点和一个极点例例4.3.3:共集电极放大电路如图。RE=3K,RL=60K.晶体管参数rbb=100，0=80，VA=100V，fT=300MHz，Cbc=4pF，RB=100K,ICQ1mA。计算信号源内阻RS分别

21、为1K和100时的电压增益函数和上截止频率。解：解：rbe=2.08K gm=38.46mSRs=1K时：时：fH=34.91MHz。Rs=100时：时：fH=191.3MHz。4.3.54.3.5放大电路的低频特性放大电路的低频特性 耦合电容的目的是隔断直流，使前后放大级的直流工作点不致相互影响，同时耦合交流信号。而旁路电容的目的是短路交流，使偏置或负反馈电阻不致降低电路的中、高频增益。由于晶体管的结电容较小，在低频段可以看成开路，对低频段频率特性产生影响的原因主要来自耦合电容和旁路电容（RC耦合放大电路）右图电路中CB、CC、CE对低频特性产生影响（包括与之相对应的等效电阻）下左图是忽略了

22、RB及rce后的低频等效电路右图是将射极回路中的CE、RE等效到基极回路后的低频等效电路。由于射极电路是基极电流的(1+)，所以，等效到基极回路后的RE=(1+)RE，CE=CE/(1+)从图中看出，当频率降低CE和CB使rbe上的电压下降，即增益下降。CC使得在RL上的电压下降，增益下降。CC与CE、CB处在不同回路，有受控源的隔离，可分开考虑。先将CC短路，求输入回路的电容对增益的影响先不考虑先不考虑CC的影响的影响两个极点和两个零点解该方程组，可得：实际电路中满足下列条件：考虑到C由RECE构成的零点，所以可以把由RECE构成的零点看成在零点附近，与p1抵消。开路开路其电压增益函数近似表

23、示为：即时间常数为C2和其并联的等效电阻构成。以上分析可知：总的电压增益函数可看成由两个极点(fL1,fL2)和两个零点(在原点）构成。例：设Rs=200，RC=3.3k，RE=1k，RL=5.1k，C1=C2=3.3F，CE=50F，rbe=1.5k，=100，忽略RB将以上参数代入前面给出的公式，可得：由于fL2fL1，所以系统的下限截止频率由fL1确定。组合放大电路将不同组态工作组合放大电路将不同组态工作的晶体管组合成一单元电路，的晶体管组合成一单元电路，达到综合利用各种组态电路的达到综合利用各种组态电路的优点的目的。优点的目的。一、共射共基组合放大电路一、共射共基组合放大电路共射电路的

24、集共射电路的集电极负载很小，电极负载很小，使使CM很小，很小，上限截止频率上限截止频率升高。升高。4.3.6 组合放大电路的频率特性组合放大电路的频率特性二、共集共射组合放大电路二、共集共射组合放大电路对于共射电路，输入的信对于共射电路，输入的信号源内阻很小号源内阻很小作业：作业：4.3.14.3.3+vS+RS+VCCRCRB3T1T2C2VZ+RB4+9V1K1.6K5KRE1.2KC3RB1RB23.8K5.3K5.5KC1voRL16KC4RZ1.5K6V题图4.3.9此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢