频率响应特性.ppt

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1、第第五五章章 频率响应频率响应特性特性51 频率响应的概念频率响应的概念 511 频率失真及不失真条件频率失真及不失真条件 一、频率失真一、频率失真 我我们们知知道道，待待放放大大的的信信号号，如如语语音音信信号号、电电视视信信号号、生生物物电电信信号号等等等等，都都不不是是简简单单的的单单频频信信号号，它它们们都都是是由由许许多多不不同同相相位位、不不同同频频率率分分量量组组成成的的复复杂杂信信号号，占有一定的频宽。占有一定的频宽。频率失真包括以下两种情况频率失真包括以下两种情况幅幅度度频频率率失失真真如如图图51(a)所所示示，若若某某待待放放大大的的信信号号是是由由基基波波(1)和和三三

2、次次谐谐波波(31)所所组组成成，如如果果放放大大器器对对三三次次谐谐波波的的放放大大倍倍数数小小于于对对基基波波的的放放大大倍倍数数，那那么么放放大大后后的的信信号号各各频频率率分分量量的的大大小小比比例例将将不不同同于于输输入入信信号号而而产生失真。产生失真。相相位位频频率率失失真真 如如果果放放大大器器存存在在电电抗抗元元件件使使基基波波和和三三次次谐谐波波产产生生了了不不同同的的时时延延,则则放放大大后后的的信信号号各各频频率率分分量量的的相位关系将不同于输入信号而产生失真。相位关系将不同于输入信号而产生失真。二、线性失真和非线性失真二、线性失真和非线性失真 频率失真属于线性失真，频率

3、失真属于线性失真，线性失真和非线性失真都线性失真和非线性失真都会使输出信号产生畸变，但两者有许多不同点：会使输出信号产生畸变，但两者有许多不同点：1.起因不同起因不同 线线性性失失真真由由电电路路中中的的线线性性电电抗抗元元件件引引起起，非非线线性性失失真真由由电电路路中中的的非非线线性性元元件件引引起起(如如晶晶体体管管或或场场效效应应管管的的特特性曲线的非线性等性曲线的非线性等)。2.结果不同结果不同 线线性性失失真真是是使使信信号号中中各各频频率率分分量量的的大大小小比比例例关关系系和和时时间间关关系系发发生生了了变变化化，或或是是滤滤掉掉了了某某些些频频率率分分量量的的失失真真，但但在

4、在输输出出信信号号中中不不产产生生输输入入信信号号中中所所没没有有的的新新的的频频率率分分量。量。三、不失真条件三、不失真条件理想频率响应理想频率响应 综综上上所所述述，若若放放大大器器对对所所有有不不同同频频率率分分量量信信号号的的放放大大倍倍数数相相同同，延延迟迟时时间间也也相相同同，那那么么就就不不产产生生频频率率失真，故不产生频率失真的条件为式（失真，故不产生频率失真的条件为式（5-2）(51)(52a)(52b)图图52给给出出了了不不产产生生线线性性失失真真的的振振幅幅频频率率响响应应和和相位频率响应，称之为理想频率响应。相位频率响应，称之为理想频率响应。图图52理想频率响应理想频

5、率响应(a)理想振幅频率响应；理想振幅频率响应；(b)理想相位频率响应理想相位频率响应 512 实际的频率特性及通频带定义实际的频率特性及通频带定义 实实际际的的振振幅幅频频率率特特性性一一般般如如图图53所所示示。在在低低频频和和高高频频区区放放大大倍倍数数有有所所下下降降，而而中中间间一一段段比比较较平平坦坦。为为分分析析方方便便起起见见，人人们们将将实实际际的的振振幅幅频频率率响响应应划划分分为为三三个个区区域域，即即中中频频区区、低低频频区区和和高高频频区区。并并定定义义上上限限频频率率fH、下下限限频频率率fL以以及及通通频频带带BW，以以便便定定量量表表征征频频率响应的实际状况。率

6、响应的实际状况。对于直接耦合放大器对于直接耦合放大器,其下限频率为零。其下限频率为零。图图53 实际的放大器幅频响应实际的放大器幅频响应(53)(54)(55)(56)(57)52 单级共射放大器的高频响应单级共射放大器的高频响应521 晶体管的频率参数和高频等效电路晶体管的频率参数和高频等效电路 一、晶体管的高频等效电路一、晶体管的高频等效电路 在在第第二二章章中中，我我们们学学习习过过晶晶体体管管的的结结电电容容包包括括势势垒垒电电容容和和扩扩散散电电容容。发发射射结结正正向向偏偏置置时时，扩扩散散电电容容成成分分较较大大，记记为为Cbe；而而集集电电结结为为反反向向偏偏置置，势势垒垒电电

7、容容起起主主要要作作用用，记记为为 Cbc。在在高高频频区区，这这些些电电容容呈呈现现的的阻阻抗抗较较小小，其其对对电电流流的的分分流流作作用用不不可可忽忽略略。考考虑虑这这些些极极间间电容影响后的高频混合电容影响后的高频混合小信号等效电路如图小信号等效电路如图54所示。所示。图图54 晶体管的高频小信号混合晶体管的高频小信号混合等效电路等效电路 二、晶体管的高频参数二、晶体管的高频参数 1.共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数(j)及其上限频率及其上限频率f 由于电容由于电容C be的影响，的影响，值将是频率的函数。根据值将是频率的函数。根据的的定义定义(58)(59)P45(2-32)

8、(511)|(j)|的频率特性如图的频率特性如图55所示。所示。图图55|(j)|与频率与频率f的关系曲线的关系曲线 2.特征频率特征频率fT 特特征征频频率率fT定定义义为为|(j)|下下降降到到1所所对对应应的的频频率率，如图如图55所示。所示。当当f=fT时时:(512)3.共基短路电流放大系数共基短路电流放大系数(j)及及f因为(513)522 共射放大器的高频响应分析共射放大器的高频响应分析 一、共射放大器的高频小信号等效电路一、共射放大器的高频小信号等效电路图图56(a)所所示示的的共共射射放放大大器器的的晶晶体体三三极极管管用用其其高高频频小小信信号号模模型型代代替替得得交交流流

9、等等效效电电路路如如图图56(b)所所示示。该该电电路路中中Cbc跨跨接接在在输输入入回回路路和和输输出出回回路路之之间间，使使高高频频响响应应的的估估算算变变得得复复杂杂化化，所所以以首首先先应应用用密密勒勒定定理理将将其其作单向化近似。作单向化近似。图图56（a)共射放大器电路共射放大器电路 图图56 (b)共射放大器的高频小信号等效电路共射放大器的高频小信号等效电路 (设设RB1RB2Rs 忽略忽略)二、密勒定理以及高频等效电路的单向化模型二、密勒定理以及高频等效电路的单向化模型 密密勒勒定定理理给给出出了了网网络络的的一一种种等等效效变变换换关关系系，它它可可以以将将跨跨接接在在网网络

10、络输输入入端端与与输输出出端端之之间间的的阻阻抗抗分分别别等等效效为并接在输入端与输出端的阻抗。为并接在输入端与输出端的阻抗。如如图图57(a)所所示示，阻阻抗抗Z跨跨接接在在网网络络N的的输输入入端端与与输出端之间，则等效到输入端的阻抗输出端之间，则等效到输入端的阻抗Z1为为图图57 密勒定理及等效阻抗密勒定理及等效阻抗 (a)原电路；原电路；I1I2图图57密勒定理及等效阻抗密勒定理及等效阻抗 (b)等效后的电路等效后的电路 I1I2(514)(515)(516)(517)(519a)(518)(519b)(520)(521)(522)利用图利用图58(b)的单向化简化模型，我们很快可以的

11、单向化简化模型，我们很快可以估算出电路的频率响应和上限频率估算出电路的频率响应和上限频率fH。单向化简化模型参数单向化简化模型参数:图图58密勒等效后的单向化等效电路密勒等效后的单向化等效电路(a)单向化模型；单向化模型；(b)进一步的简化等效电路进一步的简化等效电路 三、放大器高频增益表达式及上限频率三、放大器高频增益表达式及上限频率由图58(b)可见(523)(524)为中频增益为中频增益(525a)(525b)(526)(527)(528)其中其中为附加相移为附加相移根根据据式式(526)、(527)画画出出单单级级共共射射放放大大器器的的幅幅频频特特性性和和相相频频特特性性分分别别如如

12、图图59(a),(b)所所示示。在在半半功功率率点点处处对对应应的的附附加加相相移移为为-45，而而当当频频率率f10fH以以后后，附附加相移趋向于最大值加相移趋向于最大值(-90)。图图59 考虑管子极间电容影响后的共射放大器频率响应考虑管子极间电容影响后的共射放大器频率响应(a)幅频特性；幅频特性；(b)相频特性；相频特性；(c)幅频特性波特图；幅频特性波特图；(d)相频特性波特图相频特性波特图 四、频率特性的波特图近似表示法四、频率特性的波特图近似表示法将式将式(524)用对数频率响应来表示，即用对数频率响应来表示，即五、负载电容和分布电容对高频响应的影响五、负载电容和分布电容对高频响应

13、的影响令式令式(524)中的中的Aus(j)为为Aus(j),Uo为为Uo H为为H1,如图如图510(b)所示。所示。图图510 包含负载电容包含负载电容CL的电路及等效电路的电路及等效电路 (a)电路；电路；(b)等效电路等效电路(529)(531)(530)(532)(533)如果如果H2H2H1H1,则则H H H1图图511 同时考虑同时考虑Ci和和CL影响的波特图影响的波特图 六、结果讨论六、结果讨论通过以上分析，为我们设计宽带放大器提供了依据。通过以上分析，为我们设计宽带放大器提供了依据。1.选择晶体管的依据选择晶体管的依据；2.信号源内阻信号源内阻Rs对高频特性的影响；对高频特

14、性的影响；3.关于集电极负载电阻关于集电极负载电阻RC的选择原则；的选择原则；4.注意负载电容注意负载电容CL对高频特性的影响；对高频特性的影响；图图512 插入共集电路以减小插入共集电路以减小Rs大、大、CL大对大对fH的不良影响的不良影响53 共集电路的高频响应共集电路的高频响应 共集电路如图513(a)所示。这里，我们有意将基区体电阻rbb拉出来，并将Cbc及Cbe这两个对高频响应有影响的电容标于图中。与共射电路对比，我们有理由说，共集电路的高频响应比共射电路要好得多，即fH(CC)fH(CE)。图513共集电路高频响应的讨论(a)电路；(b)高频交流通路及密勒等效一、一、Cbc的影响的

15、影响 由于共集电路集电极直接连接到电源UCC，所以Cbc相当于接在内基极“b”和“地”之间，不存在共射电路中的密勒倍增效应。因为Cbc本身很小(零点几几pF),只要源电阻Rs及rbb较小，Cbc对高频响应的影响就很小。二、二、C be的影响的影响 这是一个跨接在输入端与输出端的电容，利用密勒定理将其等效到输入端(如图513(b)所示)，则密勒等效电容CM为(534)Au为共集电路的电压增益，是接近于1的正值，故CMCbe。三、三、CL的影响的影响(535)只要源电阻Rs较小，工作点电流ICQ较大，则Ro可以做到很小。所以时常数RoCL很小，fH2很高。因此说共集电路有很强的承受容性负载的能力。

16、54共基电路的高频响应共基电路的高频响应共基电路如图514所示，我们来考察晶体管电容Cbe和Cbc以及负载电容CL对高频响应的影响。图514共基电路高频响应的讨论(a)电路；(b)高频交流通路图514共基电路高频响应的讨论(a)电路；(b)高频交流通路一、一、C be的影响的影响 由图可见，如果忽略rbb的影响，则C be直接接于输入端，输入电容Ci=C be，不存在密勒倍增效应，且与Cbc无关。所以，共基电路的输入电容比共射电路的小得多。而且共基电路的输入电阻Rire=26mV/ICQ，也非常小，因此，共基电路输入回路的时常数很小，fH1很高。理论分析的结果fH1fT。二、二、C bc及及C

17、L的影响的影响如图514(b)所示，如果忽略rbb的影响，则Cbc直接接到输出端，也不存在密勒倍增效应。输出端总电容为Cbc+CL。此时，输出回路时常数为Ro(Cbc+CL)，输出回路决定的fH2为(536)三、共射三、共射共基级联的高频响应共基级联的高频响应如图515所示图515共射共基级联放大器图图516 共射共射共基差分宽带集成放大器电路共基差分宽带集成放大器电路(CA3040)55 差分放大器的频率响应差分放大器的频率响应差差分分放放大大器器的的频频率率响响应应与与单单管管放放大大器器没没有有本本质质上上的的区区别别。如如图图517(a)所所示示，对对于于差差模模信信号号来来说说可可用

18、用“半半电电路路”来来分分析析，其其“半半电电路路”如如图图517(b)所所示示。根根据据前前面面对对共共射射放放大大器器高高频频响响应应的的分分析析可可知知，差差分分放放大大器器双端输出的高频增益表达式为双端输出的高频增益表达式为(537)图图517 差分放大器电路差分放大器电路(a)差分放大器电路；差分放大器电路；(b)半电路半电路 图图519所所示示的的电电路路，是是一一种种单单端端输输出出的的差差分分放放大大器器,其其具具有有较较宽宽的的频频带带,因因为为它它实实际际上上是是共共集集-共共基基组组态态放放大大器器,而而共共集集、共共基基电电路路的的上上限限频频率率都都较较共共射射高高，

19、所所以总的上限频率主要受负载以总的上限频率主要受负载RC和和CL的制约。的制约。(538)(539)图图518 共集共集共基组态差分放大器共基组态差分放大器图519用于集成电路输入级的共集共基56 场效应管放大器的高频响应场效应管放大器的高频响应 561场效应管的高频小信号等效电路场效应管的高频小信号等效电路无论是MOS管或结型场效应管，其高频小信号等效电路都可以用图520所示的模型表示。图中，Cgs表示栅、源间的极间电容，Cgd表示栅、漏间的极间电容，Cds表示漏、源间的极间电容。图520场效应管的高频小信号等效电路562场效应管放大器的高频响应场效应管放大器的高频响应典型的场效应管共源放大

20、器电路如图521(a)所示，其高频小信号等效电路如图521(b)所示。图521场效应管放大器及其高频小信号等效电路(a)放大电路；(b)等效电路图521场效应管放大器及其高频小信号等效电路(a)放大电路；(b)等效电路由图5-21(b)可见，Cgd是跨接在放大器输入端和输出端之间的电容。应用密勒定理作单向化处理，可将Cgd分别等效到输入端(用CM表示)和输出端(用CM表示)，如图522所示。其中:(540)(541)图522场效应管共源放大器单向化模型(542)(543)(544)(545)(546)上述分析结果显示：(1)要提高fH,必须选择Cgs,Cgd,Cds小的管子。(2)fH高和Au

21、Is大是一对矛盾，所以在选择RD时要兼顾fH和AuIs的要求。(3)由于Ci(=Cgs+CM)的存在，希望有恒压源激励，即要求源电阻Rs小。共漏电路、共栅电路以及场效应管差分放大器的高频响应分析方法和晶体管电路的十分相似，在此不予重复。57 放大器的低频响应放大器的低频响应571 阻容耦合放大器的低频等效电路阻容耦合放大器的低频等效电路阻容耦合共射放大器电路如图523(a)所示。在低频区，随着频率的下降，电容C1、C2、CE呈现的阻抗增大，其分压作用不可忽视，故画出低频等效电路如图523(b)所示。图523(c)中，将gm直接接地，对输出电压和增益的计算不会有影响。图523阻容耦合共射放大器及

22、其低频等效电路图523阻容耦合共射放大器及其低频等效电路图523阻容耦合共射放大器及其低频等效电路572阻容耦合放大器低频响应分析阻容耦合放大器低频响应分析由图523(c)可见，因为有gm的隔离作用，C2对频率特性的影响与输入回路无关，可以单独计算。这样，在讨论C1、CE对低频特性的影响时可设C2短路;反之，在讨论C2对低频特性的影响时，可视C1、CE短路。一、一、C1、E对低频特性的影响对低频特性的影响如图523(c)所示，将随频率的下降而下降。一般电路能满足条件(547)(548)(549)(550)(551)(552)定性画出低频增益的幅频特性和相频特性如图524。可见，C1、CE的作用

23、使放大器的低频响应下降，其下限角频率L1反比于时常数(Rs+rbe)C。当=L1时，附加相移为+45，其最大附加相移为+90。(553)(554)图524阻容耦合放大器C1及CE引入的低频响应图525C2对低频响应影响的等效电路二、二、C2对低频响应的影响对低频响应的影响如前所述，在考虑C2的影响时，忽略C1、CE对低频响应的作用。为分析方便起见，将低频等效电路改画为图525所示，可见(555)(556)(中频源增益)(C2引入的下限角频率)(557)(558)(559)(560)三、讨论三、讨论(1)C1、E、C2越大，下限频率越低，低频失真越小，附加相移也将会减小。(2)因为CE等效到基极

24、回路时要除以(1+)，所以若要求CE对L1的影响与C1相同，需要求取CE=(1+)C1,所以射极旁路电容的取值往往比C1要大得多。(3)工作点越低，输入阻抗越大，对改善低频响应有好处。(4)RC,RL越大，对低频响应也有好处。(5)C1、CE、C2的影响使放大器具有高通特性，在下限频率点处，附加相移为正值，说明输出电压超前输入电压。(6)同时考虑低频和高频响应时，完整的频率特性如图526所示。图526阻容耦合放大器完整的频率响应58 多级放大器的频率响应多级放大器的频率响应如果放大器由多级级联而成，那么，总增益(561)(562)581多级放大器的上限频率多级放大器的上限频率fH 设单级放大器

25、的增益表达式为设单级放大器的增益表达式为(563)(564)(565)式中，式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|为多级放大器中为多级放大器中频增益。令频增益。令(566)(567)(568)582多级放大器的下限频率多级放大器的下限频率fL设单级放大器的低频增益为(569)(570)(571)(572)解得多级放大器的下限角频率近似式为解得多级放大器的下限角频率近似式为若各级下限角频率相等，即若各级下限角频率相等，即L1=L2=Ln,则则(574)59 建立时间建立时间tr与上限频率与上限频率fH的关系的关系 591建立时间建立时间tr的定义的定义 建建立立时时间间是是描描述述一

26、一个个线线性性网网络络对对快快速速变变化化信信号号的的反反应应能能力力。例例如如有有一一个个一一阶阶低低通通网网络络，如如图图527所所示示，如如果果在在其其输输入入端端加加一一个个阶阶跃跃信信号号，则则在在输输入入信信号号突突跳跳时时，输输出出信信号号是是不不能能突突跳跳的的，而而是是以以指指数数规规律律上上升升至至稳稳定定值值。所所谓谓建建立立时时间间tr是是描描述述该该电电压压上上升升快快慢慢的的一一个个指指标标，其其定定义义为为：uo从从10%Uom上上升升到到90%Uom所所需需要要的时间。的时间。图图527 建立时间建立时间tr的定义的定义 对于一阶对于一阶RC电路，可以导出电路，

27、可以导出根据根据tr的定义，可得出的定义，可得出tr与时常数与时常数H=RC的关系式为的关系式为(576)(575)592建立时间与上限频率的关系建立时间与上限频率的关系 建建立立时时间间表表示示电电路路对对快快速速信信号号的的反反应应能能力力，通通常常称称建建立立时时间间为为暂暂态态指指标标。而而上上限限频频率率可可表表示示电电路路对对高高频频信信号号的的响响应应能能力力，通通常常称称为为稳稳态态指指标标。它它们们从从不不同同的的角角度度描描述述电电路路的的性性能能。我我们们知知道道，如如果果信信号号的的前前沿沿越越陡陡峭峭，其其高高频频分分量量必必然然越越丰丰富富，所所以以建建立立时时间间

28、tr短短，则上限频率则上限频率fH一定高。一定高。从从前前面面分分析析可可见见，高高频频等等效效电电路路实实际际上上是是个个简简单单的的一一阶阶低低通通电电路路，时时常常数数RC与与上上限限频频率率的的关关系系式式由由式式(526)可见：可见：(577)对比式对比式(576)，建立时间，建立时间tr与与RC的关系式的关系式得出上限频率得出上限频率fH1与建立时间与建立时间tr1的关系式为的关系式为510 举例及计算机仿真举例及计算机仿真 例例1利用Pspice及Workbench软件平台，很容易计算和显示频率响应(包括幅频特性和相频特性)。图528给出了单级阻容耦合共射放大器电路及其对数频率响

29、应。图中晶体管型号为2N2712，负载电容为10pF，耦合电容为10F，旁路电容为100F。用波特图仪测得中频增益为45.97dB。移动光标位置至42.96dB处，可分别测得下限频率为125Hz，上限频率为3.16MHz。中频相移为-180(说明输出信号与输入反相)；对应下限频率处的相移为-135(附加相移为+45)；对应上限频率处的相移为-225(附加相移为-45)。图528共射放大器电路和频率响应(a)电路；(b)幅频特性和相频特性改变电路参数，将负载电容增大到100pF，耦合电容减小到1F，重新测得下限频率上升到285Hz，而上限频率下降到514kHz。可见频带变窄了。例2从Workbench器件库中调出集成运算放大器OP-07。用波特图仪测得其低频增益为114dB,而上限频率仅为1.22Hz。可见集成运算放大器的增益是非常大的，但频带非常窄，而且因为是直接耦合，所以下限频率fL=0。图529集成运算放大器OP-07的对数幅频特性