第3章放大电路的频率响应精选PPT.ppt

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1、第1页，本讲稿共51页 了解频率响应的一般概念；正确理解和掌握了解频率响应的一般概念；正确理解和掌握幅频特性及相频特性、频率失真问题和波特图幅频特性及相频特性、频率失真问题和波特图的应用；理解三极管的频率参数；理解和熟悉的应用；理解三极管的频率参数；理解和熟悉单管共射放大电路的频率响应；掌握混合单管共射放大电路的频率响应；掌握混合型型等等效电路分析法及频率响应；理解多级放大电路的效电路分析法及频率响应；理解多级放大电路的频率响应。频率响应。学习目的与要求第2页，本讲稿共51页3.1 频率响应的概念频率响应的概念 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，

2、它们的幅度及相位几乎都由固定比例关系的多频率分量组合而成，且具有一定的频谱。如音频信号的频率范围从20Hz到20kHz，而视频信号的频率范围可从直流到几十兆赫。当输入信号中含有不同频率的正弦分量时，电路的放大倍数就成为频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。放大电路中一般均存在如管子的极间电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等电抗元件，造成放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。因此放大电路的阻抗也都是信号频率f 的函数。频率响应是衡量放大电路对不同频率信号适应能力的一项技术指标。本章将介绍有关放大电路频率响应方面的知识。第3页，本讲稿共51页3.

3、1.1 幅频特性和相频特性 描写放大倍数之模与频率的关系曲线称幅频特性；而描写相位与频率的关系曲线称相频特性。共发射极放大电路的电压放大倍数通常用复数表示，即 式中幅度Au和相角都是频率f 的函数,典型的单管共射放大电路的波特图如图示。第4页，本讲稿共51页fAAm0.7AmfL下限频率fH上限频率通频带BW3.1.2 下限频率、上限频率和通频带 工程上规定，当放大倍数下降到中频值的0.707倍时，所对应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL及上限频率fH。图中上限频率fH和下限频率fL之差，称为通频带BW，即第5页，本讲稿共51页3.1.3 频率失真 当输入信号包含多次谐波时，经过放大电路

4、的放大，输出波形将产生频率失真，如上图所示。第6页，本讲稿共51页 因放大电路对不同频率信号的放大倍数不同，因此而产生的波形失真，称作频率失真。因放大电路对不同频率的信号产生的相移不同，因此而产生的波形失真，称为相位失真。3.1.3 频率失真第7页，本讲稿共51页 当全面分析频率响应时，常采用中频段、低频段与高频段三个频段进行。中频段是指在通频带以内的频率范围BW区间。中频段内各种容抗影响极小，可忽略不计。此时电压放大倍数基本上是一个与频率无关的常数。除了晶体管的反相作用外，无其他附加相移，所以中频电压放大倍数的相角180。低频段是指fL与原点之间的频率范围。这段频率范围内耦合、旁路电容的容抗

5、不可忽略,损耗一部分信号,使放大倍数下降usL,相移超前90。高频段是指fH之右的频率范围。引起高频段放大倍数下降的原因有两个：一是三极管的极间电容及接线电容起作用，将信号旁路掉一部分；二是晶体管的值也随频率升高而减小，从而使电压放大倍数下降，相移滞后90。第8页，本讲稿共51页频率失真与非线性失真不同频率失真与非线性失真不同 从现象上看，频率失真与第2章讨论的非线性失真相似，都是输出信号波形不能如实反映输入信号的波形，但是：1.频率失真是由于放大电路频带不够宽，因而对不同频率的信号响应不同而造成的失真，频率失真属于线性失真，这种失真不会产生新的频率信号；2.非线性失真则是由于放大电路中的非线

6、性器件的特性所造成的失真，属于非线性失真，非线性失真会产生新的频率信号。第9页，本讲稿共51页3.1.4 波特图 在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽，通常从几赫到几百兆赫以上，放大电路的放大倍数也很可从几倍至上百万倍，为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值用dB表示或相角采用线性刻度。这种半对数坐标的特性曲线称为对数频率特性或波特图波特图。例如：例如：f0fL-20dB/十倍频十倍频fH20dB/十倍频十倍频第10页，本讲稿共51页 波特图的横坐标频率f采用lgf 对数刻度，这样将频率的大幅度变化范围压缩在一个小范围内，幅频特性的纵坐标是电压增益

7、，用分贝dBdB表示为20lg|Au|，当A从10倍变化到100倍时，分贝值只从20变化到60。这样绘出的20lg|Au|lgf 的关系曲线称为对数幅频特性。40 20 6 3 0-3-20-4010010210.7070.10.013.1.4 波特图 画波特图时不是用逐点描绘曲线的方法，而是采用折线近似的方法画出的对数频率特性，放大电路的电压放大倍数与对数20lg|Au|之间的对应关系如下表所示。第11页，本讲稿共51页3.1.4 波特图 以RC高通和低通电路为例，具体说明波特图的画法。1.RC高通电路的波特图+_+_CRRC 高通电路 由RC高通电路图可得出电路的频率响应为：令则第12页，

8、本讲稿共51页3.1.4 波特图由取对数得显然第13页，本讲稿共51页3.1.4 波特图对数幅频特性 实际幅频特性曲线当 f fL(高频)，当 f fL(低频)，高通特性高通特性且频率愈低，的值愈小，低频信号不能通过。0.1 fLfL 10 fLf0-20-403dB最大误差为 3dB，发生在 f=fL处。-20dB/十倍频十倍频第14页，本讲稿共51页3.1.4 波特图对数相频特性5.71-45/十倍频十倍频fL0.1 fL 10 fL45900 f 误差由式可得，在低频段，高通电路产生 0 90的超前相移。5.71对数相频特性 实际相频特性曲线误差第15页，本讲稿共51页3.1.4 波特图

9、2.RC低通电路的波特图+_+_RCRC低通电路由电路图可得则令模相角第16页，本讲稿共51页3.1.4 波特图0.1 fHfH 10 fHf0-20-403dB对数幅频特性-20dB/十倍频实际幅频特性当 f fH(低频)，当 f fH(高频)，低通特性低通特性且频率愈高，的值愈小，高频信号不能通过。在f=fH处，对数幅频特性出现折线，该处最大误差3dB第17页，本讲稿共51页3.1.4 波特图fH 10 fH-455.715.71-900.1 fH0f对数相频特性实际相频特性-45/十倍频十倍频由式可得：误差 显然，电路允许ffT T时，放大系数模值将小于1，表明此时三极管失去了电整理后得

10、：第23页，本讲稿共51页3.2.3 共基截止频率 通常将共基电流放大系数的模值下降为低频时0的0.707倍时的频率定义为共基截止频率。用符号f0表示。其频率特性方程：比较 f 与 f 、fT 之间关系：可得第24页，本讲稿共51页3.2.3 共基截止频率可见共基截止频率f是共射截止频率f的1+0倍，一般情况下，三极管的三个频率参数：通常在要求频带较宽的放大电路中，应选择高频管；对频带无特殊要求时，方可选用低频管。第25页，本讲稿共51页3.3 单管共射极放大电路的频率响应单管共射极放大电路的频率响应定性分析定性分析中频区：频带较宽，在此范围内曲线是平坦的。即放大倍数不随信号频率而变。因此，中

11、频频率范围内，耦合电容、射极旁路电容视为短路，极间电容视为开路。高频区：高于fH的频率范围。当信号频率升高时，放大倍数随频率的升高而减少。在此频率范围内，幅频特性主要受双极型三极管极间电容的影响。低频区：低频区内放大倍数随频率的降低而减小。在小于fL的频率范围内幅频特性主要受耦合电容和旁路电容的影响。第26页，本讲稿共51页 根据BJT的特性方程，H参数的低频小信号模型不适用于高频特性的分析。因为，在高频情况下，其物理过程与低频小信号比较有差异，主要表现在BJT的极间电容不可忽略。如下图所示：3.3.1 混合型等效电路 图中电容Cbc是集电极与基极之间的等效电容；Cbe是发射极与基极之间的等效

12、电容。可得到三极管混合型等效电路：第27页，本讲稿共51页3.3.1 混合型等效电路 图示为高频小信号模型。由于高频小信号模型中的元件参数，在很宽的频率范围内与频率无关，所以模型中的电阻参数和互导gm都可以通过低频小信号模型参数得到。低频下若不考虑极间电容作用，混合 等效电路和 h 参数等效电路相仿，如右图所示：通过对比可得：第28页，本讲稿共51页则则一般小功率三极管第29页，本讲稿共51页混合 型等效电路中电容：可从器件手册中查到；并且(估算，fT 要从器件手册中查到)注意：将输入回路与输出回路直接联系起来，使解电路的过程变得十分麻烦。可用密勒定理简化电路！第30页，本讲稿共51页密勒定理

13、用两个电容来等效 Cb c。分别接在 b、e 和 c、e 两端。其中：电容值分别为：图中C是Cb e与等效电容(1-K)Cbc的并联等效电容值，即：则可得到如图所示单向化的混合型等效电路如右图所示：第31页，本讲稿共51页3.3.2 阻容耦合单管共射放大电路的频率响应 图中可把 C2 和 RL 看成下一级的输入耦合电容和输入电阻。因此，分析本级频率响应时，可以不考虑它们。第32页，本讲稿共51页1.中频段中频段等效电路如下：由图可得C1 可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。第33页，本讲稿共51页中频电压放大倍数中频电压放大倍数已知 ，则结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化 h 参数

14、等效电路的分析结果一致。显然，中频段电压放大倍数与频率无关，其波特图就是一条水平线。第34页，本讲稿共51页2.低频段显然，C1 与输入电阻构成一个 RC 高通电路考虑到隔直电容的作用，其等效电路如下所示：式中：Ri=Rb /rbe第35页，本讲稿共51页输出电压低频电压放大倍数第36页，本讲稿共51页低频时间常数为：下限(-3 dB)频率为：则低频电压放大倍数结论：结论：阻容耦合的单管共射放大电路的下限频率主要决定于低频时间常数L，L值越大，则fL越小，放大电路的低频响应越好。当中频电压放大倍数和下限频率求得后，运用波特图可以方便地画出幅频特性和相频特性。第37页，本讲稿共51页3.高频段考

15、虑到并联的极间电容影响，高频段等效电路为：由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。并用戴维南定理简化后得出其简化的等效电路图为：第38页，本讲稿共51页图中 C 与 R 构成 RC 低通电路。第39页，本讲稿共51页高频时间常数：上限(-3dB)频率为：故结论：结论：单管共射放大电路的上限频率取决于时间常数H；fH越大，电路的高频响应越好；为获得良好的高频响应，应选用极间电容较小的三极管。第40页，本讲稿共51页4.完整的波特图共射基本放大电路在全部频率范围内的表达式为 幅频特性波特图的画法要点掌握：1.波特图的作图原理是抓住两个趋势(左趋势、右趋势)，一个特殊点

16、(拐点)，取十倍频程；2.根据电路参数及计算公式求出中频电压放大倍数Ausm、下限频率fL和上限频率fH；第41页，本讲稿共51页3.在幅频特性的横坐标上，找到对应于fL和fH的两点；在 fL与fH之间的中频区作一条20lgAu的水平线；从f=fL点 开始，在低频区作一条斜率为20dB/十倍频程的直线折 向左下方；又从f=fH点开始，在高频区作一条斜率为 20dB/十倍频程的直线折向右下方。以上三段直线构成 的折线即是放大电路的幅频特性。如下图所示：f0fL-20dB/十倍频fH20dB/十倍频十倍频幅频特性第42页，本讲稿共51页相频特性波特图的画法要点掌握：1.在10fL至0.1fH之间的

17、中频区，=180；2.当f10fH前，=270；4.在0.1fL至10fL 之间以及0.1fH至10fH之间，相频特性分 别为两条斜率为 45/十倍频程的直线。以上五段直线构成的折线就是放大电路的相频特性。如下图所示：-270-225-135-180相频特性-9010 fL0.1fL0.1fH10 fHf0第43页，本讲稿共51页5.增益带宽积 增益带宽积是中频电压放大倍数和通频带的乘积，此乘积可用来表示放大电路的综合性能。假设 Rb Rs，Rb rbe；且(1+gmRc)Cb c Cb e第44页，本讲稿共51页说明：说明：上上式式很很不不严严格格，但但从从中中可可以以看看出出一一个个大大概

18、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数提提高高若若干干倍倍，则则通通频频带也将几乎变窄同样的倍数。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，首首要的问题是选用要的问题是选用 rbb 和和 Cb c 均较小的高频小功率三极管。均较小的高频小功率三极管。第45页，本讲稿共51页3.3.3 直接耦合单管共射放大电路的频率响应 集成放大电路基本上都采用直接耦合方式。由于直接耦

19、合的放大电路不通过隔直电容实现级连，在低频段就不存在因隔直电容上压降增大而使电压放大倍数减小的情况。因此，直接耦合放大电路的特点是低频段的频率响应好。直接耦合的放大电路高频段存在极间电容的影响，因此会造成电压放大倍数下降，同时产生090之间的滞后附加相移。直接耦合放大电路的波特图如下图所示：f0-20dB/十倍频-27010 fH-1800.1fH-90f0第46页，本讲稿共51页3.4 单管共射极放大电路的频率响应单管共射极放大电路的频率响应3.4.1 多级放大电路的幅频特性和相频特性多级放大电路的电压放大倍数为：对应的幅频特性为：多级放大电路的总相移为：第47页，本讲稿共51页3.4.1

20、多级放大电路的幅频特性和相频特性两级放大电路的幅频特性波特图如下所示：fHfLfOfL1fH16 dB3 dB3 dBBW1BW一一 级级二二 级级第48页，本讲稿共51页3.4.1 多级放大电路的幅频特性和相频特性两级放大电路的幅频特性波特图如下所示：-270-360fL1fH1fO-540-180-450-90一一 级级二二 级级 由波特图可看出：多级放大电路总的对数增益等于各级对数增益之和，总的相移也等于各组相移之和。多级放大电路的通频带总是比组成它的每一级的通频带窄。第49页，本讲稿共51页3.4.2 多级放大电路的上限频率和下限频率 多级放大电路的上限频率与组成它的各级上限频率之间，存在着近似关系：多级放大电路的下限频率与组成它的各级下限频率之间，也存在着下述近似关系：在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据。第50页，本讲稿共51页认真复习，加强练习，认真复习，加强练习，巩固成果，学以致用！巩固成果，学以致用！Goodbye!第51页，本讲稿共51页