差分式放大與頻率響應(yīng)ppt課件

電子技術(shù)基礎(chǔ),模擬部分 （第六版）,1,電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分,1 緒論 2 運算放大器 3 二極管及其基本電路 4 場效應(yīng)三極管及其放大電路 5 雙極結(jié)型三極管及其放大電路 6 差分式放大與頻率響應(yīng) 7 模擬集成電路 8 反饋放大電路 9 功率放大電路 10 信號處理與信號產(chǎn)生電路 11 直流穩(wěn)壓電源,2,6 頻率響應(yīng),6.1 放大電路的頻率響應(yīng) 6.2 單時間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng) 6.3 共源和共射放大電路的低頻響應(yīng) 6.4 共源和共射放大電路的高頻響應(yīng) 6.5 共柵和共基、共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng) 6.6 擴展放大電路通頻帶的方法 6.7 多級放大電路的頻率響應(yīng) *6.8 單級放大電路的瞬態(tài)響應(yīng),3,6.1 放大電路的頻率響應(yīng),1、需要放大的信號通常都包含許多頻率成份。如話筒輸出的語音信號（20Hz20kHz ），衛(wèi)星電視信號（3.74.2GHz ）等。 2、放大電路中含有電抗元件或等效的電抗元件，導(dǎo)致對不同頻率的信號放大倍數(shù)和時延不同。若信號中不同的頻率成份不能被放大電路同等地放大（包括時延），則會出現(xiàn)失真現(xiàn)象（稱為線性失真或頻率失真）。,兩個現(xiàn)實情況,4,6.1 放大電路的頻率響應(yīng),因此，放大電路對不同頻率的輸入信號具有不同的放大能力，即增益是輸入信號頻率的函數(shù)。,放大電路對不同頻率信號產(chǎn)生不同響應(yīng)的根本原因,前兩章分析放大電路的性能指標時，是假設(shè)電路中所有耦合電容和旁路電容對信號頻率來說都呈現(xiàn)非常小的阻抗而視為短路；FET或BJT的極間電容、電路中的負載電容及分布電容對信號頻率來說都呈現(xiàn)非常大的阻抗而視為開路。,1、電抗元件的阻抗會隨信號頻率的變化而變化。 2、放大電路中有耦合電容、旁路電容和負載電容，F(xiàn)ET或BJT也存在PN結(jié)電容，此外實際電路中還有分布電容。,5,6.1 放大電路的頻率響應(yīng),放大電路典型的頻率響應(yīng)曲線,阻容耦合單級共源放大電路的典型頻率響應(yīng)曲線如圖所示，其中圖a是幅頻響應(yīng)曲線，圖b是相頻響應(yīng)曲線。一般有 fH fL,如果信號的所有頻率成份均落在通頻帶內(nèi)，則基本上不會出現(xiàn)頻率失真現(xiàn)象。,若已知信號的頻率成份，要設(shè)計出滿足要求的放大電路，最主要的任務(wù)就是設(shè)計出頻率響應(yīng)的fH和fL。,6,6.1 放大電路的頻率響應(yīng),1、正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是分析頻率響應(yīng)的基本方法 2、工程上常采用分段分析的簡化方法。即分別分析放大電路的低頻響應(yīng)、中頻（通頻帶）響應(yīng)和高頻響應(yīng)，最后合成全頻域響應(yīng)。其中通頻帶內(nèi)的響應(yīng)與頻率無關(guān)，就是前兩章放大電路性能指標的分析結(jié)果。 3、也可以用計算機輔助分析（如Spice等）的方法，獲得放大電路精確的頻率響應(yīng)曲線。,頻率響應(yīng)的分析方法,研究放大電路的動態(tài)指標（主要是增益）隨信號頻率變化時的響應(yīng)。具體包括： 1、頻率響應(yīng)的分析方法 2、影響放大電路頻率響應(yīng)的主要因素 3、如何設(shè)計出滿足信號頻帶要求的放大電路 4、各種組態(tài)放大電路頻率響應(yīng)特點,本章討論的主要內(nèi)容,7,6.2 單時間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng),6.2.1 RC高通電路的頻率響應(yīng) 6.2.2 RC低通電路的頻率響應(yīng),8,6.2.1 RC高通電路的頻率響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),且令,又,則,電壓增益的幅值（模）,（幅頻響應(yīng)）,電壓增益的相角,（相頻響應(yīng)）,9,6.2.1 RC高通電路的頻率響應(yīng),2. 頻率響應(yīng)曲線描述,最大誤差 -3dB,0分貝水平線,幅頻響應(yīng),10,6.2.1 RC高通電路的頻率響應(yīng),2. 頻率響應(yīng)曲線描述,相頻響應(yīng),低頻時，輸出超前輸入,因為,11,6.2.2 RC低通電路的頻率響應(yīng),幅頻響應(yīng),相頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),12,6.2.2 RC低通電路的頻率響應(yīng),幅頻響應(yīng),相頻響應(yīng),輸出滯后輸入,2. 頻率響應(yīng)曲線,13,6.3 共源和共射放大電路的低頻響應(yīng),6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng) 6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),14,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),低頻區(qū)內(nèi)，電路中的耦合電容、旁路電容的阻抗增大，不能再視為短路。,低頻小信號等效電路,15,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),為簡化分析，設(shè)低頻區(qū)內(nèi)，有,低頻小信號等效電路,則Rs可作開路處理,16,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),定性討論,Cb1所在的輸入回路構(gòu)成的是RC高通電路, ,輸入回路,17,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),定性討論,輸出回路也是高通電路，不過不是簡單的單時間常數(shù)RC高通電路。, ,輸出回路,18,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),由電路可列出方程,由前兩個方程得,19,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),代入第3個方程得源電壓增益,20,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),令,且,通帶內(nèi)（中頻）增益，與頻率無關(guān),Cb1引起的下限截止頻率,Cs引起的下限截止頻率,Cb2引起的下限截止頻率,21,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),其中 第1項是與頻率無關(guān)的通帶內(nèi)源電壓增益 后三項分別是3個與6.2節(jié)RC高通電路相同的低頻響應(yīng)。 可見共源放大電路的低頻響應(yīng)是由3個RC高通電路共同作用的結(jié)果。,則,為簡單起見，假設(shè)3個下限截止頻率fL1、fL2和fL3之間相距較遠（4倍以上），可以只考慮起主要作用的截止頻率的影響。例如有fL2 4 fL1，fL1 fL3，則上式簡化為,22,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),2. 增益的頻率響應(yīng)波特圖,水平線不是0 dB,f fL2時，相頻響應(yīng)為-180，反映了通帶內(nèi)輸出與輸入的反相關(guān)系,23,6.3.1 共源放大電路的低頻響應(yīng),若想盡可能降低下限截止頻率，則需要盡可能選擇大的旁路電容Cs和耦合電容Cb1、Cb2。但這種改善是很有限的，因此在信號頻率很低的使用場合，可考慮用直接耦合方式。,24,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),低頻小信號等效電路,Rb=（Rb1 | Rb2）遠大于Ri,25,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),定性討論,輸入回路構(gòu)成的是RC高通電路, ,輸入回路,輸出回路, ,輸出回路也是高通電路,26,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),由第2個方程得,由電路可列出方程,其中,27,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),代入第1個方程得源電壓增益,28,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),令,且,通帶內(nèi)（中頻）增益，與頻率無關(guān),由Cb1和Ce引起的下限截止頻率,Cb2引起的下限截止頻率,29,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),其中 第1項是與頻率無關(guān)的通帶內(nèi)源電壓增益 后兩項分別是2個與6.2節(jié)RC高通電路相同的低頻響應(yīng)。 可見共射放大電路的低頻響應(yīng)是由2個RC高通電路共同作用的結(jié)果。其中fL1與Cb1和Ce兩個電容有關(guān)。,則,為簡單起見，假設(shè)2個下限截止頻率fL1和fL2之間相距較遠（4倍以上），可以只考慮起主要作用的截止頻率的影響。例如有fL1 4 fL2，則上式簡化為,1. 增益的傳遞函數(shù),30,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),1. 增益的傳遞函數(shù),2. 增益的頻率響應(yīng)波特圖,水平線不是0 dB,f fL1時，相頻響應(yīng)為-180，反映了通帶內(nèi)輸出與輸入的反相關(guān)系,31,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),2. 增益的頻率響應(yīng)波特圖,包含fL2的幅頻響應(yīng),32,6.3.2 共射放大電路的低頻響應(yīng),若想盡可能降低下限截止頻率，則需要盡可能選擇大的旁路電容Ce和耦合電容Cb1、Cb2。但這種改善是很有限的，因此在信號頻率很低的使用場合，可考慮用直接耦合方式。,33,小結(jié),（1）通過對共源和共射放大電路低頻響應(yīng)的分析看到，影響低頻響應(yīng)的主要因素是旁路電容和耦合電容。若想盡可能降低放大電路的下限截止頻率，則盡量選用容量較大的旁路電容和耦合電容，其它組態(tài)的放大電路有類似的結(jié)論。 （2）以上分析過程均假設(shè)電路滿足一定條件，進行了簡化處理，實際上通過SPICE仿真可以得到更精確的分析結(jié)果。 （3）通過選用大容量電容降低下限截止頻率的效果通常是有限的，因此在信號頻率很低的場合，可考慮采用直接耦合的放大電路。,34,6.4 共源和共射放大電路的高頻響應(yīng),6.4.1 MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT 6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng) 6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù) 6.4.4 共射放大電路的高頻響應(yīng),35,6.4.1 MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT,1. MOS管的高頻小信號模型,Cgs柵-源電容 Cgd柵-漏電容 Csb源-襯底電容 Cdb漏-襯底電容 多數(shù)情況下，MOS管的源極和襯底連在一起，此時Csb被短路，而Cdb變?yōu)镃ds。,當信號頻率處于高頻區(qū)時，F(xiàn)ET或BJT的極間電容的阻抗將減小，不能再視為開路，需考慮它們帶來的影響。,36,其中Cgs的典型值為0.10.5pF，Cgd的典型值為0.010.04 pF及Cds通常小于1pF，rds為(104106) 。一般可從數(shù)據(jù)手冊上獲得這些參數(shù)。,Cgs柵-源電容 Cgd柵-漏電容 Cds漏-源電容,襯底與源極并接時的高頻小信號模型（也稱為模型）,6.4.1 MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT,1. MOS管的高頻小信號模型,37,2. 單位增益頻率fT,fT 共源組態(tài)、負載短路時電流增益等于1對應(yīng)的頻率（也稱為特征頻率）,rds和Cds被短路,6.4.1 MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT,38,2. 單位增益頻率fT,Cgd較小，在所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)，該支路電流遠小于受控源中的電流，所以可以忽略。,又,電流增益,6.4.1 MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT,39,2. 單位增益頻率fT,fT與gm成正比，與MOS管結(jié)電容成反比。fT越大，MOS管的高頻性能越好，由它構(gòu)成的放大電路的上限頻率就越高。早期以微米技術(shù)制造的MOS管的fT約為100MHz，現(xiàn)在以高速技術(shù)制造的MOS管的fT約為幾個GHz。,由,得,6.4.1 MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT,40,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),1. 高頻小信號等效電路,其中,41,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),1. 高頻小信號等效電路,定性討論,Cgs在輸入回路構(gòu)成低通電路, ,輸入回路, ,輸出回路,輸出回路也是低高通電路,42,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),2. 電路簡化,將Cgs左側(cè)電路進行電源等效變換,其中,為簡單起見，作如下假設(shè)：,，,得簡化后的電路,43,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),3. 密勒電容,對節(jié)點 d 列KCL得,由于輸出回路電流比較大，所以可以忽略的Cgd分流，得,而輸入回路電流比較小，所以不能忽略的Cgd分流,稱為密勒電容,相當于g和s之間存在一個電容，若用CM1表示，則,44,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),3. 密勒電容,同理，在d、s之間也可以求得一個等效電容CM2，且,得等效后的電路,再設(shè),且,45,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),3. 密勒電容,得最后簡化電路,同理，在d、s之間也可以求得一個等效電容CM2，且,得等效后的電路,再設(shè),且,46,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),4. 高頻響應(yīng)和上限頻率,輸入回路是RC低通電路,由電路得,得,其中,上限截止頻率,通帶內(nèi)源電壓增益,47,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),4. 高頻響應(yīng)和上限頻率,幅頻響應(yīng),RC低通電路幅頻響應(yīng),常數(shù)項,共源通帶增益的相位,48,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),4. 高頻響應(yīng)和上限頻率,只要求得通帶增益和上限截止頻率，便可畫出波特圖,由上述關(guān)系看出,增益越高，Cgd產(chǎn)生的密勒電容也越大，上限截止頻率越低,增益和帶寬相互制約,49,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),5. 增益-帶寬積,一般放大電路有 fH fL ， 則帶寬BWfH fL fH,若有,則,MOS管一旦確定，對相同的信號源,增益-帶寬積基本為常數(shù),# 如何提高帶寬？,50,6.4.2 共源放大電路的高頻響應(yīng),為簡化分析，上述分析過程對電路做了一些假設(shè)，盡管如此，其分析結(jié)果仍能符合大多數(shù)實際情況。 使用CAD（如SPICE）工具很容易獲得更精確的分析結(jié)果。,51,6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù),1. BJT的高頻小信號模型,-發(fā)射結(jié)電容,-集電結(jié)電阻,-集電結(jié)電容,rbb' -基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個點。,互導(dǎo),52,6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù),1. BJT的高頻小信號模型,高頻區(qū)通常有,，,模型簡化為,53,6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù),2. 模型參數(shù),從手冊中查出,（與頻率無關(guān)）,# 與信號頻率有關(guān)嗎？,54,6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù),由電路有,低頻時,所以,3. 的頻率響應(yīng),55,3. 的頻率響應(yīng),6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù),其中,幅頻響應(yīng),相頻響應(yīng),將 f =fT帶入幅頻響應(yīng),所以,56,3. 的頻率響應(yīng),6.4.3 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù),共發(fā)射極 的截止頻率,特征頻率,共基極 的截止頻率,f= (1+0 ) f ffT,另外,根據(jù),所以,可得,57,6.4.4 共射放大電路的高頻響應(yīng),1. 高頻等效電路,58,6.4.4 共射放大電路的高頻響應(yīng),1. 高頻等效電路,與共源放大電路類似也可求出密勒電容，得到等效電路,59,6.4.4 共射放大電路的高頻響應(yīng),2. 高頻響應(yīng)和上限頻率,其中,通帶源電壓增益,上限截止頻率,類似地求得源電壓增益響應(yīng),60,6.4.4 共射放大電路的高頻響應(yīng),2. 高頻響應(yīng)和上限頻率,與共源放大電路類似,61,例題,解：,模型參數(shù)為,低頻電壓增益為,又因為,所以上限頻率為,62,6.5 共柵和共基、共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng),6.5.1 共柵和共基放大電路的高頻響應(yīng) 6.5.2 共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng),63,6.5.1 共柵和共基放大電路的高頻響應(yīng),1. 高頻小信號等效電路,64,6.5.1 共柵和共基放大電路的高頻響應(yīng),2. 高頻響應(yīng),共柵放大電路的Cds均 共基放大電路無跨接在輸入輸出之間的電容，所以無密勒電容效應(yīng)，上限頻率高于共射放大電路。,65,6.5.2 共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng),1. 高頻小信號等效電路,66,6.5.2 共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng),2. 高頻響應(yīng),雖然Cgs和Cbe都會產(chǎn)生密勒效應(yīng)，但是應(yīng)為兩電路的增益均小于等于1，所以它們的密勒電容都很小，上限頻率遠高于同等工作條件下共源和共射放大電路。,67,6.6 擴展放大電路通頻帶的方法,擴展放大電路的通頻帶是指降低下限頻率和提高上限頻率。采用直接耦合的方式可以將下限頻率降至零，而提高上限頻率通常有三種方法，即將不同組態(tài)的放大電路級聯(lián)組合、外接補償元件、采用負反饋。此處只討論第一種方法。,將不同組態(tài)的放大電路級聯(lián)組合，可以減小前級密勒電容CM1= (1+gmRL)Cgd（或CM1= (1+gmRL)Cbc）中RL的值，從而減小CM1，提高上限頻率，損失的增益由后級補償，共源共基組合電路便是一例。,68,6.7 多級放大電路的頻率響應(yīng),1. 多級放大電路的增益, 前級的開路電壓是下級的信號源電壓, 前級的輸出阻抗是下級的信號源阻抗, 下級的輸入阻抗是前級的負載,69,6.7 多級放大電路的頻率響應(yīng),2. 多級放大電路的頻率響應(yīng),（以兩級為例）,70,*6.8 單級放大電路的瞬態(tài)響應(yīng),瞬態(tài)分析法是以單位階躍信號作為放大電路的輸入信號，研究放大電路輸出波形隨時間變化的情況，稱為放大電路的階躍響應(yīng)，又叫做放大電路的時域響應(yīng)。 常以上升時間和平頂降落作為放大電路的衡量指標。瞬態(tài)分析法的優(yōu)點在于從瞬態(tài)響應(yīng)上可以直觀地判斷放大電路放大階躍信號的波形失真情況，并可利用脈沖示波器直接觀測放大電路的瞬態(tài)響應(yīng)。 瞬態(tài)分析法的缺點是分析比較復(fù)雜，這一點在分析復(fù)雜電路和多級放大電路時更為突出。 頻率響應(yīng)（穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）屬于頻域分析，瞬態(tài)響應(yīng)屬于時域分析。在工程實際中，這兩種方法可以互相結(jié)合，互為補充。,71,*6.8 單級放大電路的瞬態(tài)響應(yīng),如果放大電路輸出電壓的上升沿也很陡，說明放大電路能很好地響應(yīng)快速變化的信號。 如果放大電路輸出電壓的頂部也很平，則說明放大電路對變化緩慢的信號也有很好的放大能力。,1. 階躍信號特點,72,*6.8 單級放大電路的瞬態(tài)響應(yīng),2. 放大電路的階躍響應(yīng),上升時間tr,放大電路對階躍電壓上升沿的響應(yīng)反映了對信號快速變換的響應(yīng)情況，對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)分析中的高頻響應(yīng)，所以可用RC低通電路來模擬,73,*6.8 單級放大電路的瞬態(tài)響應(yīng),2. 放大電路的階躍響應(yīng),上升時間tr,上升時間tr 輸出電壓從最終值的10%上升至90%所需的時間,放大電路上限截止頻率,則有,上升時間tr與上限頻率fH成反比，fH越高，則上升時間愈短，前沿失真越小。,74,*6.8 單級放大電路的瞬態(tài)響應(yīng),2. 放大電路的階躍響應(yīng),平頂降落,階躍電壓的平頂階段，反映了對緩慢變化信號的響應(yīng)情況，對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)分析中的低頻響應(yīng)，可用RC低通電路來模擬,平頂時間tp滿足 RC tp,則,下限截止頻率,得,平頂降落 與下限頻率fL成正比，fL越低，平頂降落 越小。,end,75,