放大電路的頻率響應(yīng)P.ppt

4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ),本章內(nèi)容,4.1BJT4.2基本共射極放大電路4.3放大電路的分析方法4.4放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題4.5共集電極放大電路和共基極放大電路4.6組合放大電路4.7放大電路的頻率響應(yīng),4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ),本章要求,1.了解雙極結(jié)型三極管(BJT)的結(jié)構(gòu)、工作原理、溫度對參數(shù)及特性的影響，掌握其符號(hào)、電流關(guān)系、特性曲線、參數(shù)、使用和應(yīng)用，三種工作狀態(tài)(區(qū))的條件、特點(diǎn)和判斷。,2.掌握基本共射極放大電路的組成、工作原理、靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。3.熟悉放大電路的圖解分析法、靜態(tài)工作點(diǎn)對波形失真的影響，掌握基本共射極放大電路的動(dòng)態(tài)分析、性能特點(diǎn)和用途。,4.了解溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，熟悉穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的措施，掌握基極分壓式射極偏置放大電路的組成、工,4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ),5.掌握共集電極放大電路和共基極放大電路的組成、工作原理、靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、性能特點(diǎn)和用途。6.熟悉組合放大電路的特點(diǎn)及分析方法、復(fù)合管的特點(diǎn)和判斷。,7.了解放大電路的頻率響應(yīng)，幅度失真、相位失真、頻率失真、線性失真、產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因、上限頻率、下限頻率、通頻帶。,作原理、靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、性能特點(diǎn)和用途。,4雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ),重點(diǎn)難點(diǎn),重點(diǎn)：雙極結(jié)型三極管(BJT)的符號(hào)、電流關(guān)系、特性曲線、參數(shù)、使用和應(yīng)用；三種基本放大電路(共射、共集和共基)的組成、工作原理、靜態(tài)分析(估算法)、動(dòng)態(tài)分析(小信號(hào)模型分析法)、性能特點(diǎn)和用途；穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的措施，基極分壓式射極偏置電路的組成、工作原理、靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、性能特點(diǎn)和用途。,難點(diǎn)：雙極結(jié)型三極管(BJT)的工作原理和特性曲線,放大電路的工作原理、靜態(tài)分析(圖解分析法、估算法)和動(dòng)態(tài)分析(圖解分析法、小信號(hào)模型分析法)，放大電路的頻率響應(yīng)。,4.7放大電路的頻率響應(yīng),本節(jié)內(nèi)容,本節(jié)只作定性分析,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因1.中頻段頻率響應(yīng)2.低頻段頻率響應(yīng)3.高頻段頻率響應(yīng)4.產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,4.7.A頻率響應(yīng)的概念1.頻率響應(yīng)2.幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)3.上限頻率和下限頻率4.通頻帶(帶寬),4.7放大電路的頻率響應(yīng),4.7.C線性失真1.幅度失真2.相位失真3.頻率失真4.線性與非線性失真的區(qū)別,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號(hào)模型2.BJT高頻小信號(hào)模型中元件參數(shù)值的獲得3.BJT的頻率參數(shù),4.7.D放大電路的頻率響應(yīng)1.幾個(gè)上限頻率的比較2.擴(kuò)展上限頻率的方法,4.7放大電路的頻率響應(yīng),3.增益-帶寬積4.多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),4.7.E研究頻率響應(yīng)的必要性為什么要研究頻率響應(yīng)？,4.7放大電路的頻率響應(yīng),本節(jié)要求,1.熟悉頻率響應(yīng)的有關(guān)概念。2.熟悉產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因。3.熟悉線性失真的有關(guān)概念。,4.了解BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)5.熟悉基本、多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)6.了解研究頻率響應(yīng)的必要性,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,頻率響應(yīng)是什么？,1.頻率響應(yīng)2.幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)3.上限頻率和下限頻率4.通頻帶(帶寬),由于存在電抗性元件(C、L)，其電抗隨頻率變化而變化,當(dāng)輸入信號(hào)頻率過低或過高時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)減小，同時(shí)產(chǎn)生超前或滯后的相移。因此放大電路對不同頻率的輸入信號(hào)的放大能力不同，其大小和相位隨頻率變化而變化。,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,1.頻率響應(yīng),頻率響應(yīng)(頻率特性)：放大電路的電壓放大倍數(shù)與正弦輸入信號(hào)的頻率的函數(shù)關(guān)系。,一般來說，電壓放大倍數(shù)是復(fù)數(shù)。,實(shí)際輸入信號(hào)包含很多頻率成分，具有一定的頻率范圍，如音頻信號(hào)為20Hz20kHz，視頻信號(hào)為04.5MHz，調(diào)頻(FM)廣播信號(hào)為88108MHz。在放大電路中,中頻區(qū)放大倍數(shù)與信號(hào)頻率無關(guān)。,2.幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)(1)幅頻響應(yīng),中頻區(qū),4.7.A頻率響應(yīng)的概念,低頻區(qū)放大倍數(shù)降低。,高頻區(qū)放大倍數(shù)降低。,低頻區(qū),高頻區(qū),呈現(xiàn)帶通特性,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,(2)相頻響應(yīng),電壓放大倍數(shù)的相位與頻率f的函數(shù)關(guān)系，即輸出電壓與輸入電壓之間相位差隨頻率變化而變化的規(guī)律。也稱為相頻特性。,=(f),中頻區(qū)相位與信號(hào)頻率無關(guān)。,低頻區(qū)產(chǎn)生正的(超前)附加相位移。,高頻區(qū)產(chǎn)生負(fù)的(滯后)附加相位移。,中頻區(qū),低頻區(qū),高頻區(qū),Po=V2o/R=(V2oM/2)/R=PoM/2，對應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)稱為半功率點(diǎn)高(上)半功率點(diǎn)、低(下)半功率點(diǎn)。,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,3.上限頻率和下限頻率,中頻區(qū),放大器放大的信號(hào)不同，最大容許值有所不同。聲或光的功率變化不超過一倍時(shí)，不會(huì)造成聽覺或,視覺明顯的變化。因此，確定一個(gè)半功率點(diǎn)作為放大倍數(shù)下降的最大容許值。,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,4.通頻帶(帶寬),高頻區(qū),低頻區(qū),上限頻率fH和下限頻率fL之差。,BW=fHfLfH,上限頻率fH和下限頻率fL(通頻帶)反映了放大電路對不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力。,在低頻區(qū)：,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,微波接力通信設(shè)備中的中頻放大器，在信號(hào)占據(jù)的頻率范圍70MHz6MHz內(nèi)，放大倍數(shù)的幅值變化只容許百分之幾，相頻特性容許的時(shí)延差不得超過1nS。,例如：音頻放大電路的下限頻率fL=20Hz，上限頻率fH=20kHz，則通頻帶BW=fH-fL=20kHz-20Hz=19.980kHzfH=20kHz。,不同信號(hào)的放大電路對上限頻率fH和下限頻率fL(通頻帶)的要求不同。,需要放大的輸入信號(hào)的頻率成分為100Hz10kHz，那么放大電路的通頻帶應(yīng)如何選擇？,4.7.A頻率響應(yīng)的概念,例1,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,產(chǎn)生頻率響應(yīng)有哪些原因？,1.中頻段頻率響應(yīng)2.低頻段頻率響應(yīng)3.高頻段頻率響應(yīng)4.產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,阻容耦合放大電路由于存在耦合電容、旁路電容及三極管的結(jié)電容、接線的分布電容等，其容抗隨頻率變化，信號(hào)頻率不同時(shí)，放大電路的輸出電壓相對于輸入電壓的幅值和相位將發(fā)生變化，因此放大電路對不同頻率的輸入信號(hào)的放大能力不同，其大小和相位隨頻率變化而變化。,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,耦合電容、旁路電容很大(F)，對中頻和高頻容抗很小，可看作短路；對低頻容抗較大，不能看作短路。,極間電容、分布電容很小(pF)，對中頻和低頻容抗很大，可看作開路；對高頻容抗較小，不能看作開路。,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,放大電路全頻段等效電路,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,1.中頻段頻率響應(yīng),耦合電容和旁路電容較大,對中頻段信號(hào)的容抗很小，視作短路。,三極管極間電容和導(dǎo)線分布電容很小,對中頻段信號(hào)的容抗很大,視作開路。,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,交流通路,小信號(hào)等效電路,中頻段電容不影響交流信號(hào)傳送，放大電路的放大倍數(shù)與信號(hào)頻率無關(guān)(前面討論的在中頻段)。,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,2.低頻段頻率響應(yīng),極間電容和分布電容容抗比中頻段還大，視作開路。,耦合電容和旁路電容對低頻段信號(hào)的容抗較大，不能視作短路。,交流通路：,等效電路：,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,耦合電容Cb1和旁路電容Ce的容抗較大，產(chǎn)生分壓，使三極管輸入端的電壓Vbe比輸,在低頻段放大倍數(shù)降低和相位移超前的主要原因是耦合電容和發(fā)射極旁路電容分壓的影響。,入信號(hào)Vi要小，Ib和Ic跟著減?。获詈想娙軨b2產(chǎn)生分壓，使輸出電壓Vo減小，故放大倍數(shù)降低，并使vo產(chǎn)生超前的相位移。,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,3.高頻段頻率響應(yīng),耦合電容和旁路電容的容抗比中頻段還小，視作短路。,極間電容和分布電容的容抗比中頻段小，不能視作開路。,等效電路：,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,在高頻段極間電容和分布電容的容抗減小，產(chǎn)生分流，使動(dòng),在高頻段放大倍數(shù)降低和相位移滯后的主要原因是三極管的極間電容和接線的分布電容分流、三極管的電流放大系數(shù)下降的影響。,態(tài)信號(hào)損失并產(chǎn)生滯后的相位移。高頻時(shí)三極管的電流放大系數(shù)也下降(見4.7.2)，使輸出電壓減小也產(chǎn)生滯后的相位移。,4.7.B產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,4.產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因,4.7.C頻率失真,頻率失真是什么？,1.幅度失真2.相位失真3.頻率失真4.線性與非線性失真的區(qū)別,4.7.C頻率失真,1.幅度失真,放大電路的幅頻特性破壞了輸入信號(hào)各分量間的相對幅度關(guān)系，對輸入,設(shè)輸入信號(hào)由基波和二次諧波組成，基波放大倍數(shù)大些，波形如右圖。,基波,二次諧波,輸入信號(hào),基波,輸出信號(hào),二次諧波,信號(hào)的不同頻率成分放大倍數(shù)不一樣，幅頻特性偏離中頻值，使輸出信號(hào)波形產(chǎn)生變形。,4.7.C頻率失真,2.相位失真,放大電路的相頻特性破壞了輸入信號(hào)各分量間的相對相位關(guān)系，對輸入,設(shè)輸入信號(hào)由基波和二次諧波組成，二次諧波相位滯后些，波形如右圖。,信號(hào)的不同頻率成分相位移(延遲時(shí)間)不一樣，相頻特性偏離中頻值，使輸出信號(hào)波形產(chǎn)生變形。,放大電路的頻率特性表示對不同頻率信號(hào)的傳輸特性，當(dāng)輸入信號(hào)為含有多個(gè)頻率分量的非正弦,4.7.C頻率失真,3.頻率失真,幅度失真和相位失真幾乎同時(shí)發(fā)生，都與放大電路的頻率特性有關(guān)，故合稱為頻率失真。,信號(hào)時(shí)，若頻率超出通頻帶范圍，非理想的頻率特性使輸出信號(hào)波形失真。,幅度失真和相位失真都是由于線性電抗元件引起的，又稱為線性失真。,線性失真和非線性失真都會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)波形失真。,4.7.C頻率失真,4.線性與非線性失真的區(qū)別,線性失真是由線性電抗元件引起的，不產(chǎn)生輸入信號(hào)中沒有的頻率分量。非線性失真是由非線性元件引起的，必然產(chǎn)生新的頻率分量。,設(shè)vi=Vim1Sin1t+Vim2Sin2t,線性失真：vo=Av1Vim1Sin1t+Av2Vim2Sin2t,非線性失真：vo=A1(Vim1Sin1t)2+Av2Vim2Sin2t=A1V2im1(1-Cos21t)/2+Av2Vim2Sin2t,若放大電路通頻帶(如200Hz15kHz)比輸入信號(hào)頻率范圍窄(如20Hz20kHz)，那么輸出信號(hào)將發(fā)生什么變化？,4.7.C頻率失真,例2,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),1.BJT的高頻小信號(hào)模型2.BJT高頻小信號(hào)模型中元件參數(shù)值的獲得3.BJT的頻率參數(shù),高頻時(shí)三極管的高頻小信號(hào)模型是怎樣的？,rc集電區(qū)體電阻,很小，幾，忽略。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),1.BJT的高頻小信號(hào)模型(1)模型的引出,4.3.2節(jié)討論的H參數(shù)小信號(hào)模型是低頻小信號(hào)模型，高頻時(shí)需要考慮結(jié)電容的影響。,rbb基區(qū)體電阻，約幾十幾百。,b基區(qū)內(nèi)假想的點(diǎn),c集電區(qū)內(nèi)假想的點(diǎn),e發(fā)射區(qū)內(nèi)假想的點(diǎn),rbc集電結(jié)反偏電阻，,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),re發(fā)射結(jié)正偏電阻，re=VT/IEQ=26mA/IEQ,Cbc集電結(jié)電容，幾十幾百pF。,Cbe發(fā)射結(jié)電容，幾十pF。,re發(fā)射區(qū)體電阻，很小，幾，忽略。,很大，約100k10M。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),(2)高頻小信號(hào)模型(混合模型),rbcrbc100k10M。,rbe發(fā)射結(jié)電阻re折算到基極回路的電阻。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),(3)簡化模型,高頻時(shí)集電結(jié)反偏電阻rbc>>集電結(jié)電容容抗1/Cbc，忽略rbc。,輸出電阻rce>>負(fù)載電阻RL，忽略rce。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),2.BJT高頻小信號(hào)模型中元件參數(shù)值的獲得(1)混合低頻模型,低頻時(shí)，忽略集電結(jié)電容Cbc和發(fā)射結(jié)電容Cbe，視作開路。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),(2)元件參數(shù)值的獲得,低頻時(shí)，混合模型與H參數(shù)模型等價(jià)，可從H參數(shù)模型得到混合模型一些參數(shù)。,基區(qū)體電阻rbb查手冊，rbb=幾十幾百。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),發(fā)射結(jié)電阻re折算到基極回路的電阻rbe,0為低頻時(shí)的，元件手冊所給的就是0。,0反映了三極管內(nèi)部對流經(jīng)rbe的電流的放大作用。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),互導(dǎo)(跨導(dǎo))gm,gm是與頻率無關(guān)的0與rbe之比，本身也與頻率無關(guān)。,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),集電結(jié)電容Cbc,查手冊的Cob(接成共基且射極開路時(shí)集基極間的結(jié)電容)。,CbcCob,發(fā)射結(jié)電容Cbe,查手冊的fT(特征頻率，=1時(shí)的頻率)。,見P164式(4.7.21c),4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),3.BJT的頻率參數(shù)(1)共射極截止頻率f,(2)特征頻率fT,=1時(shí)的頻率,時(shí)的頻率,4.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù),(3)共基極截止頻率f,f(10)fffT,時(shí)的頻率,f<<fTfHb(幾百M(fèi)Hz)>>fHe(幾MHz)。,4.7.D放大電路的頻率響應(yīng),2.擴(kuò)展通頻帶的方法(1)改善低頻響應(yīng),選用截止頻率fT高的晶體管。采用合適的信號(hào)源，充分發(fā)揮管子的高頻性能。共基電路采用電流源，共射、共集電路采用電壓源激勵(lì)。,增大耦合電容及回路電阻(作用有限)。采用直接耦合(此時(shí)fL=0)。,(2)改善高頻響應(yīng),4.7.D放大電路的頻率響應(yīng),3.增益-帶寬積,以共射電路為例。,增益-帶寬積不是頻率的函數(shù)。當(dāng)管子和電路參數(shù)確定后，帶寬增益積基本為一個(gè)常數(shù)。,增益和帶寬是矛盾，增益增大多少倍，帶寬就變窄多少倍。常把增益-帶寬積作為放大電路的重要性能指標(biāo)。,時(shí)兩級(jí)的增益為，即兩級(jí)帶寬小于單級(jí)帶寬。,單級(jí)的上下限頻率fH1、fL1處每級(jí)的增益為，此,4.7.D放大電路的頻率響應(yīng),4.多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),多級(jí)放大電路的通頻帶比組成它的任何一級(jí)的通頻帶都要窄。,以增益和頻帶均相同的兩級(jí)放大電路為例。,單級(jí),兩級(jí),fHfL1,f或時(shí)，每級(jí)Av都下降，總Av下降得更快。,4.7.E研究頻率響應(yīng)的必要性,為什么要研究頻率響應(yīng)?,頻率響應(yīng)描述了放大電路對不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力。,信號(hào)頻率升高時(shí)由于極間電容、分布電容和電流放大系數(shù)的影響使放大倍數(shù)降低和相位移滯后。,信號(hào)頻率下降時(shí)由于耦合電容和發(fā)射極旁路電容的影響使放大倍數(shù)降低和相位移超前。,4.7.E研究頻率響應(yīng)的必要性,因此放大電路對不同頻率的輸入信號(hào)放大能力不同，放大倍數(shù)的大小和相位隨頻率變化。每個(gè)放大電路都有一個(gè)確定的通頻帶，而輸入信號(hào)往往含有很多頻率分量，若頻率超出通頻帶范圍輸出信號(hào)波形就會(huì)失真。,的頻率范圍。別盲目追求寬頻帶，大于輸入信號(hào)的頻率范圍并留有適當(dāng)裕量即可，這還有利于抑制外部干擾。通頻帶過高使電路復(fù)雜，成本高，降低增益，易受干擾。,設(shè)計(jì)放大電路時(shí)需先知道輸入信號(hào)的頻率范圍，使放大電路的通頻帶大于輸入信號(hào)的頻率范圍。使用放大電路時(shí)要先查資料或?qū)崪y，確認(rèn)通頻帶，即能放大的輸入信號(hào),選用電子儀表儀器時(shí)，其通頻帶需大于被測信號(hào)的頻率范圍，否則產(chǎn)生失真，誤差增大。,4.7放大電路的頻率響應(yīng),本節(jié)小結(jié),1.頻率響應(yīng)、幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)、上限頻率和下限頻率、通頻帶(帶寬)。,2.中頻段、低頻段、高頻段產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因。,3.幅度失真、相位失真、頻率失真、線性失真、線性失真與非線性失真的區(qū)別。,4.BJT的高頻小信號(hào)模型、BJT高頻小信號(hào)模型中元件參數(shù)值的獲得、BJT的頻率參數(shù)f、fT、f。,5.共射截止頻率、共射電路上限頻率、共基電路上限頻率、共集電路上限頻率等幾個(gè)上限頻率比較，擴(kuò)展通頻帶的方法、增益-帶寬積、多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)。,6.放大電路通頻帶與輸入信號(hào)頻率范圍要相適應(yīng)。,