模電閻石第五版第五章放大電路的頻率響應(yīng).ppt

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1、第 五 章,放大電路的頻率響應(yīng),電子學(xué)教研室,授課內(nèi)容：,5.1 頻率響應(yīng)概述,5.2 晶體管的高頻等效模型,5.3 單管放大電路的頻率響應(yīng),5.4 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),5.1頻率響應(yīng)概述,5.1.2 高通電路和低通電路,5.1.3 波特圖,5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性,,5.1.1 研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性,（一）電路中的幾種元件和頻率的關(guān)系,電容,電感,電阻,,,,在放大電路中，由于電抗元件，及半導(dǎo)體管極間電容的存在，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過低或過高時(shí)，不但放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)減少，而且會(huì)產(chǎn)生相位移。這說明放大倍數(shù)是信號(hào)頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性,（二）頻率響應(yīng)

2、定義,頻率特性是衡量放大電路對(duì)不同頻率輸入信號(hào)適應(yīng)能力的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。,信號(hào)不是單一頻率的，而是具有一定的頻譜,5.1.2 頻率響應(yīng)的基本概念,在放大電路中，由于耦合電容的存在，對(duì)信號(hào)構(gòu)成了高通電路（如與負(fù)載電阻形成），即對(duì)于頻率足夠高的信號(hào)電容相當(dāng)于短路，信號(hào)幾乎毫無損失地通過；而信號(hào)頻率低到一定程度，電容的容抗不可忽略，信號(hào)將在上面產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。,由于半導(dǎo)體管極間電容的存在，對(duì)信號(hào)構(gòu)成了低通電路（如與rbe），即對(duì)于頻率足夠低的信號(hào)電容相當(dāng)于開路，對(duì)電路不產(chǎn)生影響；而信號(hào)頻率高到一定程度，極間電容將分流，

3、從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。,則,,5.1.2 高通電路與低通電路,,一、高通電路,設(shè)輸入電壓 ，輸出電壓,令,回路的時(shí)間常數(shù),幅頻特性,相頻特性,,,電壓放大倍數(shù)用幅值和相角表示：,(1),(2),(3),,f=fL,稱為下限截止頻率，簡稱下限頻率。,二、低通電路,回路的時(shí)間常數(shù),令,則,電壓放大倍數(shù)用幅值和相角表示：,(1),(2),(3),,f=fH,稱為上限截止頻率，簡稱上限頻率.,三、放大電路的通頻帶,放大電路的通頻帶：,通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。,（一）波特圖簡介,5.1.3 波特圖,為了在同一坐標(biāo)系中表示如此寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時(shí)

4、常采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，稱為波特圖。,輸入信號(hào)頻率范圍：幾赫上百兆赫,放大倍數(shù)范圍：幾倍上百萬倍,,波特圖由兩部分組成：對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性。,（2）對(duì)數(shù)相頻特性坐標(biāo)軸,f,（1）對(duì)數(shù)幅頻特性坐標(biāo)軸,（二）波特圖畫法,1. 高通電路的波特圖,把電壓放大倍數(shù)的幅值取對(duì)數(shù)得：,(1),(2),(3),高通電路對(duì)數(shù)幅頻特性可近似地用兩條直線構(gòu)成的折線來表示。交于f=fL這一點(diǎn)。,最大誤差3dB,(1),(2),(3),高通電路對(duì)數(shù)相頻特性可近似地用三條直線構(gòu)成的折線來表示。,,,,,,2. 低通電路的波特圖,把電壓放大倍數(shù)的幅值取對(duì)數(shù)得：,(3),(2),(1),低通電路對(duì)數(shù)幅頻特性可近似地用兩條直線

5、構(gòu)成的折線來表示。交于f=fH這一點(diǎn)。,最大誤差3dB,(1),(2),(3),低通電路對(duì)數(shù)相頻特性可近似地用三條直線構(gòu)成的折線來表示。,,,,,,（三）波特圖表示頻率響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),1.可以拓寬視野，在較小的坐標(biāo)范圍內(nèi)表示較寬 頻率范圍的變化。,3.將幅值的相乘轉(zhuǎn)換成幅值的相加。 體現(xiàn)在多級(jí)放大電路中，放大倍數(shù)是各級(jí)放大倍數(shù) 的乘積，所以在畫對(duì)數(shù)幅頻特性時(shí)，只需將各級(jí)的 對(duì)數(shù)增益相加即可。,2.作圖方便?？梢杂谜劬€化的近似波特圖表示放大電路的頻率響應(yīng)。如果只需頻率響應(yīng)的粗略信息，那么以漸近直線來近似表示是足夠的。,5.2 晶體管的高頻等效模型,5.2晶體管的高頻等效模型,5.2.1 晶體管的混合

6、 模型,5.2.2 晶體管電流放大倍數(shù) 的頻率響應(yīng),5.2.1 晶體管的混合 模型,一、1、共射h參數(shù)等效模型回顧,,利用網(wǎng)絡(luò)的h參數(shù)來表示輸入、輸出電壓與電流的相互關(guān)系，得到共射h參數(shù)低頻等效模型.,受控電流源的引入：,從晶體管的物理結(jié)構(gòu)出發(fā),考慮發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容的影響,就可以得到在高頻信號(hào)作用下的物理模型,稱為混合 模型. 其與h參數(shù)等效模型在低頻信號(hào)作用下具有一致性。,圖5.2.1晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖,圖5.2.1晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖,rbb ---基區(qū)的體電阻,通常幾十歐幾百歐。,b是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。,晶體管的受控電流 與發(fā)射結(jié)電壓 成線性關(guān)系,且與信號(hào)頻率無關(guān).,,稱為跨導(dǎo)

7、,它是一個(gè)常數(shù),表明 對(duì) 的控制關(guān)系,根據(jù)半導(dǎo)體物理的分析，,圖5.2.1晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖,,遠(yuǎn)大于c - e間所接的負(fù)載電阻, 視為開路,也遠(yuǎn)大于 的容抗,因而可認(rèn)為 開路.,,,圖5.2.2(a)簡化后的混合 模型,,將 等效在輸入回路和輸出回路,稱為單向化.單向化是靠等效變換實(shí)現(xiàn)的.設(shè) 折合到b- e間的電容為 ,折合到 c - e間的電容為 ,則單向化之后的電路如(b)所示.,流經(jīng)的電流等于流經(jīng)的電流，同時(shí)也等于流經(jīng) (與圖中規(guī)定的相反)的電流,為保證變換的等效性，要求變換前后電流保持不變,,,,,,,,,等效變換過程如下:,從 看進(jìn)去 中流過的電流為,集電結(jié)電容的

8、容抗設(shè)為:,流經(jīng)的電流為：,考慮在近似計(jì)算時(shí), 取中頻時(shí)的值,所以,間總電容為：,(5.2.2),(5.2.1),說明 是 的 分之一。,,流經(jīng)的電流：,,,將簡化的混合 模型與簡化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)是完全相同的。,h參數(shù)等效模型,從混合 模型中可以看出，參數(shù)包括：,(一). 基區(qū)體電阻,與參雜濃度和制造工藝有關(guān)。,(二). 發(fā)射結(jié)電阻,(5.2.4),h參數(shù)等效模型,雖然受控電流的表述方法不同，但是它們所表述的是同一個(gè)物理量。,混合 模型,為低頻段晶體管的電流放大系數(shù),,由于,(四).,(5.2.2),是晶體管為共基接法且發(fā)射極開路時(shí)c b間的結(jié)電容.,與

9、 近似在分析估算時(shí)可將 近似為,的數(shù)值可通過手冊(cè)給出的特征頻率和放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)求解是電路的電壓放大倍數(shù)，可通過計(jì)算得到,5.2.2 晶體管電流放大倍數(shù) 的頻率響應(yīng),基極注入的交流電流的幅值不變。,,信號(hào)頻率升高,,間的電壓 的幅值將減小，相移將增大,的幅值線性下降,且產(chǎn)生相位移。,,在中頻段，晶體管共射極電流放大系數(shù) 是一個(gè)常數(shù)。,高頻段，信號(hào)頻率變化時(shí)與的關(guān)系也隨之變化，即電流放大系數(shù)不是常量，且信號(hào)頻率愈高，的幅值愈小，相移愈大所以是頻率的函數(shù),由于 與 的存在,使 和 的大小、相角均與頻率有關(guān)。,根據(jù)h21e的定義:,是在c - e間無動(dòng)態(tài)電壓，即c - e間短路時(shí)動(dòng)態(tài)

10、電流與之比,(2.3.8c),交流分量 Uce=0,電流放大系數(shù)的定義：,因此:,c - e間無動(dòng)態(tài)電壓,(5.2.2),說明當(dāng)c-e間交流短路時(shí)，輸入回路的等效電容就是發(fā)射結(jié)電容和集電結(jié)電容并聯(lián)之后的總電容。,的推導(dǎo)過程如下：,（5.2.6）,說明 的頻率響應(yīng)與低通電路相似,令回路時(shí)間常數(shù),(5.2.7),為 的截止頻率，稱為共射截止頻率,,(5.2.8),,用對(duì)數(shù)幅特頻性與對(duì)數(shù)相頻特性表示為：,的波特圖,當(dāng)20lg||下降3dB時(shí),頻率f 稱為共射截止頻率。,當(dāng)||=1（0分貝）時(shí)對(duì)應(yīng)的 頻率稱特征頻率fT.,特征頻率求法：,利用 的表達(dá)式，可以求出 的截止頻率：,(5.2.11),

11、是使| |下降到70.7 的頻率，稱為共基截止頻率。,(5.2.12),共基截止頻率 、共射截止頻率 和特征頻率的比較,,共基電路的截止頻率遠(yuǎn)高于共射電路的截止頻率，因此共基放大電路可做為寬頻帶放大電路,的求解方法 ：,在器件手冊(cè)中查出,,,5.3 場效應(yīng)管的高頻等效模型,(a)場效應(yīng)管高頻等效模型,一般情況下 rgs和rds比外接電阻大得多，可認(rèn)為他們是開路的。,由于場效應(yīng)管各級(jí)之間存在極間電容，因而其高頻響應(yīng)與晶體管相似。,,(b)簡化模型,g-s間等效電容為：,d-s間等效電容為：,,5.4 單管放大電路的頻率響應(yīng),5.4 單管放大電路的頻率響應(yīng),5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng),5

12、.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng),5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增 益帶寬積,5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng),圖5.4.1(a)共射放大電路,,一般情況為了分析問題方便，將輸入信號(hào)的頻率 范圍分為三段： 中頻段：極間電容視為開路，耦合電容視為短路。,低頻段：極間電容視為開路，考慮耦合電容的影響。,高頻段：耦合電容視為短路，考慮極間電容的影響。,一.中頻電壓放大倍數(shù),在中頻段，極間電容因容抗很大而視為開路，耦合電容（或旁路電容）因容抗很小而視為短路，故不考慮他們的影響；,圖5.4.1(b)適應(yīng)于信號(hào)頻率 從零到無窮大的交流等效電路,將視為短路；,在中頻電壓信號(hào) 作用于電路時(shí)，,將

13、 視為開路；,由于,又由于,,,圖5.4.2 單管放大電路的中頻等效電路,中頻電壓放大倍數(shù)用 表示：,(一)輸出回路,,,(二)輸入回路,輸入電阻：,(5.4.1),中頻電壓放大倍數(shù)：,電路空載時(shí)的中頻電壓放大倍數(shù)為:,(5.4.2),二.低頻電壓放大倍數(shù),在低頻段，主要考慮耦合電容（或旁路電容）的影響，此時(shí)極間電容仍視為開路；,(b)輸出回路的等效電路,圖5.4.3 單管共射放大電路的低頻等效電路,,電容C與負(fù)載電阻 組成了高通電路。,通高阻低,(b)輸出回路的等效電路,是空載時(shí)的輸出電壓。,輸出回路:,低頻電壓放大倍數(shù)用 表示：,(b)輸出回路的等效電路,,將上式的分子與分母同除以

14、 便可得到,,思考：為什么除以(RC+RL)?,C所在回路的等效電阻為(RC+RL)。,,下限頻率表達(dá)式為：,C所在回路的時(shí)間常數(shù),(5.4.3),越小，放大電路的低頻特性越好,用模和相角來表示為：,對(duì)數(shù)幅頻特性及相頻特性的表達(dá)式為:,因電抗元件引起的相移稱為附加相移。,表示中頻段時(shí) 與 反相。,在低頻段，由 引起的最大附加相移為 。,,,三.高頻電壓放大倍數(shù),在高頻段，主要考慮極間電容的影響，此時(shí)耦合電容（或旁路電容）仍視為短路；,圖5.4.4(a)高頻等效電路,(b)輸入回路的等效變換,R和 構(gòu)成了低通電路。,,(c)輸入回路,間的開路電壓：,等效內(nèi)阻R的表達(dá)式：,(c)輸

15、入回路,(b)輸入回路的等效變換,高頻電壓放大倍數(shù):,令 ， 是 所在回路的時(shí)間常數(shù).,(5.4.8),越大，放大電路的高頻特性越好,在高頻段，由 引起的最大附加相移為 。,用模和相角來表示為：,對(duì)數(shù)幅頻特性及相頻特性的表達(dá)式為:,,四、波特圖,考慮到耦合電容和結(jié)電容的影響，對(duì)于頻率從零到無窮大的輸入電壓，電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式為：,(5.4.14),(1) 當(dāng) 時(shí)，,(2) 當(dāng)輸入信號(hào)頻率f 接近fL時(shí)，,(3) 當(dāng)輸入信號(hào)頻率f 接近fH時(shí)，,注意：頻率在其他范圍時(shí) f fH 和 f<

16、數(shù)計(jì)算出,畫幅頻特性曲線,中頻區(qū)：從fL到fH之間，畫一條高度等于 的水平直線。,低頻區(qū)：從f=fL開始，向左下方作一條 斜率為 的直線。,高頻區(qū)：從f=fH開始，向右下方作一條 斜率為 的直線。,畫相頻特性曲線,中頻區(qū)：從10fL到0.1fH之間，畫一條 的水平直線。,,,,解：,(1)求解Q點(diǎn)：,說明管子工作在放大區(qū)，Q點(diǎn)合適。,,,圖5.4.2 中頻等效電路,(2)求解混合 模型中的參數(shù),,(3)求解中頻電壓放大倍數(shù)：,圖5.4.2 中頻等效電路,,(4)求解fH和fL,因?yàn)镽S

17、<

18、好。,為了改善單管放大電路的低頻特性，需加大耦合電容及其回路電阻，以增大回路時(shí)間常數(shù)，從而降低下限頻率。,通過左圖幅頻特性，判斷該電路 的耦合方式？,思考題：,答：直接耦合,在信號(hào)頻率很低的使用場合，應(yīng)考慮采用直接耦合方式，使得 ，即認(rèn)為電容容抗為零，或者其電容C為無窮大；直接耦合放大電路的一個(gè)重要特點(diǎn)，就是低頻特性好。,二、高頻特性的改善,上限頻率越高，高頻特性越好。,,為了改善單管放大電路的高頻特性，需減小 間等效電容 或 g-s 間等效電容 及其回路電阻，以減小回路時(shí)間常數(shù)，從而增大上限頻率。,三、增益帶寬積,中頻電壓放大倍數(shù)：,,單管共射放大電路的增益帶寬積,,在假

19、設(shè)條件均成立的條件下，上式將變換成,整理可得,（5.4.15）,管子選定，增益帶寬積就大體確定；那么，增益增大多少倍，帶寬幾乎就變窄多少倍，這個(gè)結(jié)論具有普遍性。,改善電路的高頻特性，展寬頻帶的方法：,應(yīng)選用 和 均小的高頻管；,盡量減小 所在回路的總等效電阻；,考慮采用共基電路，共基電路的截止頻率 遠(yuǎn)高于共射電路的截止頻率，因此共基放大 電路可做為寬頻帶放大電路。,場效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積,（5.4.16）,場效應(yīng)管選定后，增益帶寬積也近似為常量。因此改善高頻特性的根本是選擇 小的管子并減小 的阻值。,5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),5.5.2

20、截止頻率的估算,5.5.1 多級(jí)放大電路的頻率特性的定性分析,在多級(jí)放大電路中含有多個(gè)放大管，因而在高頻等效電路中就含有多個(gè)極間電容，即有多個(gè)低通電路； 在阻容耦合放大電路中，含有多個(gè)耦合電容，則在低頻等效電路中就多個(gè)高通電路。 對(duì)于含有多個(gè)電容回路的電路，如何求解截止頻率？下面進(jìn)行討論：,5.4.1 多級(jí)放大電路的頻率特性的定性分析,設(shè)組成兩級(jí)放大電路的兩個(gè)單管放大電路具有相同的頻率響應(yīng)：,3、同理,上限截止頻率時(shí)也有同樣的性質(zhì).,兩級(jí)放大電路的通頻帶比組成 它的單級(jí)放大電路窄。,,對(duì)于一個(gè)n級(jí)放大電路，可以得出 結(jié)論：,推廣：,5.5.2 截止頻率的估算,一、下限頻率fL,當(dāng),n級(jí)

21、放大電路低頻段的電壓放大倍數(shù)為：,n級(jí)放大電路高頻段的電壓放大倍數(shù)為：,二、上限頻率fH,若兩級(jí)放大電路是由兩個(gè)具有相同頻率特性的單管放大電路組成則其上、下限頻率分別為：,具有相同頻率特性的三級(jí)放大電路則其上、下限頻率分別為：,放大電路的級(jí)數(shù)越多，頻帶越窄。,三級(jí)放大電路的通頻帶幾乎是單級(jí)電路的一半。,截止頻率的確定方法：,在多級(jí)放大電路中，某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級(jí)的下限頻率（5-10倍），則整個(gè)電路的下限頻率就是該級(jí)的下限頻率。,某級(jí)的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級(jí)的上限頻率（5-10倍），則整個(gè)電路的上限頻率就是該級(jí)的上限頻率。,上、下限頻率估算公式多用于各級(jí)截止頻率相差不多的情況。,對(duì)于多個(gè)

22、耦合電容和旁路電容的單管放大電路，應(yīng)先求出 每個(gè)電容確定的截止頻率，然后再確定下限頻率。,3.電壓放大倍數(shù)：,2.上限頻率為：,解：,1.電路的下限頻率為：,例2 下圖所示Q點(diǎn)穩(wěn)定電路中，已知C1=C2=Ce，其余參數(shù)合適，電路在中頻段工作正常，試求下限頻率的決定哪個(gè)電容？為什么？,解：電路的靜態(tài)工作點(diǎn)合適，說明放大電路工作在放大區(qū)。,考慮單個(gè)電容對(duì)頻率響應(yīng)的影響時(shí)，將其它電容作理想化處理, 即短路。,1.求C1確定的下限頻率,,2.求C2確定的下限頻率,,3.求Ce確定的下限頻率:,,Rce為射極輸出器的輸出電阻:113頁,為改善電路的低頻特性應(yīng)使Ce的容量遠(yuǎn)大于C1、C2,,本章總結(jié),1.

23、 頻率響應(yīng)的一般概念,,2.上限頻率和下限頻率的一般定義,,頻率特性是衡量放大電路對(duì)不同頻率輸入信號(hào) 適應(yīng)能力的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),上限截止頻率: 低通電路 下限截止頻率: 高通電路,3. 單管放大電路的截止頻率計(jì)算公式,電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù),求上、下限截止頻率的關(guān)鍵 是求電容所在回路的等效電阻 R,4. 推廣：通頻帶的概念,放大電路的通頻帶：,5.波特圖及其定義: 對(duì)數(shù)幅頻特性 對(duì)數(shù)相頻特性,6. 簡化的高頻等效模型，和h參數(shù)等效模型的比較,h參數(shù)等效模型,混合 模型,7、單管放大電路的頻率響應(yīng),中頻段：極間電容視為開路，耦合電容視為短路。,低頻段：極間電容視為開路，考慮耦

24、合電容的影響。,高頻段：耦合電容視為短路，考慮極間電容的影響。,電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式:,耦合電容通高阻低,極間電容通低阻高,整個(gè)放大電路對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性表達(dá)式為：,8、多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),多放大電路的總電壓放大倍數(shù),多級(jí)放大電路總的電壓增益提高，但通頻帶變窄；放大電路的級(jí)數(shù)越多，頻帶越窄。,9. 多級(jí)放大電路與組成它的各級(jí)放大電路截止頻率和帶寬的關(guān)系,多級(jí)放大電路的一個(gè)重要特點(diǎn)：,10. 多級(jí)放大電路截止頻率的計(jì)算方法：,某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級(jí)的下限頻率（5-10倍），則整個(gè)電路的下限頻率就是該級(jí)的下限頻率。,某級(jí)的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級(jí)的上限頻率（5-10倍），則整個(gè)電路的上限頻率就是該級(jí)的上限頻率。,上、下限頻率估算公式多用于各級(jí)截止頻率相差不多的情況。,對(duì)于多個(gè)耦合電容和旁路電容的單管放大電路，應(yīng)先求出每個(gè) 電容確定的截止頻率，然后再確定下限頻率。,截止頻率的估算公式,上限頻率fH,下限頻率fL,