放大電路的頻率響應(yīng)和噪聲.ppt

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1,模擬電子線路,南京郵電大學(xué)蔡祥寶E-mail:xbcaiTel:13851630617,2,第四章放大電路的頻率響應(yīng)和噪聲,3,第4章放大電路的頻率響應(yīng)和噪聲,4.1放大電路的頻率響應(yīng)和頻率失真,4.1.1放大電路的幅頻響應(yīng)和幅頻失真,4.1.2放大電路的相頻響應(yīng)和相頻失真,4.1.3波特圖,4.2晶體管的高頻小信號(hào)模型和高頻參數(shù),4.2.1晶體管的高頻小信號(hào)模型,4,二、特征頻率fT,4.3晶體管放大電路的頻率響應(yīng),4.3.1共射放大電路的頻率響應(yīng),一、共射放大電路的高頻響應(yīng),4.1.2晶體管的高頻參數(shù),二、共射放大電路的低頻響應(yīng),三、共基電流放大系數(shù)(jf)及f,一、共射電流放大系數(shù)(jf)及其上限頻率f,4.3.2共基、共集放大器的頻率響應(yīng),5,4.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的頻率響應(yīng),4.4.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻小信號(hào)等效電路,4.4.2共源放大電路的頻率響應(yīng),4.5多級(jí)放大器的頻率響應(yīng),4.5.1多級(jí)放大電路的上限頻率,4.5.2多級(jí)放大電路的下限頻率,4.6放大電路的噪聲,4.6.1電子元件的噪聲,4.6.2噪聲的度量,6,第4章放大電路的頻率響應(yīng)和噪聲,（1）掌握放大電路頻率響應(yīng)的有關(guān)概念，掌握放大器的低頻、中頻和高頻等效電路,（2）掌握晶體管頻率參數(shù)、共射電路頻率響應(yīng)特性。,（3）了解單管放大電路頻率響應(yīng)的分析方法。,（4）了解波特圖的概念及畫法。,7,1.待放大的信號(hào)，具有一定的頻率范圍。,2.放大電路的放大性能與頻率有關(guān)。,由于電抗元件的存在，使得放大器對(duì)不同頻率信號(hào)分量的放大倍數(shù)和延遲時(shí)間不同，那么放大后的信號(hào)各頻率分量的大小比例和時(shí)間相對(duì)關(guān)系將不同于輸入信號(hào)。由此產(chǎn)生的失真稱為頻率失真。,4.1放大電路的頻率響應(yīng)和頻率失真,8,幅頻失真和相頻失真.avi,線性失真,起因,結(jié)果,線性電抗元件引起,非線性元件引起,不產(chǎn)生新的頻率分量,產(chǎn)生新的頻率分量,非線性失真,9,但實(shí)際上放大器中含有耦合、旁路電容等大電容，另外三極管、場(chǎng)效應(yīng)管的極與極之間存在極間電容等小電容，而電容的阻抗與頻率密切相關(guān)。因而放大器的A與頻率f的關(guān)系曲線應(yīng)如左圖：,由于耦合、旁路等大電容的影響,由于極間電容、分布電容等小電容的影響,放大器的增益A隨信號(hào)頻率的改變而改變的這種特性就是放大器的頻率特性（也稱放大器的頻率響應(yīng)）。放大器的頻率特性反映了放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)的適應(yīng)能力。,在中頻段：,A最大；放大器的輸出不會(huì)產(chǎn)生頻率失真。,在高、低頻段：,A隨頻率改變而下降，產(chǎn)生頻率失真：在低頻段由于耦合電容等大電容的影響會(huì)產(chǎn)生低頻失真，在高頻段由于極間電容等小電容的影響會(huì)產(chǎn)生高頻失真。（帶寬B=fH-fL）,10,2.三極管的()是頻率的函數(shù)。在研究頻率特性時(shí)，三極管的低頻小信號(hào)模型不再適用，而要采用高頻小信號(hào)模型。,電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因素，研究頻響實(shí)際上是研究電抗元件對(duì)放大器放大倍數(shù)的影響。,產(chǎn)生頻率失真的原因是:1.放大電路中存在電抗性元件。例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、PN結(jié)電容、分布電感等;,11,即放大器的頻率特性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：,一、對(duì)不同頻率信號(hào)的幅度有不同的放大倍數(shù)。,二、對(duì)不同頻率信號(hào)將產(chǎn)生不同的附加相位,其中,是放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)幅度的放大倍數(shù)，它是頻率的函數(shù)，它與頻率之間的關(guān)系稱為幅頻特性；,是放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)產(chǎn)生的相移，它也是頻率的函數(shù)，它與頻率之間的關(guān)系稱為相頻特性；,放大器頻率特性的好壞直接影響輸出信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)放大器的穩(wěn)定性也有影響，因而必須對(duì)放大器的頻率特性給予足夠的重視。,不同用途的放大器對(duì)頻率失真具有不同的要求：,對(duì)音頻放大器：,只需較好的幅頻特性（因?yàn)槿硕鷮?duì)相位變化感覺遲鈍）,對(duì)圖象放大器：,要求幅頻特性、相頻特性都好（因?yàn)槿搜蹖?duì)相位變化敏感，各分量間相位關(guān)系也重要）,一般將放大器增益A表示為：,12,因放大電路對(duì)不同頻率成分信號(hào)的增益不同,從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為幅度頻率失真，簡(jiǎn)稱幅頻失真。因放大電路對(duì)不同頻率成分信號(hào)的相移不同,從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為相位頻率失真，簡(jiǎn)稱相頻失真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。,13,放大器的失真,放大器的失真是指輸出信號(hào)不能重現(xiàn)輸入信號(hào)波形的一種物理現(xiàn)象。,失真類型,頻率失真：,（對(duì)三極管而言）,由線性電抗元件引起，故稱線性失真。,瞬變失真：,指放大脈沖信號(hào)時(shí)，電抗元件上的電壓或電流不能突變而引起的失真。,非線性失真：,注意：線性失真不產(chǎn)生新的頻率成份。,進(jìn)入管子的非線性區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量,14,線性失真和非線性失真比較,1.起因不同,2.結(jié)果不同,線性失真由電路中的線性電抗元件（電感、電容），引起。,非線性失真由電路中的非線性元件引起(如晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線的非線性等)。,線性失真不產(chǎn)生輸入信號(hào)中所沒有的新的頻率分量信號(hào)。,非線性失真產(chǎn)生輸入信號(hào)中所沒有的新的頻率分量信號(hào)。,15,不失真條件理想頻率響應(yīng),若放大器對(duì)所有不同頻率分量信號(hào)的放大倍數(shù)相同，延遲時(shí)間也相同，那么就不可能產(chǎn)生頻率失真，故不產(chǎn)生頻率失真的條件為,16,|,A,u,(j,)|,K,0,(,a,),(j,),0,(,b,),圖42理想頻率響應(yīng)(a)理想振幅頻率響應(yīng)；(b)理想相位頻率響應(yīng),17,4.1.1放大電路的幅頻響應(yīng)和幅頻失真,圖4.1.2幅頻特性,(a)理想幅頻特性,(c)阻容耦合放大電路幅頻特性,中頻區(qū),低頻區(qū),高頻區(qū),上限頻率,下限頻率,通頻帶,增益頻帶積,中頻增益,18,圖4.1.3相頻特性,(a)理想相頻特性,4.1.2放大電路的相頻響應(yīng)和相頻失真,(c)阻容耦合放大電路的相頻特性,19,4.1.3波特圖,波特圖就是一種采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)的頻率特性曲線。,圖4.1.4高通電路的頻率響應(yīng)及其波特圖,（a）高通電路,（b）頻率響應(yīng),20,圖4.1.4高通電路的頻率響應(yīng)及其波特圖,（c）波特圖,（b）頻率響應(yīng),線性刻度,對(duì)數(shù)刻度,對(duì)數(shù)刻度,對(duì)數(shù)刻度,21,(高通)電路的時(shí)間常數(shù),下限角頻率,下限頻率,極限情況,22,圖4.1.4高通電路的頻率響應(yīng)及其波特圖,（c）波特圖,（b）頻率響應(yīng),線性刻度,對(duì)數(shù)刻度,對(duì)數(shù)刻度,對(duì)數(shù)刻度,23,C,R,+,_,+,_,(低通)電路的時(shí)間常數(shù),上限角頻率,上限頻率,極限情況,24,極限情況,25,普遍意義的結(jié)論,(1)電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù)。,(2)當(dāng)f=fL時(shí)，增益下降3dB，且產(chǎn)生+45o相移。,(4)近似分析中，可用近似波特圖表示放大電路的頻率特性。,(3)當(dāng)f=fH時(shí)，增益下降3dB，且產(chǎn)生-45o相移。,26,波特圖及畫波特圖的方法,放大器的頻率特性可用頻率特性圖來表示：,A、都是頻率的函數(shù)，一個(gè)頻率f必定對(duì)應(yīng)一個(gè)A和；頻率的變化范圍很寬：幾Hz幾MHz，而增益的變化范圍為：幾幾百甚至幾千；若按常規(guī)畫法，要一一對(duì)應(yīng)畫在坐標(biāo)上是不可能的。為了縮短坐標(biāo)，拓展視野，幅頻特性圖和相頻特性圖可分別畫在兩張半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，,合稱為頻率特性圖,用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)畫出的頻率特性圖稱為波特圖：,將增益的dB數(shù)作縱坐標(biāo),將頻率的對(duì)數(shù)作橫坐標(biāo),將頻率的對(duì)數(shù)作橫坐標(biāo),將相位等刻度作縱坐標(biāo),作幅頻特性波特圖,作相頻特性波特圖,這樣處理后，f1和frbe),r,be,b,r,bb,R,s,U,s,r,ce,R,C,R,L,U,o,b,e,R,L,C,bc,C,be,c,U,be,g,m,圖4.3.1共射放大器及其高頻小信號(hào)等效電路,I,1,I,2,45,r,bb,R,s,U,s,r,be,C,be,C,M,b,C,M,R,L,U,o,b,e,U,be,g,m,c,I,1,密勒等效電容,圖4.3.2(a)密勒等效后的單向化等效電路,46,r,bb,R,s,U,s,.,r,be,C,be,C,M,b,C,M,R,L,U,o,.,b,e,U,be,g,m,.,c,圖4.3.2(a)密勒等效后的單向化等效電路,I,2,47,圖4.3.2(b)進(jìn)一步的簡(jiǎn)化等效電路,U,be,g,m,R,L,U,o,U,s,R,s,C,i,U,be,48,2.高頻增益表達(dá)式及上限頻率,49,圖4.3.3共射放大電路的高頻響應(yīng)(a)幅頻特性；(b)相頻特性；(c)幅頻特性近似波特圖；(d)相頻特性近似波特圖,50,二、共射放大電路的低頻響應(yīng),(a)電路,圖4.3.4共射放大電路及其低頻等效電路,1.共射放大器的低頻等效電路,51,低頻等效電路,圖4.3.4共射放大電路及其低頻等效電路,52,簡(jiǎn)化低頻等效電路,圖4.3.4共射放大電路及其低頻等效電路,53,2.C1、E對(duì)低頻特性的影響,54,55,3.C2對(duì)低頻響應(yīng)的影響,圖4.3.6C2對(duì)低頻響應(yīng)影響的等效電路,56,(C2引入的下限角頻率),57,(中頻源增益),58,圖4.3.7共射放大電路完整的頻率響應(yīng)波特圖,59,4.3.2共基、共集放大器的頻率響應(yīng),共基放大器中沒有共射放大器中的密勒倍增效應(yīng)，而且，共基放大器為理想的電流接續(xù)器，能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)(ff)將輸入電流接續(xù)到輸出端，因此，共基放大器的上限頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于共射放大器的上限頻率。,60,同樣，在共集放大器中也沒有共射放大器中的密勒倍增效應(yīng)，而且，共集放大器為理想的電壓跟隨器，也就是反饋系數(shù)是百分之百的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器(第六章將詳細(xì)討論)，因此，共集放大器的上限頻率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于共射放大器的上限頻率。,61,作業(yè),4.4,62,4.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的頻率響應(yīng),場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng)與雙極型晶體管放大器的分析方法是相似的，其結(jié)果也相似。,4.4.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻小信號(hào)等效電路,圖4.4.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路,63,圖4.4.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路,圖中，Cgs表示柵、源間的極間電容，Cgd表示柵、漏間的極間電容，Cds表示漏、源間的極間電容。在MOS管中，襯底與源極相連，所以柵極與襯底間的電容可以歸納Cgs中，漏極與襯底間的電容也可歸納到Cds中。這三個(gè)極間電容對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管放大器的高頻響應(yīng)將產(chǎn)生不良影響。,64,4.4.2共源放大電路的頻率響應(yīng),一、共源放大電路的高頻響應(yīng),圖4.4.2共源放大電路及其高頻等效電路,（a）電路,典型的場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路如圖4.4.2(a)所示,65,圖4.4.2共源放大電路及其高頻等效電路,（b）高頻等效電路,高頻小信號(hào)等效電路如圖4.4.2(b)所示,66,圖4.4.3共源放大電路單向化電路,Cgd是跨接在放大器輸入端和輸出端之間的電容。應(yīng)用密勒定理作單向化處理，可將Cgd分別等效到輸入端(用CM表示)和輸出端(用CM表示)，如圖4.4.3所示。,67,由于輸出回路電容CL遠(yuǎn)小于輸入回路電容Ci，故分析頻率特性時(shí)可忽略CL的影響。因此可得簡(jiǎn)化電路如圖4.4.4。,68,圖4.4.4場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路單向化簡(jiǎn)化電路,69,根據(jù)簡(jiǎn)化電路得到電壓放大倍數(shù)的高頻表達(dá)式,則上限頻率為：,式中,70,圖4.4.4場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路單向化簡(jiǎn)化電路,71,二、共源放大電路的低頻響應(yīng),對(duì)于圖4.4.2（a）電路，在低頻區(qū)，Cgs、Cgd和Cds開路，考慮耦合電容CD。得到低頻等效電路如圖4.4.5。,圖4.4.5共源放大電路低頻等效電路,72,圖中CD對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路低頻特性的影響與4.3.2小節(jié)中C2的影響相似，因此可得,其中,73,4.5多級(jí)放大器的頻率響應(yīng),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)低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個(gè)耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個(gè)高通電路。如果放大器由多級(jí)級(jí)聯(lián)而成，那么總增益,74,取對(duì)數(shù)，幅頻特性為,相頻特性為,75,4.5.1多級(jí)放大電路的上限頻率,設(shè)單級(jí)放大器的增益表達(dá)式為,則多級(jí)放大電路的增益為,76,取模值為,相角,式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|為多級(jí)放大器中頻增益。,令,77,則,解該方程，忽略高次項(xiàng)，可得多級(jí)放大電路的上限角頻率的近似表達(dá)式,若各級(jí)上限頻率相等，即,則根據(jù)式4.5.9得,(4.5.9),78,4.5.2多級(jí)放大電路的下限頻率,設(shè)單級(jí)放大器的低頻增益為,則多級(jí)放大電路的低頻增益為,79,解得多級(jí)放大器的下限角頻率近似式為,若各級(jí)下限角頻率相等，即L1=L2=Ln,則,得,80,通過以上分析可以得出下述結(jié)論：,(2)在設(shè)計(jì)多級(jí)放大器時(shí)，必須保證每一級(jí)的通頻帶都比總的通頻帶寬。例如一個(gè)四級(jí)放大器的總通頻帶要求為300Hz-3.4kHz(電話傳輸所需帶寬)，若每級(jí)通頻帶都相同，則每級(jí)放大器的上限頻率為,(1)多級(jí)放大器總的上限頻率fH比其中任何一級(jí)的上限頻率fHk都要低，而下限頻率fL比其中任何一級(jí)的下限頻率fLk都要高。也就是說，多級(jí)放大器總的放大倍數(shù)增大了，但總的通頻帶(fHfL)變窄了。,81,而下限頻率應(yīng)為,(3)如果各級(jí)通頻帶不同，則總的上限頻率基本上取決于最低的一級(jí)，而總的下限頻率取決于最高的一級(jí)。所以要增大總的上限頻率fH，尤其要注意提高上限頻率最低的那一級(jí)fHk，因?yàn)樗鼘?duì)總fH起了主導(dǎo)作用。,82,思考題,1.線性失真與非線性失真有何差異？,2.晶體管的頻率參數(shù)f、fT、f的含義如何？三者的關(guān)系如何？,3.共射放大電路在高頻區(qū)和低頻區(qū)放大倍數(shù)下降的原因是什么？,83,作業(yè),4.6,84,85,圖528共射放大器電路,86,圖528共射放大器電路的幅頻特性,87,元、器件輸入示意圖,88,Multisim中的“分析方法”,89,MP3播放器的音頻頻率范圍為20Hz-20kHz。,FM廣播的音頻頻率范圍為200Hz-15kHz。,AM廣播的音頻頻率范圍為200Hz-4.5kHz。,常見音頻系統(tǒng)（設(shè)備）的通頻帶,90,音階的劃分是在頻率的對(duì)數(shù)坐標(biāo)(20log)上取等分而得,91,使用分貝做單位的主要優(yōu)點(diǎn),(1)數(shù)值變小，讀寫方便。,一架收音機(jī)從天線收到的信號(hào)至送入喇叭放音輸出，一共要放大2萬倍左右。,(2)運(yùn)算方便。,若某功放前級(jí)是100倍(20dB)，后級(jí)是20倍(13dB)，那么總功率放大倍數(shù)是10020=2000倍，總增益為20dB13dB=33dB。,92,(3)能如實(shí)地反映人對(duì)聲音的感覺。,電功率從0.1瓦增到1.1瓦，聽到的聲音響了很多；,從1瓦增強(qiáng)到2瓦，響度差不多；,從10瓦增強(qiáng)到11瓦，沒人能聽出響度差別。,10.4dB,3dB,0.4dB,0.1W1.1W,1W2W,10W11W,HiFi功放的音量旋鈕刻度單位為分貝。,人耳聽覺與聲音功率分貝數(shù)成正比。,蚊子叫聲與大炮響聲相差100萬倍，但人的感覺僅有60倍的差異，而100萬倍恰是60dB。,93,常用的0dB基準(zhǔn),dBFS以滿刻度的量值為0dB，常用于各種特性曲線上；,dBm在600負(fù)載上產(chǎn)生1mW功率(或0.775V電壓)為0dB，常用于交流電平測(cè)量?jī)x表上；,dBV以1伏為0dB；,dBW以1瓦為0dB。,