放大電路的頻率響應(yīng).pptVIP

第五章 放大電路的頻率響應(yīng),5.1 頻率響應(yīng)概述,5.2 晶體管的高頻等效模型,5.4 單管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),5.3 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型,5.6 集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)和頻率補(bǔ)償,童詩白第三版,童詩白第三版,本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：,2、單管共射放大電路混合模型等效電路圖、 頻率響應(yīng)的表達(dá)式及波特圖繪制 。,1、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管的混合模型。,本章教學(xué)時(shí)數(shù)： 6學(xué)時(shí),童詩白第三版,本章討論的問題：,1.為什么要討論頻率響應(yīng)？如何制定一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)的頻 率響應(yīng)？如何畫出頻率響應(yīng)曲線？,2.晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管的h參數(shù)等效模型在高頻下還適應(yīng)嗎？ 為什么？,3.什么是放大電路的通頻帶？哪些因素影響通頻帶？如何 確定放大電路的通頻帶？,4.如果放大電路的頻率響應(yīng)，應(yīng)該怎么辦？,5.對(duì)于放大電路，通頻帶愈寬愈好嗎？,6.為什么集成運(yùn)放的通頻帶很窄？有辦法展寬嗎？,5.1 頻率響應(yīng)概述,5.1.1 研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性,由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容，所以電路的放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。,小信號(hào)等效模型只適用于低頻信號(hào)的分析。 本章將引入高頻等效模型，并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應(yīng)的描述方法。,一、 高通電路,令：,5.1.2 頻率響應(yīng)的基本概念,fL 稱為下限截止頻率,則有：,放大電路的對(duì)數(shù)頻率特性稱為波特圖。,對(duì)數(shù)幅頻特性：,實(shí)際幅頻特性曲線：,圖 5.1.3(a) 幅頻特性,當(dāng) f fL(高頻)， 當(dāng) f fL (低頻)，,高通特性：,且頻率愈低， 的值愈小，低頻信號(hào)不能通過。,最大誤差為 3 dB，發(fā)生在 f = fL處,對(duì)數(shù)相頻特性,圖 5.1.3(a) 相頻特性,誤差,在低頻段，高通電路產(chǎn)生 0 90 的超前相移。,二、 RC 低通電路的波特圖,圖 5.1.2 RC 低通電路圖,令 ：,則：,fH 稱為上限截止頻率,圖 5.1.3(b) 低通電路的波特圖,對(duì)數(shù)幅頻特性：,對(duì)數(shù)相頻特性：,在高頻段，低通電路產(chǎn)生0 90的滯后相移。,小結(jié),（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間 常數(shù)，即決定了fL和fH。,（2）當(dāng)信號(hào)頻率等于fL或fH放大電路的增益下降 3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。,（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖 表示放大電路的頻率特性。,5.2.1 晶體管的混合 模 型,一、完整的混合 模型,圖 5.2.1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合 模型,5.2 晶體管的高頻等效模型,(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖,二、簡化的混合 模型,通常情況下，rce遠(yuǎn)大于c-e間所接的負(fù)載電阻，而rb/c也遠(yuǎn)大于C的容抗，因而可認(rèn)為rce和rb/c開路。,圖5.2.2 混合 模型的簡化 (a)簡化的混合 模型,C跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將C等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。單向化靠等效變換實(shí)現(xiàn)。,圖5.2.2 簡化混合 模型的簡化 (b)單向化后的混合 模型,圖5.2.2 簡化混合 模型的簡化 (C) 忽略C的混合 模型,因?yàn)镃 ，且一般情況下。 的容抗遠(yuǎn)大于集電極總負(fù)載電阻R， 中的電流可忽略不計(jì)，得簡化模型圖（C）。,密勒定理：,用兩個(gè)電容來等效 C 。分別接在 b、e 和 c、e 兩端。,其中：,電容值分別為：,等效電容的求法,圖5.2.2 簡化混合 模型的簡化 (b)單向化后的混合 模型,圖5.2.2 簡化混合 模型的簡化 (C) 忽略C的混合 模型,三、混合 模型的主要參數(shù),將混合 模型和簡化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)完全相同。,C可從手冊(cè)中查得Cob ， Cob與C近似相等。,C數(shù)據(jù)可從手冊(cè)中給定的特征頻率fT和放大電路 的Q點(diǎn)求解。,電流放大系數(shù)的定義：,對(duì)數(shù)幅頻特性,fT,20lg 0,對(duì)數(shù)相頻特性,0.1f,1.共射截止頻率 f ,值下降到 0.707 0 (即 )時(shí)的頻率。,當(dāng) f = f 時(shí)，,值下降到中頻時(shí)的 70% 左右?；?qū)?shù)幅頻特 性下降了 3 dB。,幾個(gè)頻率的分析,2.特征頻率 f T,值降為 1 時(shí)的頻率。,f fT 時(shí)， ，三極管失去放大作用；,f = fT 時(shí)，由式,得：,3.共基截止頻率 f,值下降為低頻 0 時(shí) 的 0.707 時(shí)的頻率。,f 與 f 、 fT 之間關(guān)系：,因?yàn)?可得,說明：,所以：,1. f 比 f 高很多，等于 f 的 (1 + 0) 倍；,2. f fT f,3. 低頻小功率管 f 值約為幾十至幾百千赫，高頻小 功率管的 fT 約為幾十至幾百兆赫。,5.3 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型,場(chǎng)效應(yīng)管各極之間存在極間電容，其高頻等效模型如下,一般情況下 rgs和 rds比外接電阻大得多，可認(rèn)為是開路,Cgd可進(jìn)行等效變化，使電路單向化,Cgd等效變化,g-s之間的等效電容為,d-s之間的等效電容為,由于輸出回路的時(shí)間常數(shù)比輸入回路的小得多，故分析頻率特性時(shí)可忽略 的影響。,圖5.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型(b)簡化模型,5.4 單管放大電路的頻率響應(yīng),5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng),中頻段：各種電抗影響忽略，Au 與 f 無關(guān)；,低頻段： 隔直電容壓降增大， Au 降低。與電路中電阻構(gòu)成 RC 高通電路；,高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中， Au 降低。而且，構(gòu)成 RC 低通電路。,一、中頻電壓放大倍數(shù),耦合電容 可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。,1. 中頻段等效電路,圖 5.4.2 中頻段等效電路,由圖可得,2. 中頻電壓放大倍數(shù),已知 ，則,結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式，與利用簡化 h 參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。,二、低頻電壓放大倍數(shù),考慮隔直電容的作用，其等效電路：,圖 5.4.3 低頻等效電路,C1 與輸入電阻構(gòu)成一個(gè) RC 高通電路,式中 Ri = Rb / rbe,(動(dòng)畫avi5-2.avi),輸出電壓,低頻電壓放大倍數(shù),低頻時(shí)間常數(shù)為：,下限(-3 dB)頻率為：,則,對(duì)數(shù)幅頻特性,對(duì)數(shù)相頻特性,因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度,三、高頻電壓放大倍數(shù),考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：,圖 5.4.4高頻等效電路,(動(dòng)畫avi5-3.avi),圖 5.4.4 高頻等效電路的簡化(a),由于輸出回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時(shí)間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結(jié)電容。,用戴維南定理簡化圖 5.4.4(b), C 與 R 構(gòu)成 RC 低通電路。,高頻時(shí)間常數(shù)：,上限(-3 dB)頻率為：,的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性,高頻段最大附加相移為-90度,四、波特圖,繪制波特圖步驟：,1. 根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算 、fL 和 fH ；,2. 由三段直線構(gòu)成幅頻特性。,中頻段：對(duì)數(shù)幅值 = 20lg,低頻段： f = fL開始減小，作斜率為 20 dB/十倍頻直線；,高頻段：f = fH 開始增加，作斜率為 20 dB/十倍頻直線。,3. 由五段直線構(gòu)成相頻特性。,圖 5.4.5,幅頻特性,相頻特性,5.4.2 單管共源放大電路的頻率響應(yīng),圖5.4.7 單管共源放大電路及其等效電路,在中頻段 開路，C短路，中頻電壓放大倍數(shù)為,在高頻段，C短路，考慮 的影響，上限頻率為：,在低頻段， 開路，考慮C的影響，下限頻率為：,電壓放大倍數(shù),5.4.3 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積,1. 為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率， 放大電路可采用直接耦合方式，使得fL 0,2. 為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限 頻率fH。,問題： fH的提高與Ausm的增大 是相互矛盾。,3.增益帶寬積,中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。,Ri = Rb / rbe,假設(shè) Rb Rs，Rb rbe； (1 + gmRc)Cbc Cbe,說明：,式不很嚴(yán)格，但從中可以看出一個(gè)大概的趨勢(shì)，即選定放大三極管后，rbb 和 Cbc 的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時(shí)，若將放大倍數(shù)提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。,如愈得到一個(gè)通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用 rbb 和 Cbc 均小的高頻三極管。,* 場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱）,復(fù)習(xí)：,1.晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管的混合 模型,2.單管共射放大電路的頻率響應(yīng),表達(dá)式：,波特圖的繪制： 三段直線構(gòu)成幅頻特性 五段直線構(gòu)成相頻特性,5.5 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng),5.5.1 多級(jí)放大電路頻率特性的定性分析,多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)：,對(duì)數(shù)幅頻特性為：,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。,多級(jí)放大電路的總相位移為：,兩級(jí)放大電路的波特圖,圖 5.5.1,幅頻特性,一 級(jí),二 級(jí),圖 5.5.1,相頻特性,一 級(jí),二 級(jí),多級(jí)放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級(jí)的通頻帶為窄。,5.5.2 多級(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率的估算,在實(shí)際的多級(jí)放大電路中，當(dāng)各放大級(jí)的時(shí)間常數(shù)相差懸殊時(shí)，可取其主要作用的那一級(jí)作為估算的依據(jù) 即：若某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級(jí)的下限頻率，則可認(rèn)為整個(gè)電路的下限頻率就是該級(jí)的下限頻率。同理若某級(jí)的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級(jí)的上限頻率，則可認(rèn)為整個(gè)電路的上限頻率就是該級(jí)的上限頻率。,例5.5.1 已知某電路的各級(jí)均為共射放大電路，其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖所示。求下限頻率、上限頻率和電壓放大倍數(shù)。,（2）高頻段只有一個(gè)拐點(diǎn)，斜率為-60dB/十倍頻程，電路中應(yīng)有三個(gè)電容，為三級(jí)放大電路。,解：（1）低頻段只有一個(gè)拐點(diǎn)，說明影響低頻特性的只有一個(gè)電容，故電路的下限頻率為10Hz。,fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz,（3）電壓放大倍數(shù),例5.5.2 分別求出如圖所示Q點(diǎn)穩(wěn)定電路中C1 C2和Ce所確定的下限頻率的表達(dá)式及電路上限頻率表達(dá)式。,解：交流等效電路,圖5.5.3(a)Q點(diǎn)穩(wěn)定電路的交流等效電路,1.考慮C1對(duì)低頻特性的影響,(b) C1所在回路的等效電路,2.考慮C2對(duì)低頻特性的影響,3.考慮Ce對(duì)低頻特性的影響,4.考慮結(jié)電容對(duì)高頻特性的影響,(e)結(jié)電容所在回路的等效電路,比較C1、C2、Ce所在回路的時(shí)間常數(shù)1、2、e,當(dāng)取C1C2Ce時(shí)，e將遠(yuǎn)小于1,2，即fLe遠(yuǎn)大于fL1和fL2 因此，fLe就約為電路的下限頻率。,5.6 集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)和頻率補(bǔ)償,5.6.1 集成運(yùn)放的頻率響應(yīng),集成運(yùn)放有很好的低頻特性（fL0）：,集成運(yùn)放直接耦合放大電路,集成運(yùn)放高頻特性較差：,集成運(yùn)放AOd很大， 等效電容 或 很大；集成運(yùn)放內(nèi)部需接補(bǔ)償電容。,末加頻率補(bǔ)償集成運(yùn)放 的頻率響應(yīng),圖5.6.1 末加頻率補(bǔ)償,fC 單位增益帶寬,fO 附加相移為 1800 對(duì)應(yīng)的頻率,集成運(yùn)放常引入負(fù)反饋，容易產(chǎn)生自激振蕩。,自激振蕩產(chǎn)生的條件,存在fO，且fO fC,如何消除自激振蕩？,圖5.6.1 末加頻率補(bǔ)償?shù)募蛇\(yùn)放的頻率響應(yīng),5.6.2 集成運(yùn)放的頻率補(bǔ)償,頻率補(bǔ)償：在集成運(yùn)放電路中接入不同的補(bǔ)償電路，改變集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)，使f=fO時(shí)， 20lgA0d-1800 ，從而破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件，使電路穩(wěn)定。,穩(wěn)定裕度,幅值裕度,相位裕度,一般要求Gm-10dB,m450,一、滯后補(bǔ)償,在加入補(bǔ)償電容后，使運(yùn)放的幅頻特性在大于0dB的頻率范圍內(nèi)只存在一個(gè)拐點(diǎn)，并按-20dB/十倍頻的斜率下降，即相當(dāng)于一個(gè)RC回路的頻率響應(yīng)。其附加相移為- 900。,1.簡單