模擬電子電路第4章

1、1第第4章章 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)241 頻率響應(yīng)的概念頻率響應(yīng)的概念（1）待放大的信號(hào)不一定是單一頻率的，而是有）待放大的信號(hào)不一定是單一頻率的，而是有一定的頻率范圍。如公眾電話網(wǎng)語(yǔ)音信號(hào)頻帶寬一定的頻率范圍。如公眾電話網(wǎng)語(yǔ)音信號(hào)頻帶寬的：的：300 3400 Hz；視頻信號(hào)：；視頻信號(hào)：25Hz6MHz。 （2）實(shí)際的放大器中存在電抗元件（管子的極間）實(shí)際的放大器中存在電抗元件（管子的極間電容：電容：Cbe，Cbc，以及電路的耦合電容，分布電，以及電路的耦合電容，分布電容引線電感等）使得放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)放容引線電感等）使得放大器對(duì)不同頻率的信號(hào)放大倍數(shù)和延遲時(shí)間不同。大倍數(shù)和延遲時(shí)間不同

2、。前幾章的討論中，我們把放大器的增益看作前幾章的討論中，我們把放大器的增益看作是與頻率無(wú)關(guān)的參量，但實(shí)際上：是與頻率無(wú)關(guān)的參量，但實(shí)際上：3由此產(chǎn)生的波形畸變稱為由此產(chǎn)生的波形畸變稱為頻率失真頻率失真，屬于，屬于線性失真線性失真。振幅頻率失真：振幅頻率失真：由于放大倍數(shù)隨頻率變化而引由于放大倍數(shù)隨頻率變化而引起的失真。（對(duì)不同諧波的放大能力不同）起的失真。（對(duì)不同諧波的放大能力不同）相位頻率失真：相位頻率失真：放大器對(duì)不同頻率分量信號(hào)的放大器對(duì)不同頻率分量信號(hào)的延遲不同所引起的失真。延遲不同所引起的失真。45項(xiàng)項(xiàng) 目目線性失真線性失真非線性失真非線性失真不不同同點(diǎn)點(diǎn)起起因因由電路中的線性電抗元

3、件由電路中的線性電抗元件引起（如引起（如L、C）由電路中的由電路中的非線性元件非線性元件（如：三極（如：三極管）引起管）引起結(jié)結(jié)果果只會(huì)使各頻率分量信號(hào)的只會(huì)使各頻率分量信號(hào)的比例關(guān)系和時(shí)間關(guān)系發(fā)生比例關(guān)系和時(shí)間關(guān)系發(fā)生變化，或?yàn)V掉某些頻率分變化，或?yàn)V掉某些頻率分量的信號(hào)，但量的信號(hào)，但不會(huì)產(chǎn)生新不會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量信號(hào)的頻率分量信號(hào)能產(chǎn)生新的能產(chǎn)生新的頻率分量的頻率分量的信號(hào)信號(hào)相相 同同 點(diǎn)點(diǎn) 使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變線性失真與非線性失真的比較線性失真與非線性失真的比較6 三、不失真條件三、不失真條件理想頻率響應(yīng)理想頻率響應(yīng)理想放大器：理想放大器：輸出與輸入信號(hào)波形完全相同，除

4、輸出與輸入信號(hào)波形完全相同，除了一個(gè)常數(shù)的放大，應(yīng)真實(shí)再現(xiàn)。了一個(gè)常數(shù)的放大，應(yīng)真實(shí)再現(xiàn)。不失真條件不失真條件（理想放大器的條件）：放大器對(duì)不（理想放大器的條件）：放大器對(duì)不同頻率分量信號(hào)的放大倍數(shù)相同，延遲時(shí)間也相同頻率分量信號(hào)的放大倍數(shù)相同，延遲時(shí)間也相同。同。 也為常數(shù)）常數(shù)）dduuuttjKjAjjAjA()()()()()(7|Au(j)|K0(a) ( j )0(b) 圖圖52 理想頻率響應(yīng)理想頻率響應(yīng)(a)理想振幅頻率響應(yīng)；理想振幅頻率響應(yīng)；(b)理想相位頻率響應(yīng)理想相位頻率響應(yīng) 也為常數(shù)）常數(shù)）ddut (t)j(K)j(A8 412實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義實(shí)際的頻率特性及

5、通頻帶定義L 半功率點(diǎn)半功率點(diǎn) H中頻區(qū)低頻區(qū)高頻區(qū)0.707|AuI|AuI|理想幅頻特性實(shí)際幅頻特性|Au(j)|fLffHBW3dB0圖圖53實(shí)際的放大器幅頻響應(yīng)實(shí)際的放大器幅頻響應(yīng) 9上限頻率上限頻率fH：為高頻區(qū)放大倍數(shù)下降為中頻區(qū)的為高頻區(qū)放大倍數(shù)下降為中頻區(qū)的0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。 uIHuA.jfA7070下限頻率下限頻率fL：為低頻區(qū)放大倍數(shù)下降為中頻區(qū)的為低頻區(qū)放大倍數(shù)下降為中頻區(qū)的0.707時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。 uILuAjfA707. 0通頻帶通頻帶BW： BW=fH-fLfH 表征放大器的線表征放大器的線性失真許可范圍內(nèi)的信號(hào)頻帶寬度。

6、性失真許可范圍內(nèi)的信號(hào)頻帶寬度。 dBAjfAGdBAjfAGuILuLuIHuH3lg20lg203lg20lg2010HuIuIfABWABWG增益頻帶積增益頻帶積中頻區(qū)增益中頻區(qū)增益AuI與通頻帶與通頻帶BW是放大器的兩個(gè)是放大器的兩個(gè)重要重要指標(biāo)指標(biāo)，希望兩者越大越好，但兩者往往又是一，希望兩者越大越好，但兩者往往又是一對(duì)對(duì)矛盾矛盾的指標(biāo)，所以又引進(jìn)增益頻帶積來(lái)表征的指標(biāo)，所以又引進(jìn)增益頻帶積來(lái)表征放大器的性能。放大器的性能。11RsC1RB2RB1REC3C2RCRLUo.Us.UCC試畫(huà)出該電路低頻區(qū)、中頻區(qū)和高頻區(qū)的小信試畫(huà)出該電路低頻區(qū)、中頻區(qū)和高頻區(qū)的小信號(hào)等效電路。號(hào)等效電

7、路。12Us.RsC1rbbRCbRECEC2RLUo.(b)berbe.UbegmRBC3低頻區(qū)小信號(hào)等效電路。低頻區(qū)小信號(hào)等效電路。13UiRiRsRB2rbeIiRCRLUoeIbIbrceRoIcIobcRB1中頻區(qū)小信號(hào)等效電路。中頻區(qū)小信號(hào)等效電路。14高頻區(qū)小信號(hào)等效電路。高頻區(qū)小信號(hào)等效電路。rbebrbbRsUsrceRCRLUo.beRLCbcCbecUbegm.RB1542單級(jí)共射放大器的高頻響應(yīng)單級(jí)共射放大器的高頻響應(yīng) 421晶體管的頻率參數(shù)和高頻等效電路晶體管的頻率參數(shù)和高頻等效電路一、晶體管的高頻等效電路一、晶體管的高頻等效電路Ib.rbbrbebCbeUbe.Cb

8、cUbegmrceIc.ecb圖圖54 晶體管的高頻小信號(hào)混合晶體管的高頻小信號(hào)混合等效電路等效電路 16二、晶體管的高頻參數(shù)二、晶體管的高頻參數(shù) 1.共射短路電流放大系數(shù)共射短路電流放大系數(shù)(j)及其上限頻率及其上限頻率fIb.rbbrbebCbeUbe.CbcUbegmrceIc.ecb0IbeIbe17bebmecbcIUgIIj短路、)(ebemrrg000)1 (ebebebbebebbebCrjrICjrIU1)1(ffjjCrjjebeb111)(000ffffarctan)(120)()(jj的上限頻率）)(21jCrfebeb18ffTf010| (j )|0.7070 圖圖

9、55 |(j)|與頻率與頻率f的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 與與rbe=（1+）re有關(guān)，所以與直流電位有關(guān)，所以與直流電位IEQ有關(guān)。有關(guān)。另外與另外與Cbe有關(guān)。有關(guān)。 192. 特征頻率特征頻率fT112ff)ff()jf(ToToTfCrffebeoT21定義：定義： |( (jj) ) |下降到下降到1所對(duì)應(yīng)的頻率。所對(duì)應(yīng)的頻率。 因此：因此：203.共基短路電流放大系數(shù)共基短路電流放大系數(shù)(j)及及fjjjj1)(1)()(000001,)1 (fffT21例：由手冊(cè)查得：某晶體管在工作點(diǎn)例：由手冊(cè)查得：某晶體管在工作點(diǎn)ICQ=5mA， UCEQ=6V時(shí)的參數(shù)為時(shí)的參數(shù)為hfe=150，h

10、ie=1K ，hre=0，hoe=67.5us，fT=350MHz，Cbc=4PF，求高頻混合，求高頻混合 型電路。型電路。 Ib.rbbrbebCbeUbe.CbcUbegmrceIc.ecb解：解：2225526.mAmVIUIUrCQTEQTek.rhrrefeee b780110ebbbeierrrh01k.hhrfeiebb2207801251PF.K.MHzrrCeTeTe b487253502110K.us.hroece81456711所以：所以：又因?yàn)椋河忠驗(yàn)椋核裕核裕?3422共射放大器的高頻響應(yīng)分析共射放大器的高頻響應(yīng)分析一、共射放大器的高頻小信號(hào)等效電路一、共射放大器

11、的高頻小信號(hào)等效電路RsC1RB2RB1REC3C2RCRLUo.Us.UCC圖圖56 共射放大器及其高頻小信號(hào)等效電路共射放大器及其高頻小信號(hào)等效電路(a)電路電路24(b)等效電路等效電路(設(shè)設(shè)RB1RB2R i)rbebrbbRsUsrceRCRLUo.beRLCbcCbecUbegm.圖圖56 共射放大器及其高頻小信號(hào)等效電路共射放大器及其高頻小信號(hào)等效電路25 二、密勒定理以及高頻等效電路的單向化模型二、密勒定理以及高頻等效電路的單向化模型NA(j) U1U2ZI2U2I1U1Z1Z2 圖圖57密勒定理及等效阻抗密勒定理及等效阻抗(a) 原電路原電路26(b)等效后的電路等效后的電路

12、 NA(j) U1U2I2U2I1U1Z2Z1 圖圖57密勒定理及等效阻抗密勒定理及等效阻抗27uAZUUZZUUUIUZ1112211111ZAAZUUUIUZuu112222228MucbuCjACjAZZ1)1 (111MuucbuuCjAACjZAAZ1)1(112LmebuRgUUUUA01229)1 ()1 (LmcbucbMRgCACCcbcbuuMCCAAC)1(rbbRsUs.rbe Cbe CMbCMRLUo.beUbe gm.c(a)單向化模型單向化模型30cbLmebMebiCRgCCCC)1 (sbesebsebbbsebsUrRrUrrRrU)(bbSebsrRrR

13、UbegmRLUo.Us.RsCiUbe.(b)進(jìn)一步的簡(jiǎn)進(jìn)一步的簡(jiǎn)化等效電路化等效電路 用代維南等效進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路：用代維南等效進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路：31三、高頻增益表達(dá)式及上限頻率三、高頻增益表達(dá)式及上限頻率sisiLmebLmoUCjRCjRgURgU11sisbesebLmUCRjrRrRg11)(HuIsisbesebLmsousjACRjrRrRgUUjA111)()(32besLobesebLmuIsrRRrRrRgAisHHCRf122)(1)(HuIsuffAjA)arctan(180)(Hoffj)arctan(Hff33|Au(j )|0.707|AuIs|AuIs|HH004

14、590( j )|Au(j )|H0045900.01H0.1H10H402020 dB/10 倍頻程倍頻程(a)(b)(c)(d)(H)45圖圖59考慮管子極間電容影響的共射放大器頻率響應(yīng)考慮管子極間電容影響的共射放大器頻率響應(yīng) (a)幅頻特性；幅頻特性；(b)相頻特性；相頻特性； (c)幅頻特性幅頻特性漸近漸近波特圖；波特圖； (d)相頻特性相頻特性漸近漸近波特圖波特圖 34四、頻率特性的波特圖近似表示法四、頻率特性的波特圖近似表示法)(1lg20)()(lg20dBjAdBjAHuIsus35 五、負(fù)載電容和分布電容對(duì)高頻響應(yīng)的影響五、負(fù)載電容和分布電容對(duì)高頻響應(yīng)的影響 Uo.Uo.CL

15、RoRLUs.RsC1RB2RB1REC3C2RCRLUCCuoRoCL圖圖510包含負(fù)載電容包含負(fù)載電容CL的電路及等效電路的電路及等效電路 (a)電路電路 (b)等效電路等效電路 36LLCceoRRRrRsHuIsLebmoUjARUgU11sLoHuIsoLoLoUCRjjAUCjRCjU11111137)1)(1 ()(21HHuIssousjjAUUjA）為輸入回路時(shí)常數(shù)倒數(shù)(11isHCR）為輸出回路時(shí)常數(shù)倒數(shù)(12LoHCR2212111HHH380H12020 dB/10倍頻程4060H24513540 dB/10倍頻程20（主極點(diǎn)）（設(shè)H2 10H1, |AuI| 40 d

16、B）|Au(j )|/dB圖圖511 同時(shí)考慮同時(shí)考慮Ci和和CL影響的波特圖影響的波特圖 39六、結(jié)果討論（如何設(shè)計(jì)寬帶放大器）六、結(jié)果討論（如何設(shè)計(jì)寬帶放大器）1.選擇晶體管的依據(jù)選擇晶體管的依據(jù)2.關(guān)于信號(hào)源內(nèi)阻關(guān)于信號(hào)源內(nèi)阻Rs3.關(guān)于集電極負(fù)載電阻關(guān)于集電極負(fù)載電阻RC的選擇原則的選擇原則 4.關(guān)于負(fù)載電容關(guān)于負(fù)載電容CL選擇選擇Cbc小而小而fT高的晶體管；高的晶體管；選擇選擇Rs小的信號(hào)源小的信號(hào)源；RC的一般比較?。◣资畮装贇W姆）；的一般比較?。◣资畮装贇W姆）； 為降低為降低CL對(duì)對(duì)fH的影響，一、的影響，一、減少減少CL；二、減少；二、減少輸出電阻輸出電阻Ro。40為減小Rs

17、對(duì)fH的影響隔離級(jí)共集共射共集Us.+-RsRi大Ro小主放大級(jí)為減小CL對(duì)fH的影響隔離級(jí)Ro小CL圖圖512插入共集電路以減小插入共集電路以減小Rs大、大、CL大對(duì)大對(duì)fH的不良影響的不良影響4147 放大器的低頻響應(yīng)放大器的低頻響應(yīng) 471 阻容耦合放大器的低頻等效電路阻容耦合放大器的低頻等效電路(a)Us.RsC1RBRECEC2RCRLUCCUo.圖圖423電路電路42Us.RsC1rbbRCbRECEC2RLUo.(b)berbe.Ubegm圖圖423阻容耦合共射放大器及其低頻等效電路阻容耦合共射放大器及其低頻等效電路 低頻等效電路低頻等效電路43圖圖423阻容耦合共射放大器及其低

18、頻等效電路阻容耦合共射放大器及其低頻等效電路 RsC1rbbRCbCE/(1)C2RLUo.(c)Us.(1)REUbegm.rbe簡(jiǎn)化低頻等效電路簡(jiǎn)化低頻等效電路44 472阻容耦合放大器低頻響應(yīng)分析阻容耦合放大器低頻響應(yīng)分析一、一、C1、E對(duì)低頻特性的影響對(duì)低頻特性的影響besebbbsErRrrRR)1 (sbesebebUCjrRrU1EECCCCC11)1 (LebmoRUgU45CrRjrRrRgUUjAbesbesebLmsous)(111)(中頻區(qū)源增益）(besebLmuIsrRrRgA低頻增益模值）（()(1)21LuIsuIsAjA1211arctan180)(11LoL

19、uIsLuIsAjA46低頻增益相角）(arctan180)(1Loj）（低頻響應(yīng)的附加相移1arctan)(Lj下限角頻率）()(11CrRbesL47|Au(j)|0.707|AuIs|AuIs|450L450L90(a)(b)(j圖圖524 阻容耦合放大器阻容耦合放大器C1及及CE引入的低頻響應(yīng)引入的低頻響應(yīng) 48 二、二、C2對(duì)低頻響應(yīng)的影響對(duì)低頻響應(yīng)的影響C2RCRLgmRCUbe.Uo.圖圖525 C2對(duì)低頻響應(yīng)影響的等效電路對(duì)低頻響應(yīng)影響的等效電路4921)(CjRRRRUgULCLCebmo)(1112LCebLmRRCjURgsLCbesebLmURRCjrRrRg)(111

20、221)(LuIssousjAUUjA令50besebLmuIsrRrRgA)1)(1 ()(21LLuIsuIsjjAjA總低頻增益：(中頻源增益中頻源增益) (C2引入的下限角頻率引入的下限角頻率) )(122LCLRRC2)(1)(1221uIsLLuIsAA令2222221)(21()(21(CrRCrRfffLCbesLLL則式中：式中： 51 三、討論三、討論(1)C1、E、C2越大，下限頻率越低，低頻越大，下限頻率越低，低頻失真越小，附加相移也將會(huì)減小。失真越小，附加相移也將會(huì)減小。(2)因?yàn)橐驗(yàn)镃E等效到基極回路時(shí)要除以等效到基極回路時(shí)要除以(1+)，所以若要求所以若要求CE對(duì)

21、對(duì)L1的影響與的影響與C1相同，需要求取相同，需要求取CE =(1+)C1，所以射極旁路電容的取值往往比，所以射極旁路電容的取值往往比C1要大得多。要大得多。(3)工作點(diǎn)越低，輸入阻抗越大，對(duì)改善低頻工作點(diǎn)越低，輸入阻抗越大，對(duì)改善低頻響應(yīng)有好處。響應(yīng)有好處。52(4)RC,RL越大，對(duì)低頻響應(yīng)也有好處。越大，對(duì)低頻響應(yīng)也有好處。(5)C1、CE、C2的影響使放大器具有高通特的影響使放大器具有高通特性，在下限頻率點(diǎn)處，附加相移為正值，說(shuō)明性，在下限頻率點(diǎn)處，附加相移為正值，說(shuō)明輸出電壓超前輸入電壓。輸出電壓超前輸入電壓。(6)同時(shí)考慮低頻和高頻響應(yīng)時(shí)，完整的頻率同時(shí)考慮低頻和高頻響應(yīng)時(shí)，完整的

22、頻率特性如圖特性如圖526所示。所示。53|AuIs| 45 450LH(a)(b)|AuIs|245900 45 90)(jAu)(j圖圖526 阻容耦合放大器完整的頻率響應(yīng)阻容耦合放大器完整的頻率響應(yīng) 54410 Pspice簡(jiǎn)介與簡(jiǎn)介與EWB 一、一、Pspice1.spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）Spice是國(guó)際上公認(rèn)的模擬電路通用仿真工具，是國(guó)際上公認(rèn)的模擬電路通用仿真工具，20世紀(jì)世紀(jì)70年代，美國(guó)加州大學(xué)伯利分校推出，年代，美國(guó)加州大學(xué)伯利分校推出，1988年定為年定為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

23、由于由于spice程序很大，計(jì)算量大而精度高，因此主程序很大，計(jì)算量大而精度高，因此主要用于中、小型計(jì)算機(jī)或功能較強(qiáng)的工作站上。要用于中、小型計(jì)算機(jī)或功能較強(qiáng)的工作站上。2.Pspice1984年美國(guó)年美國(guó)Microsim公司推出的、基于公司推出的、基于Spice的微的微機(jī)版本。機(jī)版本。55 二、二、 EWB ( Electronics workbench )加拿大加拿大Interactive Image Technologies 公司公司推出的模擬電路通用仿真工具，它以推出的模擬電路通用仿真工具，它以Spice為基為基礎(chǔ)，只是版面結(jié)構(gòu)、顯示方式不同。礎(chǔ)，只是版面結(jié)構(gòu)、顯示方式不同。56三、三

24、、EWB的仿真過(guò)程的仿真過(guò)程1.數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入： 采用原理圖方式輸入。采用原理圖方式輸入。2.參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置：器件的數(shù)學(xué)模型參數(shù)。器件的數(shù)學(xué)模型參數(shù)。3.電路分析電路分析：根據(jù)用戶選擇的分析方法，建立電路相應(yīng)根據(jù)用戶選擇的分析方法，建立電路相應(yīng)的電路方程，進(jìn)行數(shù)值求解。的電路方程，進(jìn)行數(shù)值求解。4.數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出：將電路計(jì)算結(jié)果繪制成標(biāo)準(zhǔn)的、直觀的波將電路計(jì)算結(jié)果繪制成標(biāo)準(zhǔn)的、直觀的波形和曲線，以便用戶觀察、輸出和存檔。也可以形和曲線，以便用戶觀察、輸出和存檔。也可以從各種測(cè)試儀器（如示波器）上獲得仿真結(jié)果。從各種測(cè)試儀器（如示波器）上獲得仿真結(jié)果。57四、四、EWB的基本分析方法的基本

25、分析方法1.直流工作點(diǎn)分析直流工作點(diǎn)分析：計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。直流分析是瞬態(tài)計(jì)算電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。直流分析是瞬態(tài)分析和交流小信號(hào)分析的基礎(chǔ)。它決定了瞬態(tài)分析和交流小信號(hào)分析的基礎(chǔ)。它決定了瞬態(tài)分析的初始條件和交流小信號(hào)分析時(shí)電路中非分析的初始條件和交流小信號(hào)分析時(shí)電路中非線性器件的小信號(hào)模型參數(shù)。線性器件的小信號(hào)模型參數(shù)。2.交流頻率分析交流頻率分析：是在正弦小信號(hào)工作條件下，分析電路的頻是在正弦小信號(hào)工作條件下，分析電路的頻率特性?？捎?jì)算出電路的幅頻特性和相頻特性。率特性?？捎?jì)算出電路的幅頻特性和相頻特性。583.瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析：計(jì)算所選定的電路節(jié)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)。在瞬計(jì)算所選定的電路節(jié)點(diǎn)的

26、時(shí)域響應(yīng)。在瞬態(tài)分析參數(shù)設(shè)置中，分析初始條件的缺省設(shè)置為態(tài)分析參數(shù)設(shè)置中，分析初始條件的缺省設(shè)置為直流工作點(diǎn)分析結(jié)果。直流工作點(diǎn)分析結(jié)果。4.傅里葉分析傅里葉分析：把被測(cè)節(jié)點(diǎn)處的時(shí)域變化信號(hào)作離散傅里把被測(cè)節(jié)點(diǎn)處的時(shí)域變化信號(hào)作離散傅里葉變換，求出它的頻域變化規(guī)律。葉變換，求出它的頻域變化規(guī)律。5.失真分析失真分析：分析電路中由于多個(gè)不同頻率激勵(lì)源在電分析電路中由于多個(gè)不同頻率激勵(lì)源在電路中產(chǎn)生的諧波失真和內(nèi)部調(diào)制失真。路中產(chǎn)生的諧波失真和內(nèi)部調(diào)制失真。596.噪聲分析噪聲分析：分析電阻或晶體管的噪聲對(duì)電路的影響?？蓹z測(cè)電分析電阻或晶體管的噪聲對(duì)電路的影響?？蓹z測(cè)電路輸出信號(hào)的噪聲功率幅度。路輸出信號(hào)的噪聲功率幅度。7.