模擬電子技術基礎第4章-頻率特性課件

1、共78頁第1頁第4章 放大電路的頻率響應4.1 頻率響應概述 4.2 RC電路的頻率響應4.3 雙極結型晶體管的高頻等效模型4.4 場效應晶體管的高頻等效模型4.5 單級放大電路的頻率響應 4.6 多級放大器的頻率響應共78頁第2頁4.1 頻率響應概述1）電子電路中要處理的信號一般不是單一頻率，而是包含豐富的頻率成份。例如心電信號、語音信號、圖像信號等。2）放大電路中，由于耦合電容、器件極間電容的存在，電路的增益是信號頻率的函數，這種函數稱為頻率響應或頻率特性。3）放大電路中，信號的頻率會從幾赫茲到上百兆赫茲變化，而放大電路的增益可從幾倍到上百萬倍。采用對數坐標系，就可在同一坐標系清晰地表達非

2、常寬的變化范圍。 相位頻率特性: ()幅值頻率特性:共78頁第3頁4.1 頻率響應概述常見放大電路的幅值頻率特性如圖 按頻率范圍分為 低頻段 中頻段 高頻段 幅值頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標以 分度。表示增益的幅值與頻率的關系。相位頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的相位與頻率的關系。這種頻率特性在對數坐標系中的表達，稱為Bode圖。共78頁第4頁4.1 頻率響應概述 低頻段 中頻段 高頻段 時增益比中頻段增益降低了3dB，即增益是中頻段增益的0.707倍。將 和 之間的頻率范圍定義為放大電路增益的帶寬，簡稱為放大電路的帶寬和帶寬是一個放大電路增益不損失地放大信號的頻率

3、范圍. 共78頁第5頁4.1 頻率響應概述4）在放大電路中，靜態(tài)分析時，耦合電容、射極旁路電容可以看作開路，而在動態(tài)分析中，耦合電容、射極旁路電容可以看作短路。實際上，當電路中信號的頻率從零向無窮大變化時，電路中的電容不可能從短路立即變?yōu)殚_路。 5）而對雙極結型晶體管和場效應管中存在的極間電容，我們在分析時沒有考慮其帶來的影響。共78頁第6頁4.1 頻率響應概述6）放大電路中的每一類電容，會對頻率響應的某一頻段產生影響。電路中的耦合電容和旁路電容，主要影響放大電路的低頻響應，而對高頻響應的影響可以忽略；器件的極間電容，主要影響放大電路的高頻響應，而對低頻響應的影響可以忽略。6）為了簡化分析，在

4、不同的頻段，尋找不同的等效電路，如低頻等效電路、高頻等效電路等，通過求該電路的傳遞函數和時間常數，求得電路的頻率響應。 7）本章將主要討論電路中的耦合電容、旁路電容和三極管的結電容對電路響應帶來的影響。共78頁第7頁4.1 頻率響應概述8）每一個具體的放大電路，只對特定頻段的信號能夠進行不失真的放大，因此，必須根據信號的頻率范圍，選擇具有與之相應的頻率特性的放大電路，才能獲得滿意的放大效果。 例如，一個音頻信號的范圍為 ，則為了使放大以后的信號完整地反映原有信號，所設計的放大電路的 應小于 而 應大于 。，共78頁第8頁4.2 RC電路的頻率響應雙極型晶體管的結電容影響電路的高頻響應，頻率響應

5、 與RC低通電路相似。耦合電容影響電路的低頻響應，頻率響應與RC高通電路相似。RC低通電路的頻率響應RC高通電路的頻率響應共78頁第9頁4.2.1 RC低通電路的頻率響應1). 電路的傳遞函數 4.2 RC電路的頻率響應共78頁第10頁令:則:幅值頻率特性:相位頻率特性: 4.2.1 RC低通電路的頻率響應共78頁第11頁2). 波特圖構成了放大電路頻率響應的波特圖，也稱Bode圖，以最初的提出者H.W.Bode命名。波特圖包括兩部分:幅值頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。相位頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。波特圖包

6、括兩部分:幅值頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。相位頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。波特圖包括兩部分:幅值頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。相位頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。波特圖包括兩部分:幅值頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。相位頻率特性：橫坐標軸以 分度，縱坐標 以分度。表示增益的幅值與頻率的關系。4.2.1 RC低通電路的頻率響應共78頁第12頁2). 波特圖(a) 幅值頻率特性當ffH 在該

7、頻段，幅值頻率特性的漸近線為頻率每變化10倍，幅值下降20dB的斜線，通常稱該斜線的斜率為-20dB/dec；當 ffH 低頻段和高頻段的漸近線在 處相交。4.2.1 RC低通電路的頻率響應共78頁第13頁低頻段和高頻段的漸近線在 處相交。當 f=fHf=fH, 稱為轉折頻率，或-3dB頻率。在f=fH處，漸近線與實際曲線的誤差最大，為 3dB。低頻段和高頻段的漸近線在 處相交。4.2.1 RC低通電路的頻率響應共78頁第14頁當 f=fH ：相位頻率特性如圖b) 相位頻率響應當 ffH ：相位頻率特性的漸近線為-90的直線 4.2.1 RC低通電路的頻率響應共78頁第15頁從上述特性可以看出

8、，該RC電路，對ffH的信號，被該電路衰減，故稱低通電路。fH為上限截止頻率，也稱為上限轉折頻率。4.2.1 RC低通電路的頻率響應共78頁第16頁1). 電路的傳遞函數為： 4.2.2 RC高通電路的頻率響應共78頁第17頁令: 則:幅值頻率特性：相位頻率特性：4.2.2 RC高通電路的頻率響應共78頁第18頁幅值頻率特性當 ffL幅值頻率特性的漸近線為0dB的直線 當 ffL：當 ffL的信號，可以無衰減地通過，而對ffL的信號，被該電路衰減，故稱高通電路。 稱fL為下限截止頻率，也稱為下限轉折頻率。4.2.2 RC高通電路的頻率響應共78頁第22頁high-pass network. 4

9、.2 RC電路的頻率響應-小結Low-pass network. 共78頁第23頁4.3 雙極結型晶體管的高頻等效模型4.3.1 雙極結型晶體管的混合型等效模型4.3.2 雙極結型晶體管混合型等效模型的主要參數4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理 共78頁第24頁下面以共射接法的雙極結型晶體管為例，從晶體管的物理結構出發(fā)，考慮結電容的作用，求晶體管的高頻等效模型除了對外引出的三個電極，即基極b，射極e和集電極c外，在晶體管內部的基區(qū)、射區(qū)和集電區(qū)各有一個假想的點 4.3.1 雙極結型晶體管的混合型等效模型共78頁第25頁 分別為基

10、區(qū)，射區(qū)和集電區(qū)的體電阻， 的數值較小，?？珊雎浴?分別為發(fā)射結和集電結的電阻，由于工作在放大狀態(tài)的晶體管的集電結為反向偏置，故 的數值很大，近似分析中可視為無窮大 4.3.1 雙極結型晶體管的混合型等效模型混合 型等效電路(模型）或高頻小信號等效電路共78頁第26頁采用與低頻等效電路類比的方法求高頻等效電路參數4.3.2 雙極結型晶體管混合型等效模型的主要參數共78頁第27頁1) 若:則: :手冊可查4.3.2 雙極結型晶體管混合型等效模型的主要參數低頻時2)共78頁第28頁3) 可查手冊: 單位增益頻率4.3.2 雙極結型晶體管混合型等效模型的主要參數共78頁第29頁求集電極電流和基極電流

11、的表達式 根據定義：在晶體管的高頻混合型等效電路中 ，令4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應共78頁第30頁節(jié)點 c: 由于第二式代入第一式得：4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應共78頁第31頁當 時，考慮到低頻時:則: 為的頻率響應忽略 4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應共78頁第32頁a) 的幅值頻率特性 則: 令: 4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應b) 的相位頻率特性稱為轉折頻率（截止頻率）共78頁第33頁Bode圖： 與RC低通電路相似4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應共78頁第34頁由于 有：則: 通常, 因而:

12、4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應若 時對應的頻率為 稱為單位增益帶寬 共78頁第35頁對于共基極放大電路，電流放大系數 的轉折頻率為 所以共基極電路具有最佳的高頻性能，即最大的帶寬。通常： 4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應共78頁第36頁混合型等效模型的簡化處理主要是將 分別等效到輸入回路和輸出回路，稱為單向化處理 ,以簡化分析。4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理共78頁第37頁節(jié)點 :定義:定義:則基極回路的總電容為：為米勒電容4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理共78頁第38頁采用同樣的方法，求得 在輸出端的等效值為：該電容

13、并聯在c、e之間，由于一般情況下 的容抗遠大于 的阻值，近似分析中，該電容支路?？煽醋鏖_路。 得到簡化的混合型等效模型，廣泛應用在放大電路的高頻分析中。4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理共78頁第39頁近似估算如下： 為米勒電容。由于米勒電容可寫為：使 遠大于原電容 的值，此現象稱為密勒(Miller)效應， 4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理右圖的節(jié)點c，電容中的電流相比 較小，可以忽略， 有： 若有負載 ,則共78頁第40頁 則晶體管的高頻等效模型為 其中：4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理共78頁第41頁4.3 晶體管的高頻等效模型-

14、小結4.3.1 雙極結型晶體管的混合型等效模型4.3.2 雙極結型晶體管混合型等效模型的主要參數4.3.3 雙極結型晶體管電流放大系數的頻率響應4.3.4 雙極結型晶體管混合型等效模型的單向化處理 共78頁第42頁以共源接法為例，與低頻小信號模型比較，MOS場效應管的高頻小信號模型需要考慮溝道的電容效應。 4.4 場效應晶體管的高頻小信號模型按照同樣的思路，將 分別折合到輸入回路和輸出回路。折合到輸入回路的等效電容為 輸入回路的總電容為 輸出回路的總等效電容為： 共78頁第43頁忽略 ，由于輸出回路的時間常數遠大于輸入回路的時間常數，因此在頻率特性分析中常忽略輸出回路電容的影響，得到簡化的場效

15、應管的高頻等效模型如圖。其中： 4.4 場效應晶體管的高頻小信號模型共78頁第44頁4.5.1 單級放大電路的中頻響應4.5.2 單級放大電路的高頻響應4.5.3 單級放大電路的低頻響應4.5.4 單級放大電路頻率響應4.5.5 放大電路的增益帶寬積4.5 共射放大器的頻率響應共78頁第45頁1）忽略耦合電容和結電容的影響，得到中頻等效電路4.5.1 單級放大電路的中頻響應考慮輸出含耦合電容的共射放大電路，分析放大電路的頻率響應。考慮耦合電容和器件結電容的影響，畫出該電路在全頻段的小信號等效電路 共78頁第46頁2).共射放大器的中頻響應對信號源的電壓增益：4.5.1 單級放大電路的中頻響應當

16、 RL 開路時，對信號源的電壓增益：共78頁第47頁在高頻段，電路的工作頻率比中頻段更高，耦合電容可以近似看做短路，結電容的影響則不能忽略，則有高頻等效電路如圖 4.5.2 單級放大電路的高頻響應共78頁第48頁求 往左看的有源二端網絡的戴維南等效電路，求簡化的高頻小信號等效電路4.5.2 單級放大電路的高頻響應簡化的高頻小信號等效電路共78頁第49頁則高頻響應求解如下電壓增益4.5.2 單級放大電路的高頻響應由于：上圖輸入阻容回路的時間常數為 為放大電路的上限截止頻率，由上圖輸入回路的阻容時間常數決定。 定義： 共78頁第50頁則高頻響應為4.5.2 單級放大電路的高頻響應Bode圖類似于R

17、C低通網絡，輸出和輸入電壓的相位差在 之間變化共78頁第51頁在低頻段，結電容可近似看作開路，耦合電容的影響則不能忽略，則共射放大電路在低頻段的等效電路如圖。將受控電流源轉換為受控電壓源。4.5.3 單級放大電路的低頻響應其中：共78頁第52頁圖中 為 和C斷開后，電路的輸出電壓，其與信號源電壓的增益為： 則低頻響應為4.5.3 單級放大電路的低頻響應其中：為中頻電壓增益共78頁第53頁輸出阻容回路的時間常數：定義：為放大電路的下限截止頻率，由圖中輸出阻容回路的時間常數決定，則 4.5.3 單級放大電路的低頻響應共78頁第54頁Bode圖，具有高通的特點。4.5.3 單級放大電路的低頻響應共7

18、8頁第55頁4.5.4 單級放大電路的頻率響應在頻率從零到無窮大的全頻段上，放大電路的頻率響應是上述中頻、高頻和低頻響應的組合，即單級放大電路電壓增益的頻率響應的表達式和Bode圖為：對具體電路分別求出中頻電壓增益，上限截止頻率和下限截止頻率，按照上式就可寫出電路的頻率響應。其上限截止頻率主要由結電容所在阻容回路的時間常數決定，下限截止頻率主要由耦合電容和射極旁路電容所在阻容回路的時間常數決定。其時間常數為從電容兩端看進去的總的等效電阻和電容之積。當有多個阻容回路時，將有多個 和 共78頁第56頁【例4-4-1】場效應管構成的基本共源放大電路如圖。電路中的電阻、電容參數以及場效應管的 和結電容

19、為已知。求該電路的頻率響應表達式，并畫出Bode圖。解：1）求中頻響應，首先畫出電路全頻段的小信號等效電路。電路的中頻增益 4.5.4 單級放大電路的頻率響應共78頁第57頁2）求高頻響應：畫出高頻小信號等效電路，如圖。則：電路的高頻響應為：4.5.4 單級放大電路的頻率響應共78頁第58頁3）求低頻響應：考慮耦合電容，畫出電路的低頻小信號等效電路，如圖。圖中C所在回路的時間常數為電路的低頻響應為：4.5.4 單級放大電路的頻率響應共78頁第59頁4）頻率響應：4.5.4 單級放大電路的頻率響應共78頁第60頁4.5.5 放大電路的增益帶寬積說明，提高放大電路的增益與擴展放大電路的帶寬之間是有

20、矛盾的。因此不能只以的大小來判斷一個放大電路的高頻性能，常定義增益帶寬積GBP來更合理地描述放大電路的高頻性能。GBP定義為： 益提高，這又是我們希望的。選擇 小的晶體管，即高頻性能好的管子組成放大電路，可獲得大的GBP。另外，共射放大由于密勒效應的存在，其帶寬受到限制，如采用共基電路，則密勒效應不存在，電路的頻帶將得到擴展。 共78頁第61頁4.5.1 單級放大電路的中頻響應4.5.2 單級放大電路的高頻響應4.5.3 單級放大電路的低頻響應4.5.4 單級放大電路頻率響應4.5.5 放大電路的增益帶寬積4.5 共射放大器的頻率響應-小結共78頁第62頁4.6 多級放大器的頻率響應多級放大電路由前述的多個單級放大電路級聯而成?？偟碾妷涸鲆娴扔诟骷夒妷涸鲆娴某朔e，但需注意