北郵模電第4章-放大電路的頻率特性

第四章：放大電路的頻率特性

鄧

鋼Gdeng@263.net內(nèi)容提要內(nèi)容提要由于放大電路中存在著電抗器件或電抗分量，放大電路對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)的增益量(例如幅度及時(shí)延)可能不同增益量因工作頻率不同而改變的特性稱(chēng)為放大電路的頻率響應(yīng)特性，簡(jiǎn)稱(chēng)頻率特性頻率特性的分析方法晶體管參數(shù)的頻率特性放大電路的頻率響應(yīng)特性本章包括：放大電路的理想頻率特性(一)第一節(jié)：頻率特性的分析方法將放大電路作為一個(gè)信號(hào)線(xiàn)性傳輸系統(tǒng)：：輸入信號(hào)的拉式變換：輸出信號(hào)的拉式變換：系統(tǒng)傳輸函數(shù)時(shí)，頻率的穩(wěn)態(tài)正弦頻率響應(yīng)：：幅度響應(yīng)：相位響應(yīng)放大電路的理想頻率特性(二)第一節(jié)：頻率特性的分析方法放大電路應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)頻譜范圍內(nèi)任何頻率點(diǎn)的信號(hào)分量給予同等量的幅度放大和同等量的時(shí)延：放大電路的理想幅頻特性是通頻帶應(yīng)覆蓋輸入信號(hào)的頻譜范圍且通頻帶內(nèi)的幅度增益保持為一常數(shù)放大電路的理想相頻特性是在輸入信號(hào)的頻譜范圍內(nèi)相頻特性為線(xiàn)性頻率失真(線(xiàn)性失真)：包括幅度失真和相位失真非線(xiàn)性失真：由于放大器的非線(xiàn)性特性而引起傳輸函數(shù)和零、極點(diǎn)(一)第一節(jié)：頻率特性的分析方法：標(biāo)尺因子：零點(diǎn)：極點(diǎn)系統(tǒng)的極零圖如右圖所示：傳輸函數(shù)和零、極點(diǎn)(二)第一節(jié)：頻率特性的分析方法一個(gè)穩(wěn)定的放大電路，其傳輸函數(shù)的零、極點(diǎn)有如下特點(diǎn)：零點(diǎn)的個(gè)數(shù)m小于或等于極點(diǎn)個(gè)數(shù)n極點(diǎn)應(yīng)是負(fù)實(shí)數(shù)或是實(shí)部為負(fù)的共軛復(fù)數(shù)對(duì)在各零、極點(diǎn)均為實(shí)數(shù)時(shí)，令：極點(diǎn)角頻率零點(diǎn)角頻率波特圖的含義及作用(一)第一節(jié)：頻率特性的分析方法即對(duì)數(shù)頻率特性，橫坐標(biāo)是頻率，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)：對(duì)數(shù)幅頻特性的縱坐標(biāo)是電壓放大倍數(shù)幅值的對(duì)數(shù) ，單位是分貝(dB)對(duì)數(shù)相頻特性的縱坐標(biāo)是相角，不取對(duì)數(shù)，而是按照線(xiàn)性刻度(dB)0.01-400.1-200.707-310326102010040波特圖的優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)大視野，作圖方便波特圖的含義及作用(二)第一節(jié)：頻率特性的分析方法幅頻特性：相頻特性：一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖(一)第一節(jié)：頻率特性的分析方法幅頻特性：從而可以近似用兩條直線(xiàn)構(gòu)成的折線(xiàn)來(lái)表示一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖(二)第一節(jié)：頻率特性的分析方法相頻特性：從而可以近似用三條直線(xiàn)構(gòu)成的折線(xiàn)來(lái)表示一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖(三)第一節(jié)：頻率特性的分析方法：上限(-3dB)截止角頻率高頻段時(shí)產(chǎn)生負(fù)90度滯后相移產(chǎn)生最大偏差處一階零點(diǎn)因子的波特圖第一節(jié)：頻率特性的分析方法幅頻特性：相頻特性：一階零點(diǎn)因子的波特圖與一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)波特圖的畫(huà)法類(lèi)似，但相對(duì)于X軸對(duì)稱(chēng)注意：上式所對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)為負(fù)實(shí)數(shù)，將提供正的相角，即引起超前相移；若零點(diǎn)值為正實(shí)數(shù)則會(huì)引起滯后相移多級(jí)放大電路的幅頻特性和相頻特性第一節(jié)：頻率特性的分析方法多級(jí)放大電路的通頻帶和截止頻率第一節(jié)：頻率特性的分析方法多級(jí)放大電路的通頻帶窄于每一單級(jí)電路的通頻帶，且級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)越多，多級(jí)電路的通頻帶就越窄可用解高階代數(shù)方程的方法來(lái)嚴(yán)格求解多級(jí)放大電路的上、下限截止頻率1.1為修正系數(shù)，以提高公式的近似精度主極點(diǎn)和主極點(diǎn)頻率第一節(jié)：頻率特性的分析方法在一個(gè)低通系統(tǒng)中，若有n個(gè)極點(diǎn)和m個(gè)零點(diǎn)，其中有一個(gè)(或幾個(gè)靠得很近的)極點(diǎn)(或零點(diǎn))最低，與其它極、零點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)，則最低的極點(diǎn)(或零點(diǎn))稱(chēng)為主極點(diǎn)(或主零點(diǎn))類(lèi)似地，可以在高通系統(tǒng)中定義主極點(diǎn)(或主零點(diǎn))當(dāng)系統(tǒng)存在主極、零點(diǎn)時(shí)，其上、下限截止頻率由主極、零點(diǎn)近似確定，非主極、零點(diǎn)的影響較小但要注意非主極點(diǎn)對(duì)相角的貢獻(xiàn)有時(shí)時(shí)不能忽略的討論第一節(jié)：頻率特性的分析方法若電路中出現(xiàn)二階零極點(diǎn)，應(yīng)如何處理？如何在波特圖與傳遞函數(shù)之間建立關(guān)聯(lián)？若電路中出現(xiàn)零零點(diǎn)或零極點(diǎn)，應(yīng)如何處理？綜述第二節(jié)：晶體管的頻率特性晶體管內(nèi)部等效電容的容抗隨著工作頻率的增高而減小，這是導(dǎo)致晶體管放大能力下降的主要原因在中、低工作頻段(低至零頻)，管內(nèi)電容的容抗相對(duì)較大，從而可相當(dāng)于開(kāi)路，晶體管的放大能力基本不隨頻率變化雙極型晶體管的高頻參數(shù)(一)第二節(jié)：晶體管的頻率特性即令上圖中的輸出端短路低、中頻時(shí)可認(rèn)為電容開(kāi)路高頻時(shí)…雙極型晶體管的高頻參數(shù)(二)第二節(jié)：晶體管的頻率特性推導(dǎo)可得：在共基極電路中：注意以上各式所適用的頻率范圍以上各頻率與工作點(diǎn)有一定關(guān)系MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)：晶體管的頻率特性推導(dǎo)可得：分析可知，溝道長(zhǎng)度越短，管的高頻放大能力就會(huì)相對(duì)越強(qiáng)思考第二節(jié)：晶體管的頻率特性結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管呢？單管共射放大電路的高頻特性第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性從該圖中可以解出高頻段時(shí)的電壓傳輸函數(shù)。但是結(jié)果非常復(fù)雜(二階一零系統(tǒng))，需要找出更簡(jiǎn)單的解法注意該電路的特點(diǎn)……密勒等效定理的作用第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性網(wǎng)絡(luò)的一種等效變換關(guān)系，可以將跨接在網(wǎng)絡(luò)輸入端與輸出端之間的阻抗分別等效為并接到輸入端與輸出端的阻抗密勒等效定理的變換方法第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性共射放大電路的單向化等效電路(一)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性共射放大電路的單向化等效電路(二)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性由密勒等效前的電路可近似解得：共射放大電路的單向化等效電路(三)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性單向化后的增益及上截頻參數(shù)分析(一)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性令：幅頻特性相頻特性密勒單向化近似后將二階一零系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一階無(wú)零系統(tǒng)單向化后的增益及上截頻參數(shù)分析(二)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性增益帶寬積：影響上限截止頻率的主要元件及參數(shù)是和，可據(jù)此選器件。同時(shí)，信號(hào)源內(nèi)阻應(yīng)盡可能小些，即共射放大電路應(yīng)盡可能恒壓激勵(lì)在電路參數(shù)及晶體管都選定后，基本上是個(gè)常數(shù)，因而要提高增益，其帶寬就要下降小結(jié)：?jiǎn)喂芄不糯箅娐返母哳l特性(一)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性輸入回路的電流源可等效為一純阻令將電流源分別等效到輸入、輸出回路中單管共基放大電路的高頻特性(二)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性由于結(jié)電容的輸入電容較共射電路要??；且共基回路的輸入電阻也相對(duì)較小，故共基電路的輸入回路時(shí)間常數(shù)會(huì)遠(yuǎn)小于共射電路因此共基電路電壓增益系數(shù)的上截止頻率要高于相同工作條件下的共射電路單管共基放大電路的高頻特性(三)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性共基放大電路的電流增益、上限截止頻率、輸入輸出阻抗均可較好地滿(mǎn)足對(duì)電流跟隨器的要求單管共基放大電路的高頻特性(四)第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性忽略后共基放大電路上限截止頻率主要由輸出回路的極點(diǎn)值決定對(duì)的影響程度與的大小有關(guān)為了擴(kuò)展頻帶，除選用高的管子外，共基極電路宜于恒流激勵(lì)，而且不宜過(guò)大。減小增大，雖可提高，但中頻增益將會(huì)下降若負(fù)載帶有容性，則輸出回路的時(shí)間常數(shù)可能會(huì)限制共基極放大電路的上截頻單管共集放大電路的高頻特性結(jié)電容跨接于輸入、輸出端之間，故可根據(jù)密勒定理來(lái)分析其作用分析可知，由于共集電路的電壓跟隨特性，的密勒效應(yīng)較小，電路的上限截止頻率相應(yīng)會(huì)較高，高于相同條件下的共射放大電路由近似分析可知，用減小信號(hào)源內(nèi)阻，選基區(qū)體電阻效應(yīng)較小的管，增大負(fù)載電阻的方法可以提高共集電路的源電壓增益上限截止頻率第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性放大電路的低頻特性第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性當(dāng)信號(hào)源頻率較低時(shí)，耦合電容、旁路電容的阻抗增加，從而使得增益的模值減小，相移增大分析可知，欲降低放大電路的下截止頻率，應(yīng)增加耦合電容的容量，增大放大電路的輸入電阻和負(fù)載電阻直接耦合電路的下截頻為零頻共射-共基組合放大電路的頻率特性第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性又稱(chēng)為串接放大電路具有較大的輸入與輸出電阻。放大倍數(shù)與單極共射電路相同設(shè)兩管參數(shù)相同高頻響應(yīng)特性好的原因共集-共射組合放大電路的頻率特性第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性射隨的輸出電阻較低，故提高了后級(jí)共射電路的上截頻由于射隨的電壓增益近似為1，故組合電路的中頻增益與共射電路近似基本共源放大電路的頻率特性(一)第四節(jié)：場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的頻率特性柵源短路時(shí)的MOS管等效模型基本共源放大電路的頻率特性(二)第四節(jié)：場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的頻率特性由于輸出回路為容性負(fù)載，此時(shí)密勒等效處理失去意義手動(dòng)計(jì)算時(shí)，可以使用電路分析方法進(jìn)行求解也可使用EDA工具進(jìn)行定量計(jì)算基本共源放大電路的頻