模拟电子技术 放大电路的频率响应.ppt

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1、3.2RC电路的频率响应,第3章 放大电路的频率响应,3.5 放大电路的增益带宽积,小 结,3.1概述,3.3晶体管的高频等效模型,3.4共射放大电路的频率响应,1.幅频特性和相频特性,Au( f ) 幅频特性,( f ) 相频特性,0.707Aum,f L 下限截止频率,f H 上限截止频率,2. 频带宽度(带宽)fBW(Band Width),fBW = f H - f L f H,3.1 概述,3.2.1 RC 低通电路的频率响应,3.2 RC 电路的频率响应,1. 频率特性的描述,令 1/RC = H, =RC,滞后,幅频特性,相频特性,在研究放大电路的频率响应时，输入信号（即加在放大

2、电路输入端的测试信号）的频率范围常常设置在几赫到上百兆，甚至更宽；而放大电路的放大倍数可从几倍到上百万倍；为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围，在画频率特性曲线时常采用对数坐标，称为波特图。 波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成，它们的横轴采用对数刻度lgf，幅频特性的纵轴采用 表示，单位是分贝（dB）；相频特性的纵轴仍用表示。这样不但开阔了视野，而且将放大倍数的乘除运算转换成加减运算。,滞后,f fH,f = fH,f fH,2. 频率特性的波特图,表明f每上升10倍，增益下降20dB，即对数幅频特性在此区间可等效成斜率为（20dB/十倍频）的直线。,频率特性,波特图, 3 dB,

3、 20 dB/十倍频,波特图的优点：能够扩大频率的表达范围，并使作图方法得到简化。,在电路的近似分析中，为简单起见，常将波特图的曲线折线化，称为近似的波特图。在对数幅频特性中，以截止频率为拐点，由两段直线近似曲线。在对数相频特性中，用三段直线取代曲线，以10fH和0.1fH为两个拐点。,3.2.2 RC 高通电路的频率响应,令 1/RC = L,超前,f fL,f = fL,f fL,高通电路的波特图,当f10fL时，以 直线近似。,当f0.1fL时，以斜率为（20dB/十倍频）的 直线近似。,当f10fL时，以=0的 直线近似。,当f0.1fL时，以=+90的 直线近似。,在本节的分析中，具

4、有普遍意义的结论是：,电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数。 当信号频率等于下限频率或上限频率时，放大电路的增益下降3dB，且产生+45或45相移。 近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。,例 ：,求已知一阶低通电路的上限截止频率。,0.01 F,1 k,1 k,1/1 k,0.01 F,例 ：,已知一阶高通电路的 fL = 300 Hz，求电容 C。,500 ,C,2 k,戴维南定理等效,注：电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数。,3.3.1晶体管的混合模型（1）,3.3 晶体管的高频等效模型,3.3.1 晶体管的混合 型的建立,在低频和中频情况下，信号频率

5、较低，晶体管的PN结极间电容的容抗很大，而结电容很小，两者并联时，可以忽略极间电容的作用；而在高频情况下，晶体管的极间电容的容抗变小，与其结电阻相比，影响就不能被忽略了。,PN结结电容的影响：, 的影响：,因 值随频率升高而降低。,结论：高频下不能采用 H 参数等效电路。,3.3.1晶体管的混合模型（2）,晶体管结构示意图,混合 型的建立,Cbe ：不恒定， 与工作状态有关,简化的结构示意图,晶体管的混合模型,Cb c=C，Cb e=C,3.3.1晶体管的混合模型（5）,晶体管的混合模型,3.3.2 简化混合模型,rceRL rb cC的容抗 将C单向化： C及C 、 C 中的电流相同,3.3

6、.3 混合 模型的主要参数,低频等效电路,混合 模型主要参数的计算依据：混合 模型与h参数模型在低频时是等效的。,混合 模型的主要参数：,Cob是晶体管为共基接法且发射极开路时c-b间的结电容，与C近似。,3.4 共射放大电路的频率响应,在分析放大电路的频率响应时，为了方便起见，一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段。 在中频段，极间电容因容抗很大而视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗很小而视为短路，故不考虑它们的影响； 在低频段，主要考虑耦合电容（或旁路电容）的影响，此时极间电容仍视为开路； 在高频段，主要考虑极间电容的影响，此时耦合电容（或旁路电容）仍视为短路； 根据上述原

7、则，便可得到放大电路在各频段的等效电路，从而得到各频段的放大倍数。,利用晶体管的高频等效模型，可以分析放大电路的频率响应。本节通过单管放大电路来讲述频率响应的一般分析方法。,适应于信号频率从零到无穷大的交流等效电路, ,一、中频段电压放大倍数,在中频段，极间电容因容抗很大而视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗很小而视为短路，故不考虑它们的影响。,电路空载时的中频电压放大倍数为,单管共射放大电路的中频等效电路,中频电压放大倍数：,二、高频电压放大倍数,在高频段，主要考虑极间电容的影响，此时耦合电容（或旁路电容）视为短路。,单管共射放大电路的高频等效电路,输入回路的等效变换,输入回路,利用戴维宁

8、定理,低通电路, ,（b-e间的开路电压）,（戴维宁等效电阻）,高频电压放大倍数：,将上式与中频电压放大倍数的表达式比较，可得高频电压放大倍数：,令,对数幅频特性与相频特性的表达式：,180表示中频段时输出电压与输入电压反相。因电抗元件引起的相移称为附加相移。在高频段，由极间电容引起的最大附加相移为90。,上限截止频率,高频电压放大倍数：,式中RC正是C所在回路的时间常数，它等于从电容C两端向外看的等效总电阻乘以C 。,三、低频电压放大倍数,单管共射放大电路的低频等效电路,输出回路的等效变换,高通电路,在低频段，主要考虑耦合电容（或旁路电容）的影响，此时极间电容仍视为开路。,空载时的输出电压,

9、将上式的分子 与分母同除以（RC+RL）便可得到,低频电压放大倍数：,令,式中（RC+RL）C正是C所在回路的时间常数，它等于从电容C两端向外看的等效总电阻乘以C。,对数幅频特性与相频特性的表达式：,180表示中频段时输出电压与输入电压反相。在低频段，由耦合电容引起的最大附加相移为90。,将上式与中频电压放大倍数的表达式比较，可得低频电压放大倍数：,下限截止频率,单管共射放大电路的波特图,四、波特图,综上所述，若考虑耦合电容及结电容的影响，则对于频率从零到无穷大的输入电压，电压放大倍数的表达式应为,此式可以全面表示任何频段的电压放大倍数，而且上限频率和下限频率均可表示为1/2， 分别是极间电容

10、和耦合电容所在回路的时间常数，其值为从电容两端向外看的总等效电阻与相应的电容之积。可见，求解上、下限截止频率的关键是正确求出回路的等效电阻。,例一：在共射放大电路中，已知VCC=15V，Rs=1k，Rb=20k ，Rc=RL=5k ，C=5F；晶体管的UBEQ=0.7V，rbb=100 ， =100，f =0.5MHz，Cob=5pF。试估算电路的截止频率fH和fL，并画出 的波特图。,解：,（1）求解Q点（us=0）,可见，放大电路的Q点合适。,（2）画出全频段交流等效电路, , ,（3）求解混合模型中的参数,（4）求解中频电压放大倍数,（5）求解fH和fL,（6）写出 的表达式，画 的波特

11、图,3.5 放大电路频率响应的改善与增益带宽积,1. 对放大电路频率响应的要求,为了减小频率失真，实现不失真的放大，放大电路的通频带应该覆盖输入信号占有的整个频率范围。即放大电路的fL要小于输入信号中的最低频率，fH要高于输入信号中的最高频率。在信号频率范围已知的情况下，只要求电路放大该频段的信号即可；即放大电路只需具有与信号频段相对应的通频带即可，而且这样做将有利于抵抗外部的干扰信号。若盲目追求宽频带不但无益，而且还将牺牲放大电路的增益，并可能引入干扰。,2. 放大电路频率响应的改善,要想低频特性好，应采用直接耦合方式；要想高频特性好，首先应选择截止频率高的管子，然后合理选择参数，使极间电容

12、所在回路的等效电阻尽可能小。,3. 放大电路的增益带宽积,在一定条件下，增益带宽积约为常量。带宽的提高与增益的增大是相互矛盾的。即增益提高时，必使带宽变窄；增益减小时，必使带宽变宽。为了综合考察这两方面的性能，引入一个新的参数增益带宽积。上式表明，当晶体管选定后，基区的体电阻和ob就随之确定，因而增益带宽积也就大体确定，即增益增大多少倍，带宽几乎就变窄多少倍，这个结论具有普遍性。从另一个角度看，为了改善电路的高频特性，展宽频带，首先应选用基区的体电阻和ob均小的高频管，并且与此同时，尽量减小极间电容所在回路的总等效电阻。另外，还可考虑采用共基电路。,两级放大电路的波特图,设组成两级放大电路的两

13、个单管放大电路具有相同的频率响应，两级放大电路和组成它的单级放大电路的波特图如图所示。根据截止频率的定义，在幅频特性中找到使增益下降3dB的频率就是两级放大电路的下限频率和上限频率，如图所示。显然，两级放大电路的通频带比组成它的单级放大电路窄。高频段曲线斜率为40dB/十倍频，说明影响高频特性的有两个电容，即电路为两级放大电路。,多级放大电路，若各级截止频率相差不多的情况，其上、下限截止频率分别用以下公式计算：,多级放大电路，若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认整个电路的下限频率就是该级的下限频率；同理，若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的

14、上限频率。,例二：已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。试求解下限频率fL和上限频率fH，以及电压放大倍数 。,解：,求解fL、fH和,（1）频率特性曲线的低频段只有一个拐点，且低频段曲线斜率为20dB/十倍频，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的下限频率为10Hz。,（2）频率特性曲线高频段只有一个拐点，说明电路每一级的上限频率均为2105Hz，且因高频段曲线斜率为60dB/十倍频，说明影响高频特性的有三个电容，即电路为三级放大电路。根据公式可得上限频率为,若已知放大电路的上、下限截止频率和中频电压放大倍数，便可画出波特图，写出适于频率从零到无穷大情况下的放大倍数的表

15、达式。当信号频率为下限频率（或上限频率）时，增益下降dB，附加相移为或 。,（3）因各级均为共射放大电路，所以在中频段输出电压与输入电压相位相反。因此，电压放大倍数,或,代入上式,得,在多级放大电路中，若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率；同理，若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。前面的公式多用于各级截止频率相差不多的情况。,例三：分别求出Q点稳定电路中C1、C2、Ce所确定的下限频率的表达式及电路上限频率的表达式。,对于有多个耦合电容和旁路电容的单管放大电路，在分析下限频率时，应先求出每个电

16、容所确定的截止频率，然后利用公式求出电路的下限频率。若某个下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是这个下限频率。,解：,（2）求解fL和fH,（3）写出 表达式,（1）求解 和,例四：已知某放大电路的波特图如图所示，求解：（1）电路的中频电压增益 ，中频电压放大倍数 ；（2）电路的下限频率fL和上限频率fH；（3）电路的电压放大倍数 的表达式。,表达式：,或,解：,例五：已知某共射放大的波特图如图所示，试写出 的表达式。,或,分析：,（1）,（2）,画波特图,思考：已知某电路的波特图如图所示，试写出 的表达式。,思考：已知某电路的幅频特性如图所示，试问：（1）该电路的耦

17、合方式；（2）该电路由几级放大电路组成；（3）当f=104Hz时，附加相移为多少？当f=105Hz时，附加相移又约为多少？（4）写出 的表达式，并近似估算该电路的上限截止频率fH。,思考：已知某放大电路波特图为：,1）求解Aum、fL、fH； 2）写出放大倍数的表达式。,如果放大器由多级级联而成，那么，总增益,*多级放大电路的频率响应,多级放大器的上限频率fH 设单级放大器的增益表达式为,式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|为多级放大器中 频增益。令,多级放大器的下限频率fL 设单级放大器的低频增益为,解得多级放大器的下限角频率近似式为,若各级下限角频率相等，即fL1=fL2=fLn,则,一、简单 RC 电路的频率特性,RC 低通电路,RC 高通电路,小 结,注意：低通电路与高通电路在电路结构、放大倍数表达式、Bode图等方面均具有对偶性。,二、放大电路的高频特性,1. 晶体管混合 型等效电路的简化及模型 (了解),晶体管放大电路增益带宽积 G fBW Aus0 fH = 常数,2. 闭环放大倍数对上限频率的影响,闭环放大倍数 Auf 越小， 上限频率 fH 越大：,