波特圖畫法PPT課件

1、3.1 頻率響應(yīng)的概念 實際應(yīng)用中，電子電路所處理的信號，如語音信號、電視信號等都不是簡單的單一頻率信號，它們的幅度及相位幾乎都由固定比例關(guān)系的多頻率分量組合而成，且具有一定的頻譜。如音頻信號的頻率范圍從20Hz到20kHz，而視頻信號的頻率范圍可從直流到幾十兆赫。 當(dāng)輸入信號中含有不同頻率的正弦分量時，電路的放大倍數(shù)就成為頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為放大電路的頻率響應(yīng)或頻率特性。 放大電路中一般均存在如管子的極間電容，電路的負載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等電抗元件，造成放大器可能對不同頻率信號分量的放大倍數(shù)和相移不同。因此放大電路的阻抗也都是信號頻率f 的函數(shù)。 頻率響應(yīng)是衡量放

2、大電路對不同頻率信號適應(yīng)能力的一項技術(shù)指標(biāo)。本章將介紹有關(guān)放大電路頻率響應(yīng)方面的知識。 第1頁/共50頁幅頻特性和相頻特性 描寫放大倍數(shù)之模與頻率的關(guān)系曲線稱幅頻特性；而描寫相位與頻率的關(guān)系曲線稱相頻特性。 共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)通常用復(fù)數(shù)表示，即 uuAA 式中幅度Au和相角都是頻率f 的函數(shù), 典型的單管共射放大電路的波特圖如圖示。第2頁/共50頁fAAm0.7AmfL下限頻率fH上限頻率通頻帶BW下限頻率、上限頻率和通頻帶 工程上規(guī)定，當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻值的0.707倍時，所對應(yīng)的低頻頻率和高頻頻率分別稱為下限頻率fL及上限頻率fH。圖中上限頻率fH和下限頻率fL之差，稱為通頻

3、帶BW，即LHffBW第3頁/共50頁頻率失真 當(dāng)輸入信號包含多次諧波時，經(jīng)過放大電路的放大，輸出波形將產(chǎn)生頻率失真，如上圖所示。第4頁/共50頁 因放大電路對不同頻率信號的放大倍數(shù)不同，因此而產(chǎn)生的波形失真，稱作頻率失真。 因放大電路對不同頻率的信號產(chǎn)生的相移不同，因此而產(chǎn)生的波形失真，稱為相位失真。頻率失真第5頁/共50頁 當(dāng)全面分析頻率響應(yīng)時，常采用中頻段、低頻段與高頻段三個頻段進行。 中頻段是指在通頻帶以內(nèi)的頻率范圍BW區(qū)間。中頻段內(nèi)各種容抗影響極小，可忽略不計。此時電壓放大倍數(shù)基本上是一個與頻率無關(guān)的常數(shù)。除了晶體管的反相作用外，無其他附加相移，所以中頻電壓放大倍數(shù)的相角180。 低

4、頻段是指fL與原點之間的頻率范圍。這段頻率范圍內(nèi)耦合、旁路電容的容抗不可忽略,損耗一部分信號,使放大倍數(shù)下降usL,相移超前90。 高頻段是指fH之右的頻率范圍。引起高頻段放大倍數(shù)下降的原因有兩個：一是三極管的極間電容及接線電容起作用，將信號旁路掉一部分；二是晶體管的值也隨頻率升高而減小，從而使電壓放大倍數(shù)下降，相移滯后90。第6頁/共50頁 從現(xiàn)象上看，頻率失真與第2章討論的非線性失真相似，都是輸出信號波形不能如實反映輸入信號的波形，但是： 1. 頻率失真是由于放大電路頻帶不夠?qū)挘蚨鴮Σ煌l率的信號響應(yīng)不同而造成的失真，頻率失真屬于線性失真，這種失真不會產(chǎn)生新的頻率信號； 2.非線性失真則

5、是由于放大電路中的非線性器件的特性所造成的失真，屬于非線性失真，非線性失真會產(chǎn)生新的頻率信號。第7頁/共50頁波特圖 在研究放大電路的頻率響應(yīng)時，由于信號的頻率范圍很寬，通常從幾赫到幾百兆赫以上，放大電路的放大倍數(shù)也很可從幾倍至上百萬倍，為壓縮坐標(biāo)，擴大視野，在畫頻率特性曲線時，頻率坐標(biāo)采用對數(shù)刻度，而幅值用dB表示或相角采用線性刻度。這種半對數(shù)坐標(biāo)的特性曲線稱為對數(shù)頻率特性或。 fdB/lg20uA0fL20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻smlg20uA第8頁/共50頁 波特圖的橫坐標(biāo)頻率f采用lgf 對數(shù)刻度，這樣將頻率的大幅度變化范圍壓縮在一個小范圍內(nèi)，幅頻特性的縱坐標(biāo)是電壓增益，用分

6、貝表示為20lg|Au|，當(dāng)A從10倍變化到100倍時，分貝值只從20變化到60。這樣繪出的20lg|Au|lgf 的關(guān)系曲線稱為對數(shù)幅頻特性。uAuAlg20 40 20 6 3 0 3 20 4010010210.7070.10.012波特圖 畫波特圖時不是用逐點描繪曲線的方法，而是采用折線近似的方法畫出的對數(shù)頻率特性，放大電路的電壓放大倍數(shù)與對數(shù)20lg|Au|之間的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。第9頁/共50頁波特圖 以RC高通和低通電路為例，具體說明波特圖的畫法。 1. RC高通電路的波特圖+_+_CRiUOURC 高通電路 由RC高通電路圖可得出電路的頻率響應(yīng)為： RCCRRUUAuj111

7、j1iOLL2121 RCfffAuLLj11j111 2L11 ffAu模：模：)(arctanLff 相角：相角：令則第10頁/共50頁波特圖2L11 ffAu2L1lg20lg20 ffAudB 020lg L uAff時時，當(dāng)當(dāng)LLLlg20lg20lg20 ffffAffu 時，時，當(dāng)當(dāng)dB32lg20lg20 L uAff時時，當(dāng)當(dāng)由取對數(shù)得顯然第11頁/共50頁波特圖對數(shù)幅頻特性 實際幅頻特性曲線當(dāng) f fL(高頻)，當(dāng) f fL (低頻)，1 uA1 uA且頻率愈低，的值愈小，低頻信號不能通過。uA0.1 fLfL 10 fLfdB/lg20uA020403dB最大誤差為 3d

8、B，發(fā)生在 f = fL處。20dB/十倍頻第12頁/共50頁波特圖對數(shù)相頻特性5.7145/十倍頻fL0.1 fL 10 fL4590 0 f 誤差由式可得，)(arctanLff 在低頻段，高通電路產(chǎn)生 0 90的超前相移。5.71 45;90;0LLL 時，時，時，時，時，時，ffffff對數(shù)相頻特性 實際相頻特性曲線誤差第13頁/共50頁波特圖2. RC低通電路的波特圖+_+_RCiUOURC低通電路RCCRCAu j11j1j1 RCf 2121HH HHj11j11ffAu 2H11 ffAu Harctanff 由電路圖可得則令模相角第14頁/共50頁波特圖0.1 fHfH 10

9、 fHfdB/lg20uA020403dB對數(shù)幅頻特性20dB/十倍頻實際幅頻特性當(dāng) f fH(低頻)，當(dāng) f fH (高頻)，0uA1 uA且頻率愈高，的值愈小，高頻信號不能通過。uA在f = fH處，對數(shù)幅頻特性出現(xiàn)折線，該處最大誤差3dB第15頁/共50頁波特圖fH 10 fH455.715.71900.1 fH 0f對數(shù)相頻特性實際相頻特性45/十倍頻由式可得：)(arctanHff45;90;0HHH時，時，時，ffffff誤差 顯然，電路允許ffT時，放大系數(shù)模值將小于1，表明此時三極管失去了電整理后得：第21頁/共50頁共基截止頻率 通常將共基電流放大系數(shù)的模值下降為低頻時0的0

10、.707倍時的頻率定義為共基截止頻率。用符號f0表示。其頻率特性方程： ffj10 比較 f 與 f 、 fT 之間關(guān)系：， 1 ffj10 可得 ffffff)1(j11/j11/j100000 第22頁/共50頁共基截止頻率 ffffff)1(j11/j11/j100000 比較，可知比較，可知與與 ffj10 ff)1(10000可見共基截止頻率f是共射截止頻率f的1+0倍，一般情況下，三極管的三個頻率參數(shù)：fffT通常在要求頻帶較寬的放大電路中，應(yīng)選擇高頻管；對頻帶無特殊要求時，方可選用低頻管。第23頁/共50頁3.3 單管共射極放大電路的頻率響應(yīng)中頻區(qū)：頻帶較寬，在此范圍內(nèi)曲線是平坦

11、的。即放大倍數(shù)不隨信號頻率而變。因此，中頻頻率范圍內(nèi)，耦合電容、射極旁路電容視為短路，極間電容視為開路。 高頻區(qū)：高于fH的頻率范圍。當(dāng)信號頻率升高時，放大倍數(shù)隨頻率的升高而減少。在此頻率范圍內(nèi)，幅頻特性主要受雙極型三極管極間電容的影響。 低頻區(qū)：低頻區(qū)內(nèi)放大倍數(shù)隨頻率的降低而減小。在小于fL的頻率范圍內(nèi)幅頻特性主要受耦合電容和旁路電容的影響。第24頁/共50頁 根據(jù)BJT的特性方程，H參數(shù)的低頻小信號模型不適用于高頻特性的分析。因為，在高頻情況下，其物理過程與低頻小信號比較有差異，主要表現(xiàn)在BJT的極間電容不可忽略。如下圖所示：混合型等效電路 圖中電容Cbc是集電極與基極之間的等效電容；Cb

12、e是發(fā)射極與基極之間的等效電容?？傻玫饺龢O管混合型等效電路：第25頁/共50頁混合型等效電路 圖示為高頻小信號模型。由于高頻小信號模型中的元件參數(shù)，在很寬的頻率范圍內(nèi)與頻率無關(guān)，所以模型中的電阻參數(shù)和互導(dǎo)gm都可以通過低頻小信號模型參數(shù)得到。 低頻下若不考慮極間電容作用，混合 等效電路和 h 參數(shù)等效電路相仿，如右圖所示： 通過對比可得：EQbbbeebbb26)1(Irrrr 第26頁/共50頁EQbbbeebbb26)1(Irrrr 則ebbebbEQbbbeeb26)1( rrrIrrr bebbmebmIrIgUg 則2626)1(EQEQebmIIrg 一般小功率三極管 . k1me

13、bbb幾十毫西門子幾十毫西門子；幾十至幾百歐；幾十至幾百歐；grr第27頁/共50頁混合 型等效電路中電容：可從器件手冊中查到；并且cb CTmeb2 fgC cbeb CC(估算，fT 要從器件手冊中查到)注意：cb C 將輸入回路與輸出回路直接聯(lián)系起來，使解電路的過程變得十分麻煩。 可用密勒定理簡化電路！第28頁/共50頁密勒定理用兩個電容來等效 Cbc 。分別接在 b、e 和 c、e 兩端。其中：ebce UUK電容值分別為：cbcb1 )1( CKKCK；cbeb1CKCC)( 圖中C是Cbe與等效電容(1-K)Cbc的并聯(lián)等效電容值，即：則可得到如圖所示單向化的混合型等效電路如右圖所

14、示：第29頁/共50頁阻容耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 圖中可把 C2 和 RL 看成下一級的輸入耦合電容和輸入電阻。因此，分析本級頻率響應(yīng)時，可以不考慮它們。第30頁/共50頁1. 中頻段中頻段等效電路如下：由圖可得bebisbeebisieb/rRRUrrRRRU 式中式中scmbeebisicebmoURgrrRRRRUgU C1 可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。第31頁/共50頁中頻電壓放大倍數(shù)cmbeebisisosmRgrrRRRUUAu 已知 ，則ebm rg becisismrRRRRAu 結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達式，與利用簡化 h 參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。顯

15、然，中頻段電壓放大倍數(shù)與頻率無關(guān)，其波特圖就是一條水平線。 第32頁/共50頁2. 低頻段顯然，C1 與輸入電阻構(gòu)成一個 RC 高通電路考慮到隔直電容的作用，其等效電路如下所示：sbeeb1isiebj1UrrCRRRU 式中： Ri = Rb / rbe第33頁/共50頁sbeeb1isiebj1UrrCRRRU 輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)1issmsosL)(j111CRRAUUAuu 第34頁/共50頁低頻時間常數(shù)為：1isL)(CRR 下限(-3 dB)頻率為：1isLL)(2121CRRf 則低頻電壓放大倍數(shù)ffAALuuj11smsL 阻容耦合的單管共射放大電路的下限頻率主要決定于低

16、頻時間常數(shù)L，L值越大，則fL越小，放大電路的低頻響應(yīng)越好。當(dāng)中頻電壓放大倍數(shù)和下限頻率求得后，運用波特圖可以方便地畫出幅頻特性和相頻特性。第35頁/共50頁3. 高頻段考慮到并聯(lián)的極間電容影響，高頻段等效電路為：由于輸出回路時間常數(shù)遠小于輸入回路時間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結(jié)電容。并用戴維南定理簡化后得出其簡化的等效電路圖為：第36頁/共50頁圖中 C 與 R 構(gòu)成 RC 低通電路。ssebj11j1j1UCRUCRCU scmbeebisicebmoj11UCRRgrrRRRRUgU 第37頁/共50頁CRAUUAuu j11smsosH高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：HsmsH11

17、ffjAAuuHCR2121HHCRf故結(jié)論：單管共射放大電路的上限頻率取決于時間常數(shù)H；fH越大，電路的高頻響應(yīng)越好；為獲得良好的高頻響應(yīng)，應(yīng)選用極間電容較小的三極管。第38頁/共50頁4. 完整的波特圖)(HLusmus11ffjffjAA共射基本放大電路在全部頻率范圍內(nèi)的表達式為 幅頻特性波特圖的畫法要點掌握：1. 波特圖的作圖原理是抓住兩個趨勢(左趨勢、右趨勢)， 一個特殊點(拐點)，取十倍頻程；2. 根據(jù)電路參數(shù)及計算公式求出中頻電壓放大倍數(shù)Ausm、 下限頻率fL和上限頻率fH；第39頁/共50頁3. 在幅頻特性的橫坐標(biāo)上，找到對應(yīng)于fL和fH的兩點；在 fL與fH之間的中頻區(qū)作一

18、條20lgAu的水平線；從f=fL點 開始，在低頻區(qū)作一條斜率為20dB/十倍頻程的直線折 向左下方；又從f=fH點開始，在高頻區(qū)作一條斜率為 20dB/十倍頻程的直線折向右下方。以上三段直線構(gòu)成 的折線即是放大電路的幅頻特性。如下圖所示： fdB/lg20uA0fL20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻smlg20uA幅頻特性第40頁/共50頁相頻特性波特圖的畫法要點掌握：1. 在10fL至0.1fH之間的中頻區(qū)，=180；2. 當(dāng)f10fH前，= 270；4. 在0.1fL至10fL 之間以及0.1fH至10fH之間，相頻特性分 別為兩條斜率為 45/十倍頻程的直線。 以上五段直線構(gòu)成的折線

19、就是放大電路的相頻特性。如下圖所示：270225135180相頻特性9010 fL0.1fL0.1fH10 fHf0第41頁/共50頁5. 增益帶寬積 增益帶寬積是中頻電壓放大倍數(shù)和通頻帶的乘積，此乘積可用來表示放大電路的綜合性能。CRfRgrrRRRA 21Hcmbeebisiusm ；假設(shè) Rb Rs， Rb rbe；且(1 + gmRc)Cbc CbeCRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故cbbbs)(21 CrR第42頁/共50頁上式很不嚴(yán)格，但從中可以看出一個大概的趨勢，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，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 均較小的高頻小功率三極管。第43頁/共50頁直接耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 集成放大電路基本上都采用直接耦合方式。由于直接耦合的放大電路不通過隔直電容實現(xiàn)級連，在低頻段就不存在因隔直電容上壓降增大而使電壓放大倍數(shù)減小的情況。因此，直接耦合放