放大電路頻率特性PPT課件

1、3.1 3.1 頻率特性的一般概念頻率特性的一般概念 通常放大電路的輸入信號(hào)不是單一頻率的信號(hào)，而是由各種不同的頻率分量組成的復(fù)雜信號(hào)。放大電路存在耦合電容；旁路電容，三極管存在結(jié)電容，電路聯(lián)線間存在分布電容。Rb1Rb2RCRERLC1C2CERSUSU0UCCCjCjCFCFCFCF這些電容的容量對(duì)不同頻率信號(hào)放大時(shí)，對(duì)其幅值和相位則不相同，所以放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)。因此放大電路存在頻率響應(yīng)，又稱為頻率特性。1. 頻率特性 ：第1頁(yè)/共63頁(yè)1).1).人為接入的電容：人為接入的電容： （容量較大，為（容量較大，為F F 數(shù)量級(jí)）數(shù)量級(jí)） 耦合電容耦合電容 ： C1 ；C2 旁路電容旁路電

2、容 ： CeRb1Rb2RCRERLC1C2CERSUSU0UCCCjCjCFCFCFCF2).2).客觀存在的電容：客觀存在的電容： （容量較小，為（容量較小，為pFpF 數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)) ) 結(jié)電容結(jié)電容 ： Cj 分布電容：分布電容： CF第2頁(yè)/共63頁(yè)復(fù)合信號(hào)tui0輸 入 信 號(hào) 的 合 成第3頁(yè)/共63頁(yè)第4頁(yè)/共63頁(yè)7. 7. 考慮電容影響的等效電路考慮電容影響的等效電路 下面我們以電阻與電容這兩種無(wú)源元件組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。第5頁(yè)/共63頁(yè))(iCoCUj XURj X 輸 出 從 電 容 兩 端 取 出 ：12CXf C1()2ioCCURURj XX

3、f C輸 出 從 電 阻 兩 端 取 出 ：第6頁(yè)/共63頁(yè)RC 低通電路的幅頻與相頻特性 (無(wú)配音）RC 高通電路的幅頻與相頻特性 （無(wú)配音）第7頁(yè)/共63頁(yè)綜上所述，共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)在三個(gè)頻區(qū)是頻率的函數(shù)，其表達(dá)式為 uuAAAu-放大倍數(shù)的幅值 -放大倍數(shù)的相位角中 頻 區(qū)高 頻 區(qū)低 頻 區(qū)第8頁(yè)/共63頁(yè) 失真 失 真第9頁(yè)/共63頁(yè) 實(shí)驗(yàn)證明放大電路中的耦合電容和旁路電容主要影響低 頻特性。三極管的極間電容和電路的分布電容主要影響高頻 特性。三極管的電流放大系數(shù)、在三個(gè)頻區(qū)隨著頻率的變化而變化。即它們也是頻率的函數(shù)。 00 在高頻區(qū)與 f 的關(guān)系 ： 01fjff f

4、信號(hào)工作頻率 f f 三極管的截止頻率 0 0 中頻區(qū)的值f fT T特征頻率第10頁(yè)/共63頁(yè) fftg1幅角20ff1 模值20ff1 當(dāng) f = f 時(shí)， = 0.707 0 當(dāng) 值下降到0 的 0.707 倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率定義為三極管 的截止頻率。 第11頁(yè)/共63頁(yè)當(dāng) 值下降到 1 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率定義為 的特征頻率 f T 。當(dāng) f = f T 時(shí) , =1112ff0T 得到0Tff ffj10f，f，fT 三者之間的關(guān)系： fff0T1ffT 一般定義 下降到0 的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率f為的截止頻率。第12頁(yè)/共63頁(yè)rberbbrbcrberbbrbcb eUmbeg U

5、cIbIbeU第13頁(yè)/共63頁(yè)cerbb cebIbbr ebr cI Cmbeg U Ccbr 阻值大beU受控源用 表示，而不用 表示，其原因是 不僅包括流過(guò) 的電流還包括流過(guò)電容C的電流。因此 不再與控制電流 成正比，理論分析證明受控源與電壓 成正比。g m 稱為跨導(dǎo),它表示 變化 1V 時(shí)集電極電流 的變化量，其單位為 mA/V 。mb eg Uebr beUbI bIcIcIbIbeU第14頁(yè)/共63頁(yè) 由于在低頻區(qū)和中頻區(qū)，三極管的結(jié)電容C，C視為開(kāi)路，型混合等效電路圖a所示。與圖b的h參數(shù)等效電路相比可得兩種等效電路參數(shù)之間的關(guān)系。從兩圖上可得： EQbbebbbbeI261r

6、rrr EQEQebI26I261rbbbeb errr對(duì)比可得：圖 a 第15頁(yè)/共63頁(yè)m b becbg I rII則。約約為為幾幾十十千千歐歐姆姆左左右右，于于約約等等幾幾百百歐歐姆姆，約約等等于于幾幾十十對(duì)對(duì)小小功功率率三三極極管管其其V/mAg1rrmebbbb ebb ecmb embb eUIrIgUgIr對(duì)圖a：，的的大大小小呢呢？怎怎樣樣確確定定mgcbII對(duì)圖b ：， 在中頻區(qū)與低頻區(qū)兩圖等效。2626EQmb eEQIgrI圖 a 第16頁(yè)/共63頁(yè)2. 2. 高頻區(qū)簡(jiǎn)化的混合型等效電路 高頻區(qū)三極管極間電容容抗不可忽略。由于C跨接在 b 兩極之間 ，計(jì)算時(shí)列方程比較困

7、難，所以用密勒定理 將C分別折算到輸入端等效電容 C和輸出端的等效電容 C來(lái)代替。cb eUmbeg UcIbI第17頁(yè)/共63頁(yè)1CKC 121111bebebeUKUUIjCj CKj C 1ceb eUKKU 若令：，將 值代式中得： 111ceb eb eb eceCUUUUUIzjC C折算為輸入端電容的分析mLKg RIb eUceU比較 ，兩式,可知跨接在 之間的C和并在 之間的電容 等效。即 ：be、Cb、c第18頁(yè)/共63頁(yè) C C折算到輸出端等效電容的分析折算到輸出端等效電容的分析若從輸出端向左看，則有：111b ecec eceb eUUUUUIjCjC 11111111

8、1+cecececeUUUUKKjCjCjCjCKK11CCK 其 中 ：b eUIceU得：表明從c、e兩端看進(jìn)去， C的作用并聯(lián)在 c、e兩端的電容 等效。即 ：C11CCK 第19頁(yè)/共63頁(yè)三極管的混合型等效電路：CCCCCberbIcImbeg UbeUcerbb cebIbbr ebr cI Cmbeg U Ccbr beU11CCK 1CKC 完整混合型電路：混合型等效電路：二者變換關(guān)系：第20頁(yè)/共63頁(yè) 分析它的頻率特性時(shí)，可以將 RL 和 C2 視為下一級(jí)的耦合電容和輸入電阻。這樣分析問(wèn)題會(huì)更簡(jiǎn)單。若畫(huà)出共e極放大電路混合型等效電路則如下圖所示。3.3 共發(fā)射極放大電路的頻

9、率特性UoC1RbRC共射極型等效電路CCberbIcImbeg UbeUSRiUSU+UCCC2C1RSUSRbRCRL+第21頁(yè)/共63頁(yè)放大電路頻率特性的分析方法：放大電路頻率特性的分析方法：a. 將放大電路分為中頻、低頻和高頻三個(gè)工作區(qū)域。將放大電路分為中頻、低頻和高頻三個(gè)工作區(qū)域。b. 分別畫(huà)出三個(gè)區(qū)域的微變等效電路。分別畫(huà)出三個(gè)區(qū)域的微變等效電路。c. 分別寫(xiě)出電路在三個(gè)區(qū)域頻率特性的表達(dá)式。分別寫(xiě)出電路在三個(gè)區(qū)域頻率特性的表達(dá)式。d. 求出相應(yīng)的參數(shù)求出相應(yīng)的參數(shù)Ausm、fH和和fL。e. 畫(huà)出幅頻和相頻特性曲線畫(huà)出幅頻和相頻特性曲線。第22頁(yè)/共63頁(yè)中頻區(qū)頻率特性的分析及中

10、頻放大倍數(shù) Ausm在中頻區(qū)，所有電容容抗均不考慮，即耦合電容，旁路電容應(yīng)短路，極間電容、分布電容應(yīng)開(kāi)路，其等效電路如上圖所示。考慮電源內(nèi)阻時(shí)中頻區(qū)放大倍數(shù)的定義式為：ou s mSUAUCC1bbcICRbrbbrbegUbemRCU0中頻段等效電路USRSUi+第23頁(yè)/共63頁(yè)ib eb eibbb eUrUp UrrsiisiUrURriomcb emcssirUg R Ug R pURr ebbbebrrrp 式式中中 ebbbbirr/Rr 0imSCSiiusmmCSSSirg U R PURrrAg R PUURr 則得：bbcICRbrbbrbegUbemRCU0中頻段等效電

11、路USRSUiUbe+第24頁(yè)/共63頁(yè)上式中負(fù)號(hào)說(shuō)明輸出電壓與輸入電壓反相，與利用 h參數(shù) 計(jì)算相同。上面推出的公式與 h參數(shù)推出的公式應(yīng)是一致的。b eb ebbb eberrprrrCQebI26r 26IgCQm 2626CQiiusmmcCsiCQbesicibesiIrrAg R pRRrIrRrRrrRr 第25頁(yè)/共63頁(yè)低頻區(qū)放大倍數(shù) AusL 及波特圖 在低頻區(qū)耦合電容 C1 的容抗不能忽略，而三極管的極 間電容仍然視為開(kāi)路，耦合電容 C2 可以看作下一級(jí)的耦合 電容，其等效電路如上圖。USRSC1RbRCC2RLUCCbbcRbrbbrbeRCU0低 頻 段 型 等 效

12、電 路USRSC1UbegmUbe 我們對(duì)低頻區(qū)的分析，目的就是找出放大電路在電路參數(shù)選定的情況下，怎樣確定電路的下限截止頻率。+第26頁(yè)/共63頁(yè)考慮信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)低頻區(qū)電壓放大倍數(shù)S0uslUUA 111CsisiisisiUrUrURrzRrjC/ /ibbbb erRrr式中放大器輸入電阻：信號(hào)的工作角頻率UCCC2C1RSUSRbRCRLRSZC1riSUiU第27頁(yè)/共63頁(yè)1111imcsSiSirgRpURrj c Rr011imb eCmcssirUg U RgRp URrj C ibebebeibbbebbbeU rrUp Uprrrr（）rbb低 頻 段 型 等 效 電 路

13、bbcRbrbeRCRSC1riSUoUb eUmb eg UiU第28頁(yè)/共63頁(yè)01111iusLmcSsiSiUrAgRpURrj C Rr111usmlAj 1lSiCRr式中： 111122llsifRrC （1）式是一個(gè)很有用的公式，它說(shuō)明了放大電路下限截 止頻率由 C1 所在的回路的時(shí)間常數(shù)決定。iusmmcsirAgRpRr 第29頁(yè)/共63頁(yè)設(shè)信號(hào)工作角頻率 代入低頻區(qū)電壓放大倍數(shù)中得：2 f所以可得低頻電壓放大倍數(shù)的幅值和幅角為：21u smu sllAAff0101180180llfftgtgff 11111111122uslusmusmusmlllAAAAfjjfjff

14、12luslusmlffAAf當(dāng)時(shí)， 為下限頻率。第30頁(yè)/共63頁(yè)2. 波特圖：波特圖： 利用取對(duì)數(shù)的方法可以作出幅頻特性和相頻特性。利用取對(duì)數(shù)的方法可以作出幅頻特性和相頻特性。 220log20log20log1luuslusmfGAAf220log1lufGf 設(shè)第二項(xiàng)為：| Ausm| = 100 ， 則 20 log|Ausm| = 40dB幅頻特性由兩項(xiàng)組成，第一項(xiàng)是中頻區(qū)的增益，第二項(xiàng)是 隨著頻率變化的一項(xiàng)。為了作圖清楚，設(shè)第一項(xiàng)為常數(shù)。 21usmusllAAff 幅頻特性第31頁(yè)/共63頁(yè)220log20log20log140luuslusmufGAAfG2(1)1020lo

15、g 10.10lluffffG 當(dāng)時(shí)，如取， 則2,0.1,20log 11020lluffffGdB (3)當(dāng)時(shí) 取則2,20log113luffGdB (2)當(dāng)時(shí) 則3dB折線曲線修正曲線Gu/dBlogf0.1flfl10fl4037200第32頁(yè)/共63頁(yè)當(dāng)兩項(xiàng)相加，則得折線曲線如圖所示。但考慮 f = fl ，Gu =3dB ，所以修正為如圖所示的修正曲線。這條曲線表明了在低頻區(qū)時(shí)放大倍數(shù)幅值隨頻率變化的關(guān)系。3dB折線曲線修正曲線Gu/dBlogf0.1flfl10fl4037200第33頁(yè)/共63頁(yè) 相頻特性 的波特圖01180lftgf 當(dāng) f f l 時(shí)，取 f = 10 f

16、 l 則118018010llftgf 1804513511018090llftgf 當(dāng) f = f l 時(shí)， 當(dāng) f f h 時(shí)時(shí) ，設(shè)，設(shè) f = 10 f h 時(shí)，時(shí)，= 270 f = f h 時(shí) ， = 225 ff h 時(shí)，設(shè)時(shí)，設(shè) f = 0.1 f h 時(shí)，時(shí)， = -180logf0.1fh10fhfh-180-225-2705.715.71實(shí)際曲線理想曲線第41頁(yè)/共63頁(yè)共發(fā)射極放大電路的頻率特性 分析它的頻率特性時(shí)，可以將 RL 和 C2 視為下一級(jí)的耦合電容和輸入電阻。這樣分析問(wèn)題會(huì)更簡(jiǎn)單。若畫(huà)出共e極放大電路混合型等效電路則如下圖所示。UCCC2C1RSUSRbRC

17、RLbbcICCRbrbbrbegUbemRCU0共射極型等效電路第42頁(yè)/共63頁(yè)1 中頻區(qū)頻率特性的分析及中頻放大倍數(shù) AusmCC1bbcICRbrbbrbegUbemRCU0中頻段等效電路USRSUiUbe0iusmmCSSiUrAg R PURr 第43頁(yè)/共63頁(yè)2 低頻區(qū)放大倍數(shù) AusLUSRSC1RbRCC2RLUCCbbcRbrbbrbeRCU0低 頻 段 型 等 效 電 路USRSC1UbegmUbe11uslusmLAAfjf11122LLsifRrC放大電路下限截止頻率由 C1 所在的回路的時(shí)間常數(shù)決定。第44頁(yè)/共63頁(yè)高頻區(qū)由于頻率增高，耦合電容視為短路，而極間電

18、容的 容抗不可忽略，其型等效電路見(jiàn)下圖。SUSRbRbbr iUebr ebmUg CCRir0UebU 1C變換后的等效電路如下圖所示: UbeRSbCegmUbeRCU0CSU11ushusmhAAfjf CR2121fhh第45頁(yè)/共63頁(yè)11u smu sLHAAffjjff 將中頻段，低頻段，高頻段的電壓放大倍數(shù)綜合在一起可得共發(fā)射極放大電路在全頻段的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式。完整的頻率特性曲線 ( 波特圖 )iusmmcsirAg R pRrbwHLHffff12/ /(/ /)Hb ebbsbfrrRRC CCRg1Ccm 為了使頻帶展寬，要求 f H 盡可能地高。故應(yīng)選擇 小的管子且

19、要求管子的 和 小，同時(shí)也減小了中頻區(qū)的放大倍數(shù)。顯然，提高頻帶寬度與提高放大倍數(shù)是矛盾的。 cebr bbr mCHmCusmg RCfg RA第46頁(yè)/共63頁(yè) 上式告訴我們一個(gè)趨勢(shì)，放大倍數(shù) 提高了頻帶就變窄，反之若展寬頻帶放大倍數(shù)就一定降低。 LhbwbbhusmbwusmfffcrRs21fAfA 令令第47頁(yè)/共63頁(yè)RC21f 令令 耦合電容C2 所決定的下限頻率 20L2lCrR21f u02c2cAUUxf當(dāng)頻率下降時(shí)，由于C2 容抗的影響，將使放大倍數(shù)降低，其流程圖如下：C2r0RLU0第48頁(yè)/共63頁(yè) 射極旁路電容C e 所決定的下限頻率 1Rr/RC21fbbeee3

20、L上式中： 1Rr/RccrbbeeeesbbbbeeR/RR,1Rr/Rr ：式式中中 輸出端CO（分布電容和負(fù)載電容）所決定的上限頻率當(dāng)輸出端帶有容性負(fù)載時(shí)，對(duì)低頻區(qū)，中頻區(qū) XC0 可以視為開(kāi)路，而對(duì)高頻區(qū)必須考慮它對(duì)上限頻率的影響。由C0 決定的時(shí)間常數(shù)為：LCLL0R/RRRc L0hRc21f 第49頁(yè)/共63頁(yè) 多級(jí)放大電路的通頻帶 f bw 2h1h2L1L2usm1usmff,ff,AA un2u1uuAAAA 按按定定義義：2usm2usm1usmum1AAAA 21usm2usm1usm2usL1usLuslA5 . 0A707. 0A707. 0AAA 21usm2us

21、m1usm2ush1ushushA5 . 0A707. 0A707. 0AAA 在中頻區(qū)放大倍數(shù)：在低頻區(qū)放大倍數(shù)： 在高頻區(qū)放大倍數(shù)： 時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)2h1hfff 時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)2L1Lfff 設(shè)有一個(gè)兩級(jí)放大器，放大倍數(shù)相等，上限頻率，下限頻率分別相等。即第50頁(yè)/共63頁(yè)21usm2usm1usmusmAAAA 1usm1usmusm2Alog40Alog202Alog20 第51頁(yè)/共63頁(yè) （無(wú)配音）顯然，要畫(huà)兩級(jí)放大電路的幅頻特性只要把單級(jí)放大電路 的幅頻特性加大一倍即可。由圖上可以看到， f L f L1 ， f h f h1 ， 則 ： f bw = f h f L f bw1 = f

22、h1fL1 即多級(jí)放大器的通頻帶比單級(jí)放大器的通頻帶窄。第52頁(yè)/共63頁(yè) 多級(jí)放大電路上，下限頻率的計(jì)算可以證明多級(jí)放大電路的上限頻率與組成它的各級(jí)放大電路的上限頻率滿足下式：hn22h21h2hf1f1f11.1f1 2ln22l1l2lfff1.1f 在實(shí)際的電子電路中，各級(jí)的參數(shù)很難完全相同，當(dāng)各級(jí)上下限頻相差較大時(shí)一般均采用起決定作用的那一級(jí)作為估算的依據(jù)。其下限頻率滿足下式：例如 多級(jí)放大器中，某一級(jí)的上限頻率為 f hk 比其他的上限頻率小，而其下限頻率f Lk又比其他的下限頻率大，則可以取 f hf hk ， f Lf Lk 為多級(jí)放大器的上下限頻率, 其通頻帶 f bw =

23、f hkf Lk 。第53頁(yè)/共63頁(yè)例題 ：?jiǎn)渭?jí)共發(fā)射極放大電路如圖，參數(shù)已標(biāo)在圖上。如果所需的下限頻率 f L =100HZ ，問(wèn)單獨(dú)考慮C1 ，C2 ，Ce 的影響時(shí)，它們的容量如何選擇，設(shè) rbe =1k，=50 。UiUSRSC1C2CeReRbRCRLgmUberberbbUSRS1KC1Rb5KRC2KC2RL1KUCC=12VRe0.3KCe+UiU0等效電路：第54頁(yè)/共63頁(yè)CeReC2 解 ： 單獨(dú)考慮 C1 單獨(dú)作用時(shí)，可以將 C2，Ce視為短路，其等效電路如圖所示。 bebs11cr/RRc UiUSRSC1RbRCRLgmUberberbbC1RSRbrbeBEUS

24、BECB第55頁(yè)/共63頁(yè) bebs11c1Lr/RRc2121f F87. 010/1051010028. 61r/RRf21C333beBSL1 考慮 C2 單獨(dú)作用時(shí)，C1 ，Ce 的容量足夠大視為短路。其等效電路為圖所示。CeReC1C2UiUSRSRbRCRLgmUberberbbC1RSRbrbeBEUS第56頁(yè)/共63頁(yè)先求出 C2 所在回路的時(shí)間常數(shù)： 0L22LrRc c0LC22LLRrRRC2121f2 ， F53. 01010210028. 61RRf21C33LC2L2 C2r0RLceAmosUs第57頁(yè)/共63頁(yè)C1C2ReUiUSRSCeRbRCRLgmUberberbb 考慮 Ce單獨(dú)作用時(shí)，認(rèn)為C1，C2 容量足夠大，其等效 電路如圖。eeRx視視為為開(kāi)開(kāi)路路eR第一種方法： 92.151010010014. 321fC21XF100C6eCee，則，則