4.7放大電路的頻率響應(yīng)P課件

1、4 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)本章內(nèi)容 4.1 BJT 4.2 基本共射極放大電路 4.3 放大電路的分析方法 4.4 放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題 4.5 共集電極放大電路和共基極放大電路 4.6 組合放大電路 4.7 放大電路的頻率響應(yīng)4 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)本章要求 1. 了解雙極結(jié)型三極管 (BJT) 的結(jié)構(gòu)、工作原理、溫度對參數(shù)及特性的影響，掌握其符號、電流關(guān)系、特性曲線、參數(shù)、使用和應(yīng)用，三種工作狀態(tài) ( 區(qū) ) 的條件、特點和判斷。 2. 掌握基本共射極放大電路的組成、工作原理、靜態(tài)分析和動態(tài)分析。 3. 熟悉放大電路的圖解分析法、靜態(tài)工作點對波形失真的影響，掌握基本共

2、射極放大電路的動態(tài)分析、性能特點和用途。 4. 了解溫度對靜態(tài)工作點的影響，熟悉穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施，掌握基極分壓式射極偏置放大電路的組成、工4 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ) 5. 掌握共集電極放大電路和共基極放大電路的組成、工作原理、靜態(tài)分析、動態(tài)分析、性能特點和用途。 6. 熟悉組合放大電路的特點及分析方法、復(fù)合管的特點和判斷。 7. 了解放大電路的頻率響應(yīng)，幅度失真、相位失真、頻率失真、線性失真、產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因、上限頻率、下限頻率、通頻帶。作原理、靜態(tài)分析、動態(tài)分析、性能特點和用途。4 雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)重點難點 重點：雙極結(jié)型三極管 (BJT) 的符號、電流關(guān)系、特性曲線

3、、參數(shù)、使用和應(yīng)用；三種基本放大電路 ( 共射、共集和共基 ) 的組成、工作原理、靜態(tài)分析 ( 估算法 )、動態(tài)分析 ( 小信號模型分析法 ) 、性能特點和用途；穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施，基極分壓式射極偏置電路的組成、工作原理、靜態(tài)分析、動態(tài)分析、性能特點和用途。 難點：雙極結(jié)型三極管(BJT)的工作原理和特性曲線,放大電路的工作原理、靜態(tài)分析 ( 圖解分析法、估算法 ) 和動態(tài)分析 ( 圖解分析法、小信號模型分析法 )，放大電路的頻率響應(yīng)。 4.7 放大電路的頻率響應(yīng)本節(jié)內(nèi)容 本節(jié)只作定性分析 4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 1. 中頻段頻率響應(yīng) 2. 低頻段頻率響應(yīng) 3. 高頻段頻率響應(yīng) 4.

4、 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 4.7.A 頻率響應(yīng)的概念 1. 頻率響應(yīng) 2. 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng) 3. 上限頻率和下限頻率 4. 通頻帶(帶寬)4.7 放大電路的頻率響應(yīng) 4.7.C 線性失真 1. 幅度失真 2. 相位失真 3. 頻率失真 4. 線性與非線性失真的區(qū)別 4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù) 1. BJT的高頻小信號模型 2. BJT高頻小信號模型中元件參數(shù)值的獲得 3. BJT的頻率參數(shù) 4.7.D 放大電路的頻率響應(yīng) 1. 幾個上限頻率的比較 2. 擴展上限頻率的方法4.7 放大電路的頻率響應(yīng) 3. 增益-帶寬積 4. 多級放大電路的頻率響應(yīng) 4.7.E 研究頻率響應(yīng)的必

5、要性 為什么要研究頻率響應(yīng)？4.7 放大電路的頻率響應(yīng)本節(jié)要求 1. 熟悉頻率響應(yīng)的有關(guān)概念。 2. 熟悉產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因。 3. 熟悉線性失真的有關(guān)概念。 4. 了解BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù) 5. 熟悉基本、多級放大電路的頻率響應(yīng) 6. 了解研究頻率響應(yīng)的必要性4.7.A 頻率響應(yīng)的概念頻率響應(yīng)是什么？ 1. 頻率響應(yīng) 2. 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng) 3. 上限頻率和下限頻率 4. 通頻帶(帶寬)由于存在電抗性元件 ( C、L )，其電抗隨頻率變化而變化,當輸入信號頻率過低或過高時，放大倍數(shù)會減小，同時產(chǎn)生超前或滯后的相移。因此放大電路對不同頻率的輸入信號的放大能力不同，其大小和相位隨頻

6、率變化而變化。4.7.A 頻率響應(yīng)的概念1. 頻率響應(yīng) 頻率響應(yīng) ( 頻率特性 )：放大電路的電壓放大倍數(shù)與正弦輸入信號的頻率的函數(shù)關(guān)系。 一般來說，電壓放大倍數(shù)是復(fù)數(shù)。 實際輸入信號包含很多頻率成分，具有一定的頻率范圍，如音頻信號為 20Hz 20kHz，視頻信號為 0 4.5MHz，調(diào)頻(FM)廣播信號為 88 108MHz。在放大電路中 Av = Av ( f ) = Av ej = Av ( f ) ej ( f ) = Av ( f ) ( f ) . 中頻區(qū)放大倍數(shù)與信號頻率無關(guān)。2. 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)(1) 幅頻響應(yīng) 電壓放大倍數(shù)的幅值|Av|與頻率 f 的函數(shù)關(guān)系，即輸入電壓

7、幅度固定時，輸出電壓的幅度隨頻率變化的規(guī)律。也稱為幅頻特性。中頻區(qū)4.7.A 頻率響應(yīng)的概念 低頻區(qū)放大倍數(shù)降低。 高頻區(qū)放大倍數(shù)降低。低頻區(qū)高頻區(qū)呈現(xiàn)帶通特性 Av = Av ( f ) .4.7.A 頻率響應(yīng)的概念(2) 相頻響應(yīng) 電壓放大倍數(shù)的相位 與頻率 f 的函數(shù)關(guān)系，即輸出電壓與輸入電壓之間相位差隨頻率變化而變化的規(guī)律。也稱為相頻特性。 = ( f ) 中頻區(qū)相位與信號頻率無關(guān)。 低頻區(qū)產(chǎn)生正的(超前)附加相位移。 高頻區(qū)產(chǎn)生負的(滯后)附加相位移。fL fH f90 180 270 135225中頻區(qū)低頻區(qū)高頻區(qū) Po = V 2o /R = (V 2oM / 2) /R = P

8、oM / 2，對應(yīng)的兩個點稱為半功率點高(上)半功率點、低(下)半功率點。4.7.A 頻率響應(yīng)的概念3. 上限頻率和下限頻率中頻區(qū) 放大器放大的信號不同，最大容許值有所不同。聲或光的功率變化不超過一倍時，不會造成聽覺或fL f0當fH 即 時視覺明顯的變化。因此，確定一個半功率點作為放大倍數(shù)下降的最大容許值。 4.7.A 頻率響應(yīng)的概念4. 通頻帶 (帶寬)高頻區(qū)低頻區(qū)通頻帶 fL 當 時的輸入信號頻率稱為下限(截止) 頻率 f L。fH 中頻區(qū)f0 在高頻區(qū)： 當 時的輸入信號頻率稱為上限(截止) 頻率 f H。 上限頻率 f H 和下限頻率 f L 之差。BW = f H f L f H

9、上限頻率 f H 和下限頻率 f L(通頻帶)反映了放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力。 在低頻區(qū)：4.7.A 頻率響應(yīng)的概念 微波接力通信設(shè)備中的中頻放大器，在信號占據(jù)的頻率范圍70MHz6MHz內(nèi)，放大倍數(shù)的幅值變化只容許百分之幾，相頻特性容許的時延差不得超過1nS。 例如：音頻放大電路的下限頻率fL=20Hz，上限頻率f H =20kHz，則通頻帶BW =f H-f L=20kHz-20Hz=19.980kHzf H=20kHz。 不同信號的放大電路對上限頻率fH和下限頻率fL(通頻帶)的要求不同。 需要放大的輸入信號的頻率成分為100Hz10kHz，那么放大電路的通頻帶應(yīng)如何選擇？4.7

10、.A 頻率響應(yīng)的概念例1中頻區(qū)f0低頻區(qū)高頻區(qū)通頻帶 fL fH 4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因產(chǎn)生頻率響應(yīng)有哪些原因？ 1. 中頻段頻率響應(yīng) 2. 低頻段頻率響應(yīng) 3. 高頻段頻率響應(yīng) 4. 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 阻容耦合放大電路由于存在耦合電容、旁路電容及三極管的結(jié)電容、接線的分布電容等，其容抗隨頻率變化，信號頻率不同時，放大電路的輸出電壓相對于輸入電壓的幅值和相位將發(fā)生變化，因此放大電路對不同頻率的輸入信號的放大能力不同，其大小和相位隨頻率變化而變化。4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 耦合電容、旁路電容很大(F)，對中頻和高頻容抗很小，可看作短路；對低頻容抗較大，不能看作短路。 極間電容、分

11、布電容很小(pF)，對中頻和低頻容抗很大，可看作開路；對高頻容抗較小，不能看作開路。 低頻 中頻 高頻 耦合、旁路電容 不短路 短路 短路 極間、分布電容 開路 開路 不開路4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因Rb1RcCb1Cb2Rb2CeReRL+VCCvivo+RSvS+ 放大電路全頻段等效電路Cbc極間電容Cbe極間電容Ci分布電容 Co分布電容4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因1. 中頻段頻率響應(yīng) 耦合電容和旁路電容較大, 對中頻段信號的容抗很小，視作短路。 三極管極間電容和導(dǎo)線分布電容很小,對中頻段信號的容抗很大, 視作開路。vS+Rb1RcCb1Cb2Rb2CeReRL+VCCvivo+R

12、SCi分布電容 Co分布電容Cbc極間電容Cbe極間電容4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因RLRb2+iCibieiiRb1RCiRb1iRb2Revivo+RSvS+ 交流通路 小信號等效電路 中頻段電容不影響交流信號傳送，放大電路的放大倍數(shù)與信號頻率無關(guān)(前面討論的在中頻段)。4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因2. 低頻段頻率響應(yīng) 極間電容和分布電容容抗比中頻段還大，視作開路。vS+Rb1RcCb1Cb2Rb2CeReRL+VCCvivo+RS 耦合電容和旁路電容對低頻段信號的容抗較大，不能視作短路。Cbc極間電容Cbe極間電容Ci分布電容 Co分布電容 交流通路： 等效電路：4.7.B 產(chǎn)生頻率

13、響應(yīng)的原因 耦合電容 C b1和旁路電容 C e 的容抗較大，產(chǎn)生分壓，使三極管輸入端的電壓 Vbe 比輸 在低頻段放大倍數(shù)降低和相位移超前的主要原因是耦合電容和發(fā)射極旁路電容分壓的影響。 入信號Vi 要小，Ib和Ic跟著減?。获詈想娙?Cb2 產(chǎn)生分壓，使輸出電壓Vo減小，故放大倍數(shù)降低，并使vo產(chǎn)生超前的相位移。+-vivbe+-4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因3. 高頻段頻率響應(yīng)vS+Rb1RcCb1Cb2Rb2CeReRL+VCCvivo+RSCbc極間電容Cbe極間電容Ci分布電容 Co分布電容 耦合電容和旁路電容的容抗比中頻段還小，視作短路。 極間電容和分布電容的容抗比中頻段小，不能

14、視作開路。 等效電路：4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 在高頻段極間電容和分布電容的容抗減小，產(chǎn)生分流，使動 在高頻段放大倍數(shù)降低和相位移滯后的主要原因是三極管的極間電容和接線的分布電容分流、三極管的電流放大系數(shù)下降的影響。 態(tài)信號損失并產(chǎn)生滯后的相位移。高頻時三極管的電流放大系數(shù) 也下降(見4.7.2)，使輸出電壓減小也產(chǎn)生滯后的相位移。Ci分布電容 Co分布電容4.7.B 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因4. 產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 低頻 中頻 高頻 耦合、旁路電容 不短路 短路 短路 極間、分布電容 開路 開路 不開路 電流放大系數(shù) 常數(shù) 常數(shù) 下降 極間、分布 電容，電流 放大系數(shù) 產(chǎn)生頻率響應(yīng)原因耦合、

15、旁路 電容無關(guān)4.7.C 頻率失真頻率失真是什么？ 1. 幅度失真 2. 相位失真 3. 頻率失真 4. 線性與非線性失真的區(qū)別4.7.C 頻率失真1. 幅度失真 放大電路的幅頻特性破壞了輸入信號各分量間的相對幅度關(guān)系，對輸入0tvi0tvo 設(shè)輸入信號由基波和二次諧波組成，基波放大倍數(shù)大些，波形如右圖?；ǘ沃C波輸入信號基波輸出信號二次諧波信號的不同頻率成分放大倍數(shù)不一樣，幅頻特性偏離中頻值，使輸出信號波形產(chǎn)生變形。4.7.C 頻率失真2. 相位失真 放大電路的相頻特性破壞了輸入信號各分量間的相對相位關(guān)系，對輸入 設(shè)輸入信號由基波和二次諧波組成，二次諧波相位滯后些，波形如右圖。信號的不同頻

16、率成分相位移 (延遲時間) 不一樣，相頻特性偏離中頻值，使輸出信號波形產(chǎn)生變形。 放大電路的頻率特性表示對不同頻率信號的傳輸特性，當輸入信號為含有多個頻率分量的非正弦4.7.C 頻率失真3. 頻率失真 幅度失真和相位失真幾乎同時發(fā)生，都與放大電路的頻率特性有關(guān)，故合稱為頻率失真。中頻區(qū)f0低頻區(qū)高頻區(qū)通頻帶 fL fH 信號時，若頻率超出通頻帶范圍，非理想的頻率特性使輸出信號波形失真。 幅度失真和相位失真都是由于線性電抗元件引起的，又稱為線性失真。 線性失真和非線性失真都會導(dǎo)致輸出信號波形失真。4.7.C 頻率失真4. 線性與非線性失真的區(qū)別 線性失真是由線性電抗元件引起的，不產(chǎn)生輸入信號中沒

17、有的頻率分量。非線性失真是由非線性元件引起的，必然產(chǎn)生新的頻率分量。vo t0設(shè)vi=Vim1 Sin1t +Vim2 Sin2t線性失真：vo=Av1Vim1 Sin1t +Av2Vim2 Sin2t非線性失真：vo=A1(Vim1 Sin1t)2 +Av2Vim2 Sin2t=A1V 2im1(1-Cos21t )/2 +Av2Vim2 Sin2tt0vo 若放大電路通頻帶(如200Hz15kHz)比輸入信號頻率范圍窄(如20 Hz20 kHz )，那么輸出信號將發(fā)生什么變化？4.7.C 頻率失真例2中頻區(qū)f0低頻區(qū)高頻區(qū)通頻帶 fL fH 4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù) 1

18、. BJT的高頻小信號模型 2. BJT高頻小信號模型中元件參數(shù)值的獲得 3. BJT的頻率參數(shù)高頻時三極管的高頻小信號模型是怎樣的？rererc rc集電區(qū)體電阻, 很小，幾，忽略。4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)1. BJT的高頻小信號模型(1) 模型的引出 4.3.2節(jié)討論的H參數(shù)小信號模型是低頻小信號模型，高頻時需要考慮結(jié)電容的影響 。 rbb基區(qū)體電阻，約幾十幾百。b 基區(qū)內(nèi)假想的點c 集電區(qū)內(nèi)假想的點e 發(fā)射區(qū)內(nèi)假想的點 rbc集電結(jié)反偏電阻，4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)rererc re發(fā)射結(jié)正偏電阻，re=VT/IEQ=26mA/IEQ Cbc集電結(jié)

19、電容，幾十幾百pF。 Cbe發(fā)射結(jié)電容，幾十pF。 re發(fā)射區(qū)體電阻，很小，幾，忽略。很大，約100k10M。4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)(2)高頻小信號模型(混合模型) rbcrbc100k10M。 rbe發(fā)射結(jié)電阻re折算到基極回路的電阻。 因為Ib、Ic、與頻率有關(guān)，又存在Cbc、Cbe，使Ic不完全受Ib控制，而晶體管的受控電流源與發(fā)射結(jié)電壓Vbe呈線性關(guān)系，與頻率無關(guān)。引入互導(dǎo) gm= Ic/Vbe，反映發(fā)射結(jié)電壓對受控電流源的控制能力，約幾十mS。4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)(3) 簡化模型 高頻時集電結(jié)反偏電阻rbc集電結(jié)電容容抗1/Cbc，忽略r

20、bc。 輸出電阻rce負載電阻RL，忽略rce。4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)2. BJT高頻小信號模型中元件參數(shù)值的獲得(1) 混合低頻模型 低頻時，忽略集電結(jié)電容Cbc和發(fā)射結(jié)電容Cbe，視作開路。4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)(2)元件參數(shù)值的獲得 低頻時，混合模型與H參數(shù)模型等價，可從H參數(shù)模型得到混合模型一些參數(shù)。 基區(qū)體電阻rbb 查手冊，rbb=幾十幾百。4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù) 發(fā)射結(jié)電阻re折算到基極回路的電阻rbe 0為低頻時的，元件手冊所給的就是0。 0反映了三極管內(nèi)部對流經(jīng)rbe的電流的放大作用。4.7.2 BJT的高頻小

21、信號模型及頻率參數(shù) 互導(dǎo)(跨導(dǎo))gm gm是與頻率無關(guān)的0與rbe之比，本身也與頻率無關(guān)。 Ic=gmVbe=0Ib,Vbe=Ibrbe gmIbrbe=0Ib4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù) 集電結(jié)電容Cbc 查手冊的Cob(接成共基且射極開路時集基極間的結(jié)電容)。 CbcCob 發(fā)射結(jié)電容Cbe 查手冊的 fT(特征頻率，=1時的頻率)。見P164式(4.7.21c)4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)3. BJT的頻率參數(shù)(1)共射極截止頻率f(2)特征頻率fT=1時的頻率時的頻率4.7.2 BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)(3)共基極截止頻率ff(10)fffT 時

22、的頻率f fT fHb (幾百MHz)fHe (幾MHz)。4.7.D 放大電路的頻率響應(yīng)2. 擴展通頻帶的方法(1) 改善低頻響應(yīng) 選用截止頻率fT高的晶體管。 采用合適的信號源，充分發(fā)揮管子的高頻性能。共基電路采用電流源，共射、共集電路采用電壓源激勵。 采用組合電路。將各種性能不同的電路級聯(lián)成組合電路，發(fā)揮各自的特點，可有效地提高上限頻率。 引入負反饋。將上限頻率提高到原來的 (1+AMF )倍，下限頻率降低到原來的1/(1+AMF)(見7.7.1節(jié))。 增大耦合電容及回路電阻 (作用有限)。 采用直接耦合 (此時fL=0)。 (2)改善高頻響應(yīng)4.7.D 放大電路的頻率響應(yīng)3. 增益-帶寬積 以共射電路為例。 增益-帶寬積不是頻率的函數(shù)。當管子和電路參數(shù)確定后，帶寬增益積基本為一個常數(shù)。 增益和帶寬是矛盾，增益增大多少倍，帶寬就變窄多少倍。常把增益-帶寬積作為放大電路的重要性能指標。時兩級的增益為 ，即兩級帶寬小于單級帶寬。 單級的上下限頻率fH1、fL1處每級的增益為 ，此4.7.D 放大電路的頻率響應(yīng)4. 多級放大電路的頻率響應(yīng) 多級放大電路的通頻帶比組成它的任何一級的通頻帶都要窄。 以增益和頻帶均相同的兩級放大電路為例。單級兩級fHfL1 f或時，每級Av都下降，總Av下降得更快。BW1 BW4.7.E 研究頻率