模擬電路第五章PPT

第五章

放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型童詩白第三版5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性當(dāng)輸入信號的頻率過高或過低，電路的放大倍數(shù)會減小，并且產(chǎn)生相移，放大倍數(shù)成為信號頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。頻率失真又可以分為：幅頻失真相頻失真無失真幅頻失真無失真相頻失真與前述的非線性失真性質(zhì)不同，一個是放大器的通頻帶不夠?qū)捲斐傻?，一個是放大器件的非線性造成的。產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因？小信號等效模型只適用于低頻信號的分析。本章將引入高頻等效模型，并分析單級和多級放大電路的頻率響應(yīng)，闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法。一、

高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)

RC

高通電路令：5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念fL

稱為下限截止頻率頻率響應(yīng)曲線返回下限截止頻率二、RC

低通電路圖5.1.2

RC

低通電路圖+_+_CR令：則：fH

稱為上限截止頻率頻率響應(yīng)曲線返回上限截止頻率5.1.3波特圖

放大電路頻率特性曲線的坐標(biāo)軸用對數(shù)表示，所得到的曲線叫作對數(shù)頻率特性，也叫做波特圖。幅頻特性：橫坐標(biāo)用對數(shù)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)放大倍數(shù)也用對數(shù)坐標(biāo)；相頻特性：橫坐標(biāo)用對數(shù)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)相位角不用對數(shù)坐標(biāo)。在波特圖中：Av0.010.10.7071210100Av的對數(shù)-40-20-30362040表3－1Av與其對數(shù)的對應(yīng)關(guān)系波特圖的優(yōu)點：顯示范圍寬，理容易看到整個曲線的全貌變乘法為加法，處理多級放大器方便現(xiàn)在以最簡單的RC

高通和低通電路為例說明波特圖的畫法?。?！高通電路—幅頻返回稱0分貝水平線稱斜率為-20dB/十倍頻程的直線高通電路—相頻返回可見：當(dāng)頻率較高時，│AV│

≈1，輸出與輸入電壓之間的相位差=0。

隨著頻率的降低，│AV│下降，相位差增大，且輸出電壓是超前于輸入電壓的，最大超前90o。在此頻率響應(yīng)中，下限截止頻率fL是一個重要的頻率點。

高通電路—總結(jié)稱0分貝水平線稱斜率為-20dB/十倍頻程的直線低通電路—幅頻低通電路—相頻最大誤差-3dB低通電路—總結(jié)可見：當(dāng)頻率較低時，│AV│≈1，輸出與輸入電壓之間的相位差=0。隨著頻率的提高，│AV│下降，相位差增大，且輸出電壓是滯后于輸入電壓的，最大滯后90o。在此頻率響應(yīng)中，上限截止頻率fH是一個重要的頻率點。小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)τ，即決定了fL和fH。（2）當(dāng)信號頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。5.2晶體管的高頻等效模型

高頻信號作用下，晶體管的結(jié)電容的影響必須考慮。物理模型

re---發(fā)射結(jié)電阻rb'c---集電結(jié)電阻Cb'c---集電結(jié)電容rc－集電區(qū)、re－發(fā)射區(qū)和rbb'

－基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個點。Cb'e--發(fā)射結(jié)電容5.2.1晶體管的混合π等效電路（模型）5.2.1晶體管的混合π等效電路混合π型高頻小信號模型是通過三極管的物理模型而建立的。gm跨導(dǎo)

這一模型中用代替，這是因為β本身就與頻率有關(guān)，而gm與頻率無關(guān)。一、完整的混合π模型二、簡化的混合

模型通常情況下，rce遠(yuǎn)大于c--e間所接的負(fù)載電阻，而rb/c也遠(yuǎn)大于Cμ的容抗，因而可認(rèn)為rce和rb/c開路。(b)混合模型圖5.2.2

混合

模型的簡化(a)簡化的混合

模型Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。單向化靠等效變換實現(xiàn)。圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(b)單向化后的混合模型圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(C)

忽略C／／μ的混合模型因為Cπ＞＞，且一般情況下。的容抗遠(yuǎn)大于集電極總負(fù)載電阻R／Ｌ，中的電流可忽略不計，得簡化模型圖（C）。密勒定理：用兩個電容來等效Cμ

。分別接在b、e和c、e兩端。其中：電容值分別為：等效電容的求法圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(b)單向化后的混合模型圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(C)

忽略C／／μ的混合模型三、混合

模型的主要參數(shù)將混合

模型和簡化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)完全相同。Cμ可從手冊中查得Cob

，Cob與Cμ近似相等。Cπ數(shù)據(jù)可從手冊中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點求解。晶體管電流放大倍數(shù)的頻率相應(yīng)

當(dāng)頻率升高時由于極間電容的存在，電流放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)5.2.2三極管的頻率參數(shù)在低頻時，β是一個常數(shù)；當(dāng)頻率升高時，β將會下降，并滿足下式：低頻時的共射電流放大系數(shù)三極管β

值下降時的頻率分別用模和相表示：取對數(shù)：畫出波特圖如下

做出β的幅頻特性和相頻特性曲線。

三極管β的幅頻特性和相頻特性曲線當(dāng)β=1時對應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT，且有fT≈β0f

當(dāng)20lgβ下降3dB時,頻率f稱為共發(fā)射極接法的截止頻率。

0.707倍

1.共射截止頻率f

值下降到0.7070

(即)時的頻率。當(dāng)

f=f

時，值下降到中頻時的70%左右。或?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個頻率的分析2.特征頻率fT

值降為1時的頻率。f>fT

時，，三極管失去放大作用；

f

=

fT

時，由式得：3.共基截止頻率f

值下降為低頻0時

的0.707時的頻率。

f

與f

、

fT

之間關(guān)系：因為可得說明：所以：1.f

比f

高很多，等于f

的(1+0)倍；2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫，高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖5.4.1單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au

與f無關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，Au

降低。而且，構(gòu)成RC低通電路。一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容

可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1.中頻段等效電路圖5.4.2中頻段等效電路由圖可得

bce

+Rb~+++RcRs2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式，與利用簡化h參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖5.4.3低頻等效電路

C1

與輸入電阻構(gòu)成一個RC高通電路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~+++RcRsC1輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)

bce

+Rb~+++RcRsC1低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對數(shù)幅頻特性對數(shù)相頻特性因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度若考慮耦合電容C1和C2，則低頻電壓放大倍數(shù)其中如果兩者相差4－5倍以上，則取數(shù)值大的為下限截止頻率，若很接近，則三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖5.4.4高頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRs圖5.4.4高頻等效電路的簡化(a)由于輸出回路時間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結(jié)電容。用戴維南定理簡化圖5.4.4(b)—C

與R

構(gòu)成RC

低通電路。

ce

+~++Rc

高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對數(shù)幅頻特性和相頻特性高頻段最大附加相移為-90度四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL

和

fH

；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg

低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；

高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。3.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb//rbe假設(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe說明：式不很嚴(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

均小的高頻三極管。5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級放大電路頻率特性的定性分析多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：對數(shù)幅頻特性為：在多級放大電路中含有多個放大管，因而在高頻等效電路中有多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。多級放大電路的總相位移為：兩級放大電路的波特圖圖5.5.1fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一級二級-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻圖5.5.1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO-540o-180o-450o-90o一級二級多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。5.5.2多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算在實際的多級放大電路中，當(dāng)各放大級的時間常數(shù)相差懸殊時，可取其主要作用的那一級作為估算的依據(jù)即：若某級的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級的下限頻率，則可認(rèn)為整個電路的下限頻率就是該級的下限頻率。同理若某級的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級的上限頻率，則可認(rèn)為整個電路的上限頻率就是該級的上限頻率。例5.5.1已知某電路的各級均為共射放大電路，其對