電子電路基礎(chǔ)第四章教學(xué)課件

電子電路基礎(chǔ)第四章(2010)典型的單管共射放大電路的幅頻特性和相頻特性O(shè)wwL(fL)wH(fH)BWAvm0.707Avm-90o-180o-270ow0VSe+–RS+VCCRBRCRLCBCCT+VO-—二、工作頻段、截止頻率和通頻帶fLfHBWAvm0.707AvmOffL：下限頻率；fH：上限頻率BW：通頻帶BW=fH

-

fL中頻段高頻段低頻段三、放大電路的理想頻率特性放大電路所要放大的目標輸入信號通常為有一定頻譜范圍的信號，例如語聲信號的頻率范圍一般在20～20KHz。放大電路應(yīng)該對輸入信號頻譜范圍內(nèi)任何頻率點的信號分量給予同等量的幅度放大：通頻帶應(yīng)覆蓋輸入信號的頻譜范圍且通頻帶內(nèi)的A(ω)保持為一常數(shù)放大電路應(yīng)該對輸入信號頻譜范圍內(nèi)任何頻率點的信號分量給予和同等量的時延：時延特性或為線性特性。四、幅度失真和相位失真頻率失真(a)幅頻失真(b)相頻失真幅度失真：由于帶寬的限制（對不同頻率信號的放大能力不同）產(chǎn)生幅度失真（波形有變化）相位失真：由于放大器對不同頻率信號的時延不同產(chǎn)生相位失真（波形有變化）以上兩種失真雖然輸入和輸出之間的波形有變化，但沒有新的頻率成分產(chǎn)生，屬線性失真。4.1.2 頻率特性的分析方法一、傳輸函數(shù)和零點、極點在復(fù)數(shù)頻率s域中，電容的容抗為1/sC,電感的感抗為sL。含有電抗成分的線性系統(tǒng)的傳輸函數(shù)A(s)的一般表示式:穩(wěn)定的有源線性系統(tǒng)的特點：1.零點的個數(shù)m小于或等于極點的個數(shù)n.2.由于元件參數(shù)為正實數(shù)，有：極點為負實數(shù)或?qū)嵅繛樨摰墓曹棌?fù)數(shù)。零點為可正可負的實數(shù)或?qū)嵅靠烧韶摰膹?fù)數(shù)。3.僅含電容的電路中，極點的個數(shù)等于獨立電容的個數(shù)。(有非獨立電容的電路，極點個數(shù)小于電容數(shù)）當S=z1,z2,z3…時A(S)=0,稱z1,z2,z3…為函數(shù)的零點當S=p1,p2,p3…..時A(S)=,稱p1,p2,p3…為函數(shù)的極點極零圖：將極點和零點在以為實軸，為虛軸的復(fù)平面上用x表示極點，o表示零點，稱為函數(shù)的極零圖。一般零極點為實數(shù)或復(fù)數(shù)。當激勵信號為角頻率ω的正弦信號且在穩(wěn)態(tài)時傳輸函數(shù)可寫成：二.頻率響應(yīng)的波特圖幅頻特性的波特圖使用分貝作為縱坐標，每十倍的頻率間隔作為橫坐標，幅頻特性以分貝表示時：即：總的傳輸幅頻特性（增益）為各零極點的代數(shù)和（差）。相頻特性：1.一階實數(shù)極點的波特圖單極點的電壓傳輸函數(shù)為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為+_+_CR式中ωp為極點對應(yīng)的角頻率，其幅頻特性和相頻特性可表示為：+_+_CR（1）對于幅頻特性：當ω<<ωp時：當ω＝ωp時當ω>>ωp時由ω<<ωp和

ω>>ωp形成的兩條直線交于ωp，ωp成為上截止頻率。用波特圖表示幅頻特性誤差最大點在ωp，誤差為3dB。（2）對于相頻特性：因此，可以用三條直線（頻率用十倍頻程)描述相頻特性，最大誤差在0.1ωp和10

ωp處，誤差為5.7度。2.一階零點因子的波特圖設(shè)一階有限零點（零點不為零）的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：（1）對于幅頻特性：當ω<<ωz時：當ω＝ωz時:當ω>>ωz時:（2）對于相頻特性：

3.RC高通電路的波特圖(一個零點加一個極點）+_+_CR

RC

高通電路其中：+_+_CR

RC

高通電路一階高通(一個極點）在w=0處的一個零點。w=wL時為0dB.則有：+20dB/十倍頻-20dB/十倍頻例4.1.1：分析圖4.1.4給定電路的傳輸系數(shù)。畫出其波特圖。-10dBA(ω)14dBω(×103)0dB0.55505000.051250o45o90oω(×103)0.55505000.05-45o-90o例：設(shè)二階低通系統(tǒng)的電壓傳輸函數(shù)為下式所示，試畫出其幅頻特性和相頻特性的波特圖：解：令s=jω,則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為：上式中由四項構(gòu)成(1)為100（+40dB)的常數(shù),(2)為106rad/s的極點，(3)為107rad/s的極點，(4)為108rad/s的零點。對應(yīng)此四項在幅頻特性波特圖中由①②③④虛線表示。標準表達形式①②③④虛線表示由幅頻特性的四個因子引起的幅頻特性變化，實線為合成之后的最終結(jié)果。⑤⑥⑦虛線為兩個極點和一個零點提供的相移特性，實線為合成之后的最終結(jié)果X(jω)Xo1Xi2Xo2XinY(jω)XonXi1A1(jω)A2(jω)An(jω)4.1.3 多級放大電路的頻率特性

對信號的放大任務(wù)經(jīng)常由多個單級放大電路級聯(lián)后去完成。如圖4.1.7所示。一.多級放大電路增益的頻率特性?

前級的開路電壓是下級的信號源電壓?

前級的輸出阻抗是下級的信號源阻抗?

下級的輸入阻抗是前級的負載

如果一個完全相同的兩級放大電路每一級的幅頻特性均如圖所示。6dB3dBfLfH≈0.643fH1fL>fL1，fH<fH1，頻帶變窄！二、多級放大電路的通頻帶和截止頻率

對于N級放大電路，若各級的下、上限頻率分別為fL1～fLn、fH1～fHn，整個電路的下、上限頻率分別為fL、

fH，則由于求解使增益下降3dB的頻率，經(jīng)修正，可得1.1為修正系數(shù)三.主極點和主零點在低通系統(tǒng)中若頻率最低的極點（零點）比其它零極點小得多（小于離它最近的零極點1/4以下），則該極點（零點）稱為主極點（主零點）。（即其它零極點對該頻率處的幅度影響可以忽略。）（注意：相位影響不可以忽略）同樣：在高通系統(tǒng)中若頻率最高的極點（零點）比其它零極點高得多（大于離它最近的零極點4倍以上），則該極點（零點）稱為主極點（主零點）。（即其它零極點對該頻率處的幅度影響可以忽略。）（注意：相位影響不可以忽略）在實際的多級放大電路中，當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)。4．2 晶體管的頻率特性晶體管內(nèi)部的結(jié)電容，其容抗隨著工作頻率的增高而減小，導(dǎo)致晶體管高頻放大能力下降。在中、低工作頻段結(jié)電容的容抗相對較大可相當于開路。4.2.1 雙極型晶體管的高頻參數(shù)圖4.2.1雙極性晶體管的混合π模型晶體管電流放大系數(shù)的頻率響應(yīng)令上圖中c、e短路，得到：通過上式可解得：手冊給出

和Cb’c，可求出Cb’e4.2.2 MOS型場效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)在襯極源極短接的情況下，模型如圖4.2.3。電容分量Cgs、Cgd、Cgc是柵極板下絕緣層的分布電容，是線性電容，不受管工作點影響。而Cbd及Cbs、Cbc為PN結(jié)位壘電容，與管的直流工作點有關(guān)的非線性電容。Cgb為Cgc與Cbc的串聯(lián)。特征頻率fT

：

式中的近似是由于Cgd通常較小（反偏壓較高）、滿足ωCgd<<gm

。當忽略了jωCgd項時：

由上式可見，柵極板下電容Cgs、Cgd、Cgc對管高頻放大能力的影響均可反映到管的特征頻率fT中，Cbs

、Cbd的影響沒有直接通過fT反映出來。作業(yè)：4.1.24.1.34.1.44．3雙極型晶體管放大電路的頻率特性高頻段：受晶體管高頻參數(shù)的影響，放大電路的放大能力會隨工作頻率的增高而減弱（還與晶體管的工作組態(tài)、電路中的負載電阻、信號源內(nèi)阻有關(guān)）－－影響高頻放大特性。低頻段：受電路中存在耦合電容或旁路電容的影響，電路的放大能力也會隨工作頻率的降低而減弱。－－影響低頻放大特性。定性分析：C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Av

與f無關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Av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，Av

降低。而且，構(gòu)成RC低通電路。4.3.1單管共發(fā)射極放大電路的高頻特性共射放大電路的交流通路中用高頻混合π模型代入可以得到高頻微變電路，可從圖中分析輸出與輸入之間的傳輸關(guān)系傳輸特性為兩個極點和一個零點。在等效電路圖中，由于Cb’c跨于輸出和輸入之間使得分析比較繁瑣一.密勒定理及等效電路的單向化模型12只要對應(yīng)右圖把Cb’c等效到b’和c兩端即可利用密勒定理可將Cb’c等效為兩個電容CM和CM’：二、共發(fā)射極放大電路的單向化等效電路近似為放大器的中頻增益利用密勒效應(yīng)，通過以上的推導(dǎo)可以得到等效的高頻微變等效電路注意：以上的推導(dǎo)過程及推導(dǎo)結(jié)果是在標準的共射放大電路基礎(chǔ)上得到的。其它情況（例如：發(fā)射極串有電阻）結(jié)果會有差異（推導(dǎo)原理不變）三、共發(fā)射極放大電路的參數(shù)估算及分析例例4.3.1:單管共發(fā)射極放大電路如圖所示，其中，VCC=5V，RB=344kΩ，RC=2kΩ，RL=2.5kΩ，RS=1kΩ。晶體管T（硅管）參數(shù)為：rbb’=100Ω，β0=80，VA=100V，fT=300MHz，Cb’c=4pF。CB、CC為耦合電容。試分析電路的高頻段電壓增益函數(shù)及其上截止頻率fH解：估算直流工作點。②估算管混合π參數(shù)。

，

，

，Cb’c的密勒電容CM較Cb’c增大了約43倍。③估算中頻增益及其上截止頻率fH由于偏置電阻RB的阻值（344kΩ）較大，遠大于信號源內(nèi)阻Rs和晶體管輸入電阻rbe

，故在以下的分析計算中將RB開路處理。，

。在求的表達式及上截止頻率時，可對電路進一步等效：Ci為輸入回路總電容，Ci=Cb’e+CM,Ci=189.6pF。從Ci兩端向信號源方向做戴維南等效：為等效內(nèi)阻，為等效信號源。，，由圖可見，共發(fā)射極放大電路可等效為兩個一階低通電路的級聯(lián)。輸入回路的時間常數(shù)輸出回路的時間常數(shù)時間常數(shù)一般情況下，輸入回路中密勒電容CM的數(shù)值會相對較大。、從上面的分析看出：不需要推導(dǎo)整個電路的轉(zhuǎn)移公式，只要求取：1，電路Avs02，輸入、輸出回路的時間常數(shù)：電容和電容兩側(cè)的等效電阻之積3，共射電路一般輸入回路的極點為主極點。④估算及其上截頻fH1，只要求取輸入、輸出的時間常數(shù)即可式中，輸入回路的時間常數(shù)輸出回路的時間常數(shù)Rs對上截頻的影響

和fH反映了信號源內(nèi)阻RS趨于零時共射放大電路的高頻特性和上截止頻率。

綜合分析：單管共發(fā)射極放大電路的高頻放大特性通常主要取決于其輸入回路。為提高電壓增益的上截止頻率，應(yīng)首先減小輸入回路的時間常數(shù)。為此可有三個方面的措施：⑴選擇rbb’小、Cb’c小、fT高的晶體管。⑵減小信號源內(nèi)阻RS，使信號源呈電壓源的形式。⑶減小負載電阻及管的直流工作點電流，以使Cb’c的密勒電容隨之減小。但這也會導(dǎo)致電路的中頻增益的減小。⑤增益帶寬乘積放大電路的中頻電壓增益與上截止頻率的乘積稱為增益帶寬乘積（GBW）。對單管共射電路，當在本例中，GBW=27.67×1.167×106Hz=32.29×106Hz。由GBW表達式可見，當管參數(shù)（rbb’、Cb’c、fT）和信號源內(nèi)阻（RS）決定后，放大電路的增益帶寬乘積隨gm、R’L改變而變的程度較小，例如減小gmR’L可以使Cb’c的密勒電容減小、提高fH，但也付出了減小中頻增益Avs0的代價。這種情況常在概念上表述為：增益帶寬乘積基本為一常數(shù)。這是許多放大電路的電壓增益的特點。4.3.2 單管共基極放大電路的高頻特性

為簡化計算，忽略rbb’的影響，并利用電流源分割原理，將受控源分割到輸出回路和輸入回路:考慮到左邊的受控源控制電壓就是兩端的電壓，所以可以等效為一個電阻，阻值為1/gm。該電阻與rb’e并聯(lián)：列解方程可以得到：求取時間常數(shù)即可Av的上限頻率？系統(tǒng)的幅頻和相頻特性可表示為：可見：由于輸入端輸入電阻小，且沒有Cb’c的密勒效應(yīng)在輸入端的影響，所以fHi較高，如果輸出端沒有容性負載，fHo也很高共基電路具有：輸入阻抗低、同相放大、較大的增益、較高的上截止頻率。例4.3.2:共基極放大電路的交流通路如圖所示RC=2kΩ，RL=2.5kΩ，RS=1kΩ，rbb’=100Ω，β0=80，VA=100V，fT=300MHz，Cb’c=4pF，T的直流工作點：ICQ＝1mA、VCEQ=3V。分析電路的電壓增益函數(shù)和上截止頻率。解：，，，

相同工作情況下的共發(fā)射極放大電路的上截止頻率約為1.167MHz。Rs的阻值太大，增益較低前面的計算忽略了Rbb’4.3.3 單管共集電極放大電路的高頻特性高頻等效電路如圖，由于Cb’c跨接在輸入端，容量很小，其兩端的等效電阻（rbb’和Rs）也較小，形成一個頻率很高的高頻極點。在高頻分析時，主要關(guān)注主極點，該電容的影響忽略。根據(jù)電路列解方程組：一個零點和一個極點例4.3.3:共集電極放大電路如圖。RE=3KΩ,RL=60KΩ.晶體管參數(shù)rbb’=100Ω，β0=80，VA=100V，fT=300MHz，Cb’c=4pF，RB=100KΩ,ICQ≈1mA。計算信號源內(nèi)阻RS分別為1KΩ和100Ω時的電壓增益函數(shù)和上截止頻率。解：rb’e=2.08KΩgm=38.46mSRs=1KΩ時：fH=34.91MHz。Rs=100Ω時：fH=191.3MHz。4.3.5 放大電路的低頻特性

耦合電容的目的是隔斷直流，使前后放大級的直流工作點不致相互影響，同時耦合交流信號。而旁路電容的目的是短路交流，使偏置或負反饋電阻不致降低電路的中、高頻增益。由于晶體管的結(jié)電容較小，在低頻段可以看成開路，對低頻段頻率特性產(chǎn)生影響的原因主要來自耦合電容和旁路電容（RC耦合放大電路）右圖電路中CB、CC、CE對低頻特性產(chǎn)生影響（包括與之相對應(yīng)的等效電阻）下左圖是忽略了RB及rce后的低頻等效電路右圖是將射極回路中的CE、RE等效到基極回路后的低頻等效電路。由于射極電路是基極電流的(1+β)，所以，等效到基極回路后的RE’=(1+β)RE，CE’=CE/(1+β)從圖中看出，當頻率降低CE’和CB使rb’e上的電壓下降，即增益下降。CC使得在RL上的電壓下降，增益下降。CC與CE、CB處在不同回路，有受控源的隔離，可分開考慮。先將CC短路，求輸入回路的電容對