模擬電子技術(shù)模電ch04-4課件

模擬電子技術(shù)模電ch04-4放大輸入電阻輸出電阻溫度信號(hào)的頻率影響放大的因素：BJT組態(tài)實(shí)際信號(hào)大多數(shù)是含有許多頻率成分的復(fù)雜信號(hào)（其頻率范圍成為信號(hào)帶寬）靜態(tài)工作點(diǎn)位置24.7.0復(fù)習(xí)頻率響應(yīng)的基本概念1.為什么要研究頻率響應(yīng)？原因（1）：Av是f的函數(shù)，對(duì)不同頻率信號(hào)的放大程度不同。原因（2）：信號(hào)有多個(gè)頻率成分，若對(duì)不同頻率信號(hào)的放大程度不同，會(huì)產(chǎn)生頻率失真。2.如何分析研究頻率響應(yīng)的特性？（1）信號(hào)的頻率表達(dá)（2）放大器的頻率響應(yīng)表達(dá)（3）根據(jù)信號(hào)的頻率特性提出對(duì)放大器的頻率響應(yīng)的要求（4）放大器的頻率響應(yīng)受那些因素的影響3放大器輸入是單一中部頻率正弦波在頻域的特性：在下圖中如何表達(dá)這個(gè)輸入：輸入信號(hào)輸出以射極放大器為例在下圖中如何表達(dá)這個(gè)輸出：4信號(hào)的時(shí)頻表示：傅里葉級(jí)數(shù)分解時(shí)域頻域——直流分量其中——基波分量——三次諧波分量以方波信號(hào)為例：5放大器Av～f(ω)關(guān)系或——幅頻響應(yīng)——相頻響應(yīng)6輸入輸出中頻點(diǎn)輸入輸出對(duì)照?qǐng)D示：?jiǎn)我活l點(diǎn)的放大倍數(shù)不能反映放大器放大倍數(shù)的全貌需要分析全部頻點(diǎn)上放大器的頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)？前期，作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)我們僅僅使用一個(gè)中頻點(diǎn)上的正弦信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)討論放大特性。輸入對(duì)應(yīng)各個(gè)頻點(diǎn)的復(fù)輸出7即vi含有豐富的頻率成分它們?cè)诜糯笃髦械膫鬏斍闆r如何呢？實(shí)際信號(hào)分析：音樂：20Hz-20KHz視頻信號(hào)：DC-4.5MHz都包含有一定的頻率范圍4.7.0復(fù)習(xí)頻率響應(yīng)的基本概念8實(shí)際上放大器的響應(yīng)是中頻帶有限系統(tǒng)4.7.0復(fù)習(xí)頻率響應(yīng)的基本概念9輸入信號(hào)輸出以射極放大器為例正常放大區(qū)不正常放大區(qū)不正常放大區(qū)觀察有豐富頻率特性的信號(hào)通過帶寬有限的放大器的情況10不正常放大區(qū)對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響：設(shè)輸入是數(shù)字信號(hào)的一個(gè)脈沖關(guān)鍵是受中頻帶以外部分的影響11關(guān)鍵是受中頻帶以外部分的影響可以推論：好的放大器中頻帶寬必須大于信號(hào)帶寬前期我們所講到的增益都是在中頻區(qū)。那么到底是什么因素致使高低頻區(qū)出現(xiàn)：增益下降相移分散。電路中那些因素會(huì)造成這些變化？12電路中有電抗性元件（L、C，包括極間電容等）對(duì)于不同的f或ω

X不同放大器對(duì)于不同f信號(hào)的AV·不同輸出波形不能反映輸入波形的形狀失真放大器對(duì)于不同頻率正弦信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)——放大器的頻率響應(yīng)（特性）

——是放大電路的重要指標(biāo)！放大電路放大指標(biāo)的完全表達(dá)頻率響應(yīng)不同產(chǎn)生的原因是：4.7.0復(fù)習(xí)頻率響應(yīng)的基本概念13耦合電容CbcCbe極間電容旁路電容BJT放大電路中有哪些電抗元件：如何處理呢？接線電容分布電容分布電感變壓器Ce14前面的討論：耦合電容和旁路電容（μF級(jí)）直流時(shí)認(rèn)為是交流是BJT極間電容（pF級(jí)）這是在什么條件下？前提：放大器輸入是單一中部頻率正弦波耦合電容直流開路f=∞耦合電容交流短路f=0開路短路BJT極間電容C∞開路開路短路-開路0中頻值C大很小中頻值f=15電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)BJT極間電容pF級(jí)電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)短路BJT極間電容pF級(jí)開路電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)開路BJT極間電容pF級(jí)開路電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)開路有限值短路BJT極間電容pF級(jí)開路開路電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)開路有限值短路BJT極間電容pF級(jí)開路開路開路電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)開路有限值短路短路BJT極間電容pF級(jí)開路開路開路電抗器件大小直流f=0低頻f=小中頻f=中高頻f=大耦合旁路電容μF級(jí)開路有限值短路短路BJT極間電容pF級(jí)開路開路開路有限值16fXc11Hz3184.7

10Hz318.5

100Hz31.8

1kHz3.2

10kHz0.3

100kHz0.03

1MHz0.003

RbviRcRL固定偏流共射極放大電路f

100Hz時(shí)，Xc1<<rbe=863可視為短路。f

<100Hz時(shí)，Xc1增加很多，不可視為短路。vbe

ib

ic

vo

Av

，且產(chǎn)生相移。例如耦合電容C1=50F(w=2

f)wCZC1=例子：C117BJT放大電路電抗元件在整個(gè)頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)如何：耦合電容交流開路f=0短路BJT極間電容C∞開路中頻值C大很小中頻值f=f=減小到低頻如果有限值影響低頻f=繼續(xù)增加到很大-到高頻如果有限值影響高頻低頻時(shí)，就不能短路！高頻時(shí)，就不能開路！18前面分析時(shí)，⑴假定Cb1、Cb2、Ce足夠大，對(duì)于vi的頻率，Xc→0——視為交流短路；⑵認(rèn)為極間電容非常小，其Xc→∞——視為交流開路；于是，當(dāng)電路參數(shù)一定時(shí)，AV=常數(shù)，Φ=180°（反相）——是ω或f的函數(shù)當(dāng)f很低時(shí)，Cb1、Cb2、Ce的容抗很大，不能再視為短路，——即它們對(duì)放大器的低頻特性有影響；而極間電容，則是f越高，容抗越小，不能再視為開路，——即它們對(duì)放大器的高頻特性有影響；但實(shí)際上，19實(shí)驗(yàn)測(cè)得頻率特性曲線如下：中頻區(qū)低頻區(qū)高頻區(qū)分三個(gè)區(qū)域：①中頻區(qū)：中間平坦部分AV=AVM，Φ=－180°，且不隨f的變化而變化。

②低頻區(qū)：由于Cb1、Cb2、Ce的影響，AV↓，Φ超前中頻相位。③高頻區(qū)：由于極間電容的影響，AV↓，Φ滯后于中頻相位。工程上規(guī)定：AV↓至所對(duì)應(yīng)的頻率，分別稱為下限頻率fL上限頻率fH20（2）通頻帶：↑fH>>fL2、幅度失真和相位失真：當(dāng)vi頻譜很廣，而放大器的通頻帶又不夠?qū)挄r(shí)，對(duì)于不同頻率的信號(hào)不能得到同樣的放大（幅度、相位）→vo波形發(fā)生變形——失真！由于放大器對(duì)不同f信號(hào)的放大效果不同，而產(chǎn)生的波形失真——頻率失真AV·又分為：幅度失真：vo中不同f信號(hào)振幅的比例與放大前不同。相位失真：vo中不同f信號(hào)的相位關(guān)系與放大前不同。Bω=fH–fL≈fH又稱帶寬。2122線性失真：電抗元件引起不產(chǎn)生新的頻率分量非線性失真：非線性元件（如二極管和三極管）引起會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量失真的后果：信號(hào)不能完全重現(xiàn)如何不失真？多頻率信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后發(fā)生相移是否是相頻失真？23不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)幅度特性相位特性傳遞函數(shù)頻域保證同相的相移24電壓增益：功率增益：電流增益：AV用分貝數(shù)表示的優(yōu)點(diǎn)：a.可將增益相乘變?yōu)橄嗉樱籦.可采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖繪制頻率響應(yīng)——擴(kuò)展視野，縮短坐標(biāo)。復(fù)習(xí)用分貝數(shù)（對(duì)數(shù)單位）表示增益：例：25對(duì)數(shù)頻率特性把幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別繪制在兩張半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上縱坐標(biāo)——以dB表示的AV或Φ，采用線性分度?！Q為對(duì)數(shù)頻率響應(yīng)，又稱波特圖。橫坐標(biāo)——f（或ω），采用對(duì)數(shù)分度26如何繪制？方法：①對(duì)于每一個(gè)頻區(qū)，忽略次要因素，突出主要因素，找出近似的模擬等效電路，對(duì)于中頻區(qū)，等效電路即為H參數(shù)等效電路，那么，高頻區(qū)和低頻區(qū)呢？工程上采用折線近似，而不用逐點(diǎn)描跡。用典型RC電路來模擬。②求出的關(guān)系，分別在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制對(duì)數(shù)頻率特性——波特圖。274.7.1單時(shí)間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)1.RC低通電路的頻率響應(yīng)（電路理論中的穩(wěn)態(tài)分析）RC電路的電壓增益（傳遞函數(shù)）：則且令又電壓增益的幅值（模）（幅頻響應(yīng)）電壓增益的相角（相頻響應(yīng)）①增益頻率函數(shù)RC低通電路28最大誤差-3dB②頻率響應(yīng)曲線描述幅頻響應(yīng)1.RC低通電路的頻率響應(yīng)相頻響應(yīng)f做分子時(shí)高頻轉(zhuǎn)折相移滯后292.RC高通電路的頻率響應(yīng)RC電路的電壓增益：幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)RC高通電路且令又則f做分母時(shí)低頻轉(zhuǎn)折相移超前30RC電路的頻率響應(yīng)綜上所述，可歸納：（2）fH和fL都是對(duì)應(yīng)的回路時(shí)間常數(shù)τ＝RC成反比的。（1）轉(zhuǎn)折頻率fH和fL是頻率響應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)。（3）掌握用折線近似波特圖表示放大電路的頻率響應(yīng)。（4）放大器的頻率響應(yīng)可以分頻區(qū)進(jìn)行。fH和fL是幅頻響應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；0.1fH和10fH、0.1fL和10fL是相頻響應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。f做分子時(shí)高頻轉(zhuǎn)折相移滯后f做分母時(shí)低頻轉(zhuǎn)折相移超前31幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)一般表達(dá)式。低通頻率響應(yīng)AVSM：中頻響應(yīng)AVSM相位滯后0～-90°f在上面，很小時(shí)可省略虛部，不影響低頻上限轉(zhuǎn)折頻率32幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)一般表達(dá)式。高通頻率響應(yīng)AVSM：中頻響應(yīng)AVSM下限轉(zhuǎn)折頻率相位超前0～-90°f在下面，很大時(shí)可省略虛部，不影響高頻33幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)低通高通重點(diǎn)：！一般表達(dá)式。34全表示AVSM求頻率特性的三要素：AVSM，fH，fL.35（1）低頻區(qū)：考慮耦合電容和旁路電容，極間電容開路。放大器的頻率響應(yīng)可以分頻區(qū)進(jìn)行（2）中頻區(qū)：耦合電容和旁路電容短路，極間電容開路。（3）高頻區(qū)：考慮極間電容，耦合電容和旁路電容短路。364.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號(hào)模型①模型的引出rb'e——發(fā)射結(jié)電阻re歸算到基極回路的電阻

Cb'e——發(fā)射結(jié)電容rb'c——集電結(jié)電阻

Cb'c——集電結(jié)電容rbb'——基區(qū)的體電阻BJT的高頻小信號(hào)模型b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)b'rbb'rb'eCb'erb'cCb'cre'

——發(fā)射區(qū)體電阻rc——集電區(qū)體電阻re'rc374.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號(hào)模型①模型的引出BJT的高頻小信號(hào)模型b'rbb'rb'eCb'erb'cCb'cre'

——發(fā)射區(qū)體電阻rc——集電區(qū)體電阻re'rc發(fā)射區(qū)體電阻和集電區(qū)體電阻很小可以略去384.7.2BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號(hào)模型①模型的引出互導(dǎo)或跨導(dǎo)幾十毫西導(dǎo)出BJT的高頻小信號(hào)模型b'rbb'rb'eCb'erb'cCb'cre'rc由于結(jié)電容的影響，受控源：受控于Vb

'e39由此可見gm是與頻率無關(guān)的

0和rb’e的比值，因此gm與頻率無關(guān)。若IE=1mA，gm=1mA/26mV≈38mS。gm稱為跨導(dǎo)，還可寫成β0反映了三極管內(nèi)部，對(duì)流經(jīng)rb'e的電流的放大作用。是真正具有電流放大作用的部分，β0即低頻時(shí)的β。而：40②簡(jiǎn)化模型1.BJT的高頻小信號(hào)模型都是BJT放大時(shí)的等效反偏結(jié)電阻，所以很大可以開路混合形高頻小信號(hào)模型412.BJT高頻小信號(hào)模型中元件參數(shù)值的獲得低頻時(shí)，混合

模型與H參數(shù)模型等價(jià)所以VT溫度電壓當(dāng)量42又因?yàn)樗?.BJT高頻小信號(hào)模型中元件參數(shù)值的獲得低頻時(shí)，混合模型與H參數(shù)模型等價(jià)Q點(diǎn)上參數(shù)受控電流源：所以43Cb’c:2~10pF(Cμ)幾十到幾百pF(Cπ)從手冊(cè)中查出特征頻率其他參數(shù)的獲得：近似估算時(shí)，用器件手冊(cè)上的Cob代替。Cob是BJT接成共基極形式且發(fā)射極開路時(shí)，CB間的結(jié)電容。44三極管的高頻等效模型ebcrerb’erbb’rb’crc三極管結(jié)構(gòu)：b’Cb’eCb’cCb’c:2~10pF(Cμ)幾十到幾百pF(Cπ)從手冊(cè)中查出特征頻率453.BJT的頻率參數(shù)由H參數(shù)可知即根據(jù)混合

模型得低頻時(shí)所以C節(jié)點(diǎn)，b支路方程電流增益的高頻表示交流短路當(dāng)時(shí)，46令

的幅頻響應(yīng)——共發(fā)射極截止頻率——特征頻率——共基極截止頻率3.BJT的頻率參數(shù)

的相頻響應(yīng)

47——特征頻率時(shí)的頻率得：如果由得則發(fā)射結(jié)轉(zhuǎn)折頻率BJT共射轉(zhuǎn)折頻率48f

＝(1＋

0)f

≈f

＋fT

BJT的共基極截止頻率f

遠(yuǎn)大于共射極截止頻率f

特征頻率fT常用于衡量BJT的高頻特性494.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路采用密勒定理拆分Cb’c50密勒定理：514.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路對(duì)節(jié)點(diǎn)c列KCL得由于輸出回路電流比較大，所以可以忽略的分流，得而輸入回路電流比較小，所以不能忽略的電流。目標(biāo)：斷開輸入輸出之間的連接524.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路稱為密勒電容534.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)同理，在c、e之間也可以求得一個(gè)等效電容CM2，且1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路544.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路554.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路目標(biāo)：簡(jiǎn)化和變換輸出回路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時(shí)間常數(shù)，考慮高頻響應(yīng)時(shí)可以忽略CM2的影響。564.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)①形高頻等效電路目標(biāo)：簡(jiǎn)化和變換開路電壓等效內(nèi)阻574.7.3單級(jí)共射極放大電路的頻率響應(yīng)1.高頻響應(yīng)②高頻響應(yīng)和上限頻率由電路得電壓增益頻響其中中頻增益或通帶源電壓增益上限頻率581.高頻響應(yīng)②高頻響應(yīng)和上限頻率RC低通電路共射放大電路頻率響應(yīng)曲線變化趨勢(shì)相同

＝－180

－arctan(f/fH)

相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)59③增益-帶寬積BJT一旦確定，帶寬增益積基本為常數(shù)1.高頻響應(yīng)當(dāng)Rb>>Rs及Rb>>rbe時(shí)，有

帶寬與增益成反比頻率特性的改善：合理調(diào)整帶寬增益和電抗元件，選擇fT大的BJT60例題解：模型參數(shù)為例4.7.1設(shè)共射放大電路在室溫下運(yùn)行，其參數(shù)為：負(fù)載開路，Rb足夠大忽略不計(jì)。試計(jì)算它的低頻電壓增益和上限頻率。低頻電壓增益為又因?yàn)樗陨舷揞l率為612.低頻響應(yīng)①低頻等效電路極間電容開路留下電路中的耦合電容、旁路電容622.低頻響應(yīng)①低頻等效電路Rb=（Rb1||Rb2）遠(yuǎn)大于R

i

R

iRe和Rb視為開路632.低頻響應(yīng)①低頻等效電路Ce’和C1串聯(lián)的

將Ce折算到基極回路：，Ce>>Cb2

Ce對(duì)輸出回路的影響忽略64中頻區(qū)(即通常內(nèi))源電壓增益當(dāng)則下限頻率取決于2.低頻響應(yīng)②低頻響應(yīng)當(dāng)652.低頻響應(yīng)②低頻響應(yīng)下限頻率取決于當(dāng)時(shí)，相頻響應(yīng)

＝－180

－arctan(－fL1/f)＝－180

＋arctan(fL1/f)

幅頻響應(yīng)662.低頻響應(yīng)②低頻響應(yīng)包含fL2的幅頻響應(yīng)67CE接法基本放大電路全頻段微變等效電路結(jié)論：電路中的每個(gè)電容在全頻段放大時(shí)都將增加一個(gè)衰減因子。68設(shè)fL1＞fL2，畫出單級(jí)基本放大電路波特圖，如圖05.16所示。圖05.16

單級(jí)基本放大電路的波特圖694.7.4單級(jí)共集電極和共基極放大電路的高頻響應(yīng)1.共基極放大電路的高頻響應(yīng)①高頻等效電路轉(zhuǎn)成高頻微變等效電路保留結(jié)電容，短路耦合電容和旁路電容704.7.4單級(jí)共集電極和共基極放大電路的高頻響應(yīng)1.共基極放大電路的高頻響應(yīng)①高頻等效電路關(guān)系復(fù)雜需要化簡(jiǎn)等同短路714.7.4單級(jí)共集電極和共基極放大電路的高頻響應(yīng)1.共基極放大電路的高頻響應(yīng)①高頻等效電路注意BJT內(nèi)部的等效關(guān)系724.