模拟电子线路(模电)频率特性.ppt

1 概述2 RC电路的频率响应3 三极管的高频小信号模型4 共射放大电路的频率特性5 多级放大器频率特性 放大电路的频率特性.一、一、频率响应频率响应：放大器对不同频率信号的稳态响应：放大器对不同频率信号的稳态响应一.概述放大器输入信号放大器输入信号频率范围频率范围：音频音频话音：话音：300-3400Hz300-3400Hz 音乐：音乐：20-15KHz20-15KHz视频视频图象：图象：0-6MHz0-6MHz.二、二、频率特性频率特性 幅度频率特性幅度频率特性 相位频率特性相位频率特性 幅频特性是描绘输入信号幅度幅频特性是描绘输入信号幅度固定，输出信号的幅度随频率变化固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。即而变化的规律。即 相频特性是描绘输出信号与输入相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化信号之间相位差随频率变化而变化的规律。即的规律。即.阻容耦合放大的频率特性和频率失真阻容耦合放大的频率特性和频率失真中频段中频段中频段中频段：电压放大倍数近似为常数。低低低低频频频频段段段段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高高高高频频频频段段段段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。.波特图波特图（Bode）半对数坐标dB(decibel):分贝分贝 Au(db)=20logAuAu:10 102 103 10-1 10-2 Au(db):20 40 60 -20 -40 -3折线化对数分度（扩大视野）特点：优点：1、乘加 2、人耳对声能的辨别能力与其对数成正比.产生原因产生原因:1.1.放大电路中存在电抗性元件，放大电路中存在电抗性元件，例如例如 耦合电容、旁路电容、分布电容等耦合电容、旁路电容、分布电容等;2.2.三极管的三极管的()是频率的函数。是频率的函数。低频小信号模型不再适用低频小信号模型不再适用幅频失真相频失真线性失真（组合失真）频率失真频率失真设计电路时，要合适设计电路时，要合适选择选择耦合电容和旁路电容耦合电容和旁路电容.频率特性的三个频段频率特性的三个频段中频段：通频带以内的区域中频段：通频带以内的区域放大器的增益、相角均为常数，不随放大器的增益、相角均为常数，不随f 变化。变化。特点：特点：原因：原因：所有电抗影响均可忽略不计。所有电抗影响均可忽略不计。高频段：高频段：f fH 的区域的区域频率增大，增益减小并产生附加相移。频率增大，增益减小并产生附加相移。特点：特点：原因：原因：极间电容容抗极间电容容抗 分流分流 不能视为开路。不能视为开路。即即极间电容开路极间电容开路、耦合旁路电容短路。、耦合旁路电容短路。低频段：低频段：f fL 的区域的区域频率减小，增益降低并产生附加相移。频率减小，增益降低并产生附加相移。特点：特点：原因：原因：耦、旁耦、旁电容容抗电容容抗 分压分压 不能视为短路不能视为短路.幅度失真与相位失真幅度失真与相位失真实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：实际输入信号含有众多频率分量，当通过放大器时：若不同频率信号呈现不同增益若不同频率信号呈现不同增益幅度失真幅度失真相位失真相位失真幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。幅度失真与相位失真统称放大器的频率失真。若不同频率信号呈现不同相角若不同频率信号呈现不同相角由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。注意：注意：线性失真不产生新的频率成份。线性失真不产生新的频率成份。一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真。一般音频放大器的频率失真主要指幅度失真。视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。视频放大器的频率失真则包括幅度失真与相位失真。.RC电路的频率响应一、RC低通电路二、RC高通电路.频频率率特特性性曲曲线线一、RC低通电路RC+-io.UU 传递函数为：模：相角：式中：上限截止频率（上边频）.0 p0.1 p10 pAv()/dB-20-30 p0.1 p10 p A()-45-90-5.7 绘制渐近波特图绘制渐近波特图：根据根据画出幅频波特图画出幅频波特图画出相频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：渐近波特图画法：幅频幅频 p 时，时，=p 时，时，相频相频 10 p 时，时，=p 时，时，-20dB/十倍频十倍频-45/十倍频十倍频.低通滤波器的渐近线 Bode 图 在 ffH 处幅频特性渐近线有3dB 的最大误差，在其它频率上的误差均小于3dB。.一般认为,f 0.1 fH 即为 f 10 fH 即为 f fH。幅频特性 在 ffH 时为一条斜率为20dB/10倍频程的直线；相频特性 在 ffH 时为一条与横轴重合的直线，在 0.1fH ffH 时为一条等于90的直线。由此得到的其幅频特性和相频特性的 Bode 图。.确定上限角频率：确定上限角频率：0 p0.1 p10 pAv()/dB-200 p0.1 p10 p A()-45-90-20dB/十倍频十倍频-45/十倍频十倍频归纳一阶因子归纳一阶因子渐近波特图画法：渐近波特图画法：幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：已知已知 自自0dB水水平平线线出出发发，经经 p转转折折成成斜斜率率为为（20dB/十十倍倍频）的直线。频）的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：自自0 水水平平线线出出发发，经经0.1 p处处转转折折，斜斜率率为为(45/十十倍倍频频)，再再经经10 p处处转转折折为为-90 的水平线。的水平线。因因 =p时，时，H=p.频频率率特特性性曲曲线线传递函数为：模：相角：二、RC高通电路式中：下限截止频率（下边频）.0 p0.1 p10 p A()45 90 绘制渐近波特图绘制渐近波特图：根据根据画出幅频波特图画出幅频波特图画出相频波特图画出相频波特图0 p0.1 p10 pAv()/dB-2020dB/十倍频十倍频-45/十倍频十倍频幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：p：0dB水平线；水平线；p：斜率为：斜率为(20dB/十倍十倍 频）的直线。频）的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：0.1 p：-90 的水平线。的水平线。0.1 p 10 p：0 水平线。水平线。.频率特性小结：频率特性小结：复频域与频域，1，低通电压传递函数(相对于高频等效电路）称为极点角频率。.2，高通电压传递函数（相对于低频等效电路）.三.三极管的高频参数一、混合一、混合型高频小信号模型型高频小信号模型二、电流放大系数二、电流放大系数的频响的频响.一、混合一、混合型高频小信号模型型高频小信号模型简化：忽略rbc、rce1.等效电路等效电路.2.参数计算.3.单向化密勒定理密勒定理.Cbc很小很小.场效应三极管高频小信号模型(a)场效应三极管高频小信号模型(b)单向化高频小信号模型.它是在低频模型的基础上增加了三个极间电容而构成的，其中Cgs、Cgd一般在10pF以内，Cds一般不到1pF。为了分析方便，用密勒定理将Cgd折算到输入和输出侧。只要保证折算前后的电流相等即可，于是从输入侧有.对CS放大电路，因,所以输出回路的高频时间常数为而输入回路的高频时间常数为.于是可得场效应三极管的简化高频小信号模型，如图所示。简化高频小信号模型.二、二、的频响的频响1.共射截止频率共射截止频率f=f时，下降到0的0.707倍。.，因此上式又可简化为 2、特征频率fT 随着频率的增大而减小，当工作频率使得|1时，对应的工作频率为特征频率fT。.当 f=fT 时,有.由此可做出的幅频特性和相频特性曲线，如图所示。三极管的幅频特性和相频特性曲线图当=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT0f 当20lg下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率.共基极截止频率f 所以 为保证电路在最高工作频率 fm 时仍具有较大的电流放大能力，要求 fT 必须大于3fm。.例：已知某放大电路的波特图如图所示，试求：（1）电路的中频电压增益及其分贝数；（2）电路的下限频率fL和上限频率fH；（3）电路的电压放大倍数的表达式。（1）1000，60dB （2）10Hz，10000Hz（3）.二、高频段小信号微变等效电路三、低频段小信号微变等效电路 四 共射放大电路的频率特性一、全频段小信号模型.一、全频段小信号模型以共射放大电路为例，全频段小信号模型如图:CE接法基本放大电路 全频段微变等效电路分低、中、高低、中、高三个频段研究。前述电路分析默认为中频段！大C短，小C断!无频率影响！.显然这是一个RC低通环节低通环节，其时间常数二、高频段小信号微变等效电路 将全频段小信号模型中的C1、C2和Ce短路RC+-io.UU于是上限截止频率fH=1/2H。.共射放大电路高频段的波特图共射放大电路高频段的波特图幅频响应幅频响应：相频响应相频响应：.三、低频段小信号微变等效电路 保留C1、C2和Ce，忽略CM。L1=(RB/rbe)+rSC1 L1=Ri+rSC1 L2=(Rc+RL)C2 L2=(Ro+RL)C2 L3=Re/(RS+rbe)/1+Ce 式中RS =rS/RB 低频段微变等效电路该电路有三个RC高通高通电路环节！.在波特图上可确定fL1和fL2，分别做出二条曲线，然后相加。设fL1fL2，大45倍 可将最大的fL作为下限截止频率做波特图。.单级基本放大电路的波特图综合：总电压放大倍数总电压放大倍数的复数形式为.4.完整的共射放大电路的频率响应完整的共射放大电路的频率响应.（1）通频带：）通频带：（2 2）带宽）带宽-增益积：增益积：fbwAumBJT BJT 一旦确定，一旦确定，带带宽增益积基本为常宽增益积基本为常数数5.频率失真频率失真由于放大器对不同频率信号的放大倍数不由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的失真。同而产生的失真。两个频率响应指标：两个频率响应指标：.几点结论：3.三极管的结电容和分布电容结电容和分布电容是引起放大电路高频响应高频响应的主要原因，上限截止频率由高频时间常数中较大的一个决定；2.放大电路的耦合电容、旁路电容耦合电容、旁路电容是引起低频低频响应的主要原因，下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定；1.C：CM、C1、C2、CeR:与各电容构成回路的等效电阻值。.4.由于若电压放大倍数Au增加，CM也增加，上限截止频率就下降，通频带变窄。增益和带宽是一对矛盾，所以常把增益带宽积增益带宽积作为衡量放大电路性能的一项重要指标。若管子参数给定,则增益带宽积增益带宽积=常数常数5.CB组态放大电路由于输入电容小，所以CB组态放大电路的上限截止频率比CE组态要高许多。.q 共发电路增益带宽积共发电路增益带宽积GBW 定义定义其中其中1）选）选rbb 小、小、Cb c小、小、T高的三极管高的三极管使使GBW 。若若D 1，则，则 H T，此时上限角频率最高。，此时上限角频率最高。2）管子选定后管子选定后 采用恒压源（采用恒压源（RS 0）激励：激励：采用恒流源（采用恒流源（RS）激励：激励：D 1时，时，H ，上限频率降低。，上限频率降低。3）RL D H ，但，但AvsI 。需兼顾两者。需兼顾两者。.提高共发电路上限频率的方法：提高共发电路上限频率的方法：在电路输入端采用低阻节点（即在电路输入端采用低阻节点（即RS小）。小）。在电路输出端也采用低阻节点（即在电路输出端也采用低阻节点（即 RL 小）。小）。此时，共发电路上限角频率此时，共发电路上限角频率 H最高，且接近最高，且接近管子特征角频率管子特征角频率 T。.q 共集放大器共集放大器 共集和共基放大器的高频特性共集和共基放大器的高频特性 共集交流通路共集交流通路 RE+-vo+-vsRLRS高频等效电路高频等效电路 rbb rb erceCb eCb cgmVb e(s)b Vo(s)RS+-RERL+-Vs(s)ec由于由于简化等效电路简化等效电路 rbb rb eCb egmVb e(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)eIb(s)因此，因此，Cb c可忽略不计。可忽略不计。令令 RL =rce/RE/RL.共集简化等效电路共集简化等效电路 rbb rb eCb egmVb e(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)eIb(s)由简化等效电路：由简化等效电路：式中式中零点角频率：零点角频率：极点角频率：极点角频率：并联在并联在Cb e两端的总电阻两端的总电阻 采用恒压源（采用恒压源（RS 0）激励：）激励：共集电路输入为低阻节点共集电路输入为低阻节点(RS小小)时，上限角频率时，上限角频率 H 。考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在考虑到混型电路实际情况，共集电路应工作在 T/3/3以下。以下。.q 共基放大器共基放大器由图由图高频等效电路高频等效电路(忽略忽略rbb、rce)rb eCb eCb cgmVeb (s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)ecIe(s)整理得整理得受控源受控源其中其中共基交流通路共基交流通路 +-vo+-vsRSRCRLreCb eCb c (s)Ie(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路共基简化等效电路.由简化等效电路：由简化等效电路：式中式中共基电路输出为低阻节点共基电路输出为低阻节点(RL 小小)时，上限角频率时，上限角频率 H reCb eCb c (s)Ie(s)b Vo(s)RS+-R L+-Vs(s)ecIe(s)共基简化等效电路共基简化等效电路由于由于Cb c很小，因此当很小，因此当RL 较小时较小时:P2 P1由主极点概念：由主极点概念：H P1 结论：结论：三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。.某运放技术指标：运放开环增益A140dB，3dB带宽7Hz。若组成反相比例运算电路，放大倍数100，问此电路通频带为多少？20lgA=140dB,A=10000000开环增益A140dB10000000，增益带宽比为常数，10000000*7100X X=700000Hz=700kHz.例题例题 解：解：模型参数为模型参数为 设共射放大电路在室温下运行，其参数为：设共射放大电路在室温下运行，其参数为：试计算它的低频电压增益和上限频率。试计算它的低频电压增益和上限频率。低频电压增益为低频电压增益为又因为又因为所以上限频率为所以上限频率为.5.4 多级放大器的频率响应多级放大器的频率响应一，一，多级放大器的频率响应多级放大器的频率响应1、多级放大器的幅频特性 n 级放大器的幅频特性为 只要将各级放大器的幅频特性曲线在同一个坐标系中叠加，就可得到多级放大器的幅频特性曲线。多级放大器的下限频率比任何一个单级放大器的下限频率都高，而上限频率比任何一个单级放大器的上限频率都低。.2、多级放大器的相频特性n 级放大器的相频特性为只要将各级放大器的相频特性曲线在同一个坐标系中叠加，就可得到多级放大器的幅频特性曲线。二，二，多级放大器的通频带多级放大器的通频带1、多级放大器的上限频率 在高频段，多级放大器的放大倍数可表示为.令 则 因为 fH 是 下降到 的 倍时对应的工作频率，因此有.利用 fH/fHk1，将上式中的高次项忽略，可得多级放大器的上限频率fH 的近似计算公式 当各级放大器的上限频率相同即均为 fH1 时，有.2、多级放大器的下限频率 与高频段的分析近似，在低频段，多级放大器的电压放大倍数为.由此可得多级放大器的下限频率fL的近似计算公式 当各级放大器的下限频率均为 fL1 时，则有.3、多级放大器的通频带多级放大器的通频带为 因为 fHfLk，因此多级放大器的通频带小于任何一个单级放大器的通频带。.1）写出电路传递函数表达式写出电路传递函数表达式 A(s)q 频率响应分析步骤频率响应分析步骤 复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：复频域内，无零多极系统传递函数一般表达式：2）令）令 s=j，写出频率特性表达式，写出频率特性表达式 A(j)设极点均为负实数设极点均为负实数(p p=-p)，则，则4）确定上、下限角频率确定上、下限角频率 3）绘制渐近波特图）绘制渐近波特图.q 多极点系统多极点系统频率响应频率响应 利用利用RC低通电路分析结果，得传递函数表达式低通电路分析结果，得传递函数表达式：式中式中C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3 如图所示的三级理想电压放大器，如图所示的三级理想电压放大器，Ri，Ro 0。试画渐。试画渐近波特图，并求近波特图，并求 H。已知已知 R1 C1 R2 C2 R3 C3.频率特性表达式：频率特性表达式：幅频及相频表达式：幅频及相频表达式：均为单阶因子波特图的叠加。均为单阶因子波特图的叠加。假设假设0 p20.1 p110 p3 A()-90 p1 p3-180-270 0 p2 p1 p3Av()/dB 204060-20 p3-20dB/十倍频十倍频-40dB/十倍频十倍频-60dB/十倍频十倍频-45/十十-90/十十-45/十十.归纳归纳多极点系统渐近波特图画法：多极点系统渐近波特图画法：幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：自自中中频频增增益益AvI(dB)的的水水平平线线出出发发，经经 pn转转折折成成斜斜率率为为（20ndB/十倍频）的直线。十倍频）的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：自自0 水平线出发，经水平线出发，经0.1 p1处开始转折，斜率为：处开始转折，斜率为：(45/十倍频）十倍频）乘以（单阶因子重叠的段数），乘以（单阶因子重叠的段数），再经再经10 pn，转折成，转折成-90 n的水平线。的水平线。已知已知.确定上限角频率：确定上限角频率：根据定义，当根据定义，当 =H时：时：即即整理并忽略高阶小量得：整理并忽略高阶小量得：上限角频率上限角频率若若 p2 4 p1，则称，则称 p1为主极点，为主极点，p2、p3为非主极点。为非主极点。上限角频率取决于主极点角频率：上限角频率取决于主极点角频率：.电子设备中，为改善电路频率响应，常要求放大电子设备中，为改善电路频率响应，常要求放大器具有很高的上限频率（几器具有很高的上限频率（几MHz 几千几千MHz）。）。宽带放大器宽带放大器扩展上限频率的方法：扩展上限频率的方法：改进集成工艺，通过提高管子特征频率改进集成工艺，通过提高管子特征频率fT 扩展扩展 fH。在放大电路中引入负反馈扩展上限频率在放大电路中引入负反馈扩展上限频率fH。利用电流模技术扩展上限频率利用电流模技术扩展上限频率fH。利用组合电路扩展上限频率利用组合电路扩展上限频率fH。.q 组合电路宽带放大器组合电路宽带放大器 共发共发共基组合电路共基组合电路 三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。Vs(s)+-RL+-RST1T2Vo(s)+-RL+-RST1T2Vs(s)Vo(s)共集共集共发组合电路共发组合电路 因为共基电路因为共基电路Ri2小小因此扩展了上限频率。因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输出节点则共发电路具有低阻输出节点因为共集电路因为共集电路RO1小小因此扩展了上限频率。因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输入节点则共发电路具有低阻输入节点.CA3040CA3040集成集成集成集成宽带放大器：宽带放大器：宽带放大器：宽带放大器：共集共集-共发共发-共基共基组合电路差放组合电路差放恒流偏置恒流偏置T7、T8射随射随器作输出级器作输出级A Av v=30dB=30dB，f fHH=55MHz=55MHzT1VCCvi1VEEvi2R5T4T2T3T5T6vo1vo2R6T7T8R7R8R9R2R1T9R3R4.1，放大器输出产生非线性失真的原因是 ，产生线性失真的原因是 。2，当信号频率等于放大电路的fL 或fH时，放大倍数的值约下降到中频时的 倍，即增益下降 dB。1,放大器件存在非线性工作区，存在线性电抗元件2,0.7，3dB3，饱和失真与截止失真属于 非线性 失真，而幅频失真与相频失真属于 线性 失真。.1,已知某放大电路的波特图如图所示，试求：（1）电路的中频电压增益及其分贝数；（2）电路的下限频率fL和上限频率fH；（3）电路的电压放大倍数的表达式。（1）1000，60dB（2）10Hz，10000Hz（3）.感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！