模电阎石第五版第五章放大电路的频率响应.ppt

第五章 放大电路的频率响应 电子学教研室 授课内容 5 1频率响应概述 5 2晶体管的高频等效模型 5 3单管放大电路的频率响应 5 4多级放大电路的频率响应 5 1频率响应概述 5 1 2高通电路和低通电路 5 1 3波特图 5 1 1研究放大电路频率响应的必要性 5 1 1研究放大电路频率响应的必要性 一 电路中的几种元件和频率的关系 电容 电感 电阻 在放大电路中 由于电抗元件 及半导体管极间电容的存在 当输入信号的频率过低或过高时 不但放大倍数的数值会减少 而且会产生相位移 这说明放大倍数是信号频率的函数 这种函数关系称为频率响应或频率特性 二 频率响应定义 频率特性是衡量放大电路对不同频率输入信号适应能力的一项技术指标 通频带越宽 表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 信号不是单一频率的 而是具有一定的频谱 5 1 2频率响应的基本概念 在放大电路中 由于耦合电容的存在 对信号构成了高通电路 如与负载电阻形成 即对于频率足够高的信号电容相当于短路 信号几乎毫无损失地通过 而信号频率低到一定程度 电容的容抗不可忽略 信号将在上面产生压降 从而导致放大倍数的数值减小且产生相移 由于半导体管极间电容的存在 对信号构成了低通电路 如与rbe 即对于频率足够低的信号电容相当于开路 对电路不产生影响 而信号频率高到一定程度 极间电容将分流 从而导致放大倍数的数值减小且产生相移 则 5 1 2高通电路与低通电路 一 高通电路 设输入电压 输出电压 令 回路的时间常数 幅频特性 相频特性 电压放大倍数用幅值和相角表示 1 2 3 f fL 称为下限截止频率 简称下限频率 二 低通电路 回路的时间常数 令 则 电压放大倍数用幅值和相角表示 1 2 3 f fH 称为上限截止频率 简称上限频率 三 放大电路的通频带 放大电路的通频带 通频带越宽 表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 一 波特图简介 5 1 3波特图 为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围 在画频率特性曲线时常采用对数坐标 称为波特图 输入信号频率范围 几赫 上百兆赫 放大倍数范围 几倍 上百万倍 波特图由两部分组成 对数幅频特性和对数相频特性 2 对数相频特性坐标轴 f 1 对数幅频特性坐标轴 二 波特图画法 1 高通电路的波特图 把电压放大倍数的幅值取对数得 1 2 3 高通电路对数幅频特性可近似地用两条直线构成的折线来表示 交于f fL这一点 最大误差3dB 1 2 3 高通电路对数相频特性可近似地用三条直线构成的折线来表示 2 低通电路的波特图 把电压放大倍数的幅值取对数得 3 2 1 低通电路对数幅频特性可近似地用两条直线构成的折线来表示 交于f fH这一点 最大误差3dB 1 2 3 低通电路对数相频特性可近似地用三条直线构成的折线来表示 三 波特图表示频率响应的优点 1 可以拓宽视野 在较小的坐标范围内表示较宽频率范围的变化 3 将幅值的相乘转换成幅值的相加 体现在多级放大电路中 放大倍数是各级放大倍数的乘积 所以在画对数幅频特性时 只需将各级的对数增益相加即可 2 作图方便 可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率响应 如果只需频率响应的粗略信息 那么以渐近直线来近似表示是足够的 5 2晶体管的高频等效模型 5 2晶体管的高频等效模型 5 2 1晶体管的混合模型 5 2 2晶体管电流放大倍数的频率响应 5 2 1晶体管的混合模型 一 1 共射h参数等效模型回顾 利用网络的h参数来表示输入 输出电压与电流的相互关系 得到共射h参数低频等效模型 受控电流源的引入 从晶体管的物理结构出发 考虑发射结和集电结电容的影响 就可以得到在高频信号作用下的物理模型 称为混合模型 其与h参数等效模型在低频信号作用下具有一致性 图5 2 1晶体管的结构示意图 图5 2 1晶体管的结构示意图 rbb 基区的体电阻 通常几十欧 几百欧 b 是假想的基区内的一个点 晶体管的受控电流与发射结电压成线性关系 且与信号频率无关 称为跨导 它是一个常数 表明对的控制关系 根据半导体物理的分析 图5 2 1晶体管的结构示意图 远大于c e间所接的负载电阻 视为开路 也远大于的容抗 因而可认为开路 图5 2 2 a 简化后的混合模型 将等效在输入回路和输出回路 称为单向化 单向化是靠等效变换实现的 设折合到b e间的电容为 折合到c e间的电容为 则单向化之后的电路如 b 所示 流经的电流等于流经的电流 同时也等于流经 与图中规定的相反 的电流 为保证变换的等效性 要求变换前后电流保持不变 等效变换过程如下 从看进去中流过的电流为 集电结电容的容抗设为 流经的电流为 考虑在近似计算时 取中频时的值 所以 间总电容为 5 2 2 5 2 1 说明是的分之一 流经的电流 将简化的混合模型与简化的h参数等效模型相比较 它们的电阻参数是完全相同的 h参数等效模型 从混合模型中可以看出 参数包括 一 基区体电阻 与参杂浓度和制造工艺有关 二 发射结电阻 5 2 4 h参数等效模型 虽然受控电流的表述方法不同 但是它们所表述的是同一个物理量 混合模型 为低频段晶体管的电流放大系数 由于 四 5 2 2 是晶体管为共基接法且发射极开路时c b间的结电容 与近似 在分析估算时可将近似为 的数值可通过手册给出的特征频率和放大电路的静态工作点求解 是电路的电压放大倍数 可通过计算得到 5 2 2晶体管电流放大倍数的频率响应 基极注入的交流电流的幅值不变 信号频率升高 间的电压的幅值将减小 相移将增大 的幅值线性下降 且产生相位移 在中频段 晶体管共射极电流放大系数是一个常数 高频段 信号频率变化时与的关系也随之变化 即电流放大系数不是常量 且信号频率愈高 的幅值愈小 相移愈大 所以是频率的函数 由于与的存在 使和的大小 相角均与频率有关 根据h21e的定义 是在c e间无动态电压 即c e间短路时动态电流与之比 2 3 8c 交流分量Uce 0 电流放大系数的定义 因此 c e间无动态电压 5 2 2 说明当c e间交流短路时 输入回路的等效电容就是发射结电容和集电结电容并联之后的总电容 的推导过程如下 5 2 6 说明的频率响应与低通电路相似 令回路时间常数 5 2 7 为的截止频率 称为共射截止频率 5 2 8 用对数幅特频性与对数相频特性表示为 的波特图 当20lg 下降3dB时 频率f 称为共射截止频率 当 1 0分贝 时对应的频率称特征频率fT 特征频率求法 利用的表达式 可以求出的截止频率 5 2 11 是使 下降到70 7 的频率 称为共基截止频率 5 2 12 共基截止频率 共射截止频率和特征频率的比较 共基电路的截止频率远高于共射电路的截止频率 因此共基放大电路可做为宽频带放大电路 的求解方法 在器件手册中查出 5 3场效应管的高频等效模型 a 场效应管高频等效模型 一般情况下rgs和rds比外接电阻大得多 可认为他们是开路的 由于场效应管各级之间存在极间电容 因而其高频响应与晶体管相似 b 简化模型 g s间等效电容为 d s间等效电容为 5 4单管放大电路的频率响应 5 4单管放大电路的频率响应 5 4 2单管共源放大电路的频率响应 5 4 1单管共射放大电路的频率响应 5 4 3放大电路频率响应的改善和增益带宽积 5 4 1单管共射放大电路的频率响应 图5 4 1 a 共射放大电路 一般情况为了分析问题方便 将输入信号的频率范围分为三段 中频段 极间电容视为开路 耦合电容视为短路 低频段 极间电容视为开路 考虑耦合电容的影响 高频段 耦合电容视为短路 考虑极间电容的影响 一 中频电压放大倍数 在中频段 极间电容因容抗很大而视为开路 耦合电容 或旁路电容 因容抗很小而视为短路 故不考虑他们的影响 图5 4 1 b 适应于信号频率从零到无穷大的交流等效电路 将 视为短路 在中频电压信号作用于电路时 将视为开路 由于 又由于 图5 4 2单管放大电路的中频等效电路 中频电压放大倍数用表示 一 输出回路 二 输入回路 输入电阻 5 4 1 中频电压放大倍数 电路空载时的中频电压放大倍数为 5 4 2 二 低频电压放大倍数 在低频段 主要考虑耦合电容 或旁路电容 的影响 此时极间电容仍视为开路 b 输出回路的等效电路 图5 4 3单管共射放大电路的低频等效电路 电容C与负载电阻组成了高通电路 通高阻低 b 输出回路的等效电路 是空载时的输出电压 输出回路 低频电压放大倍数用表示 b 输出回路的等效电路 将上式的分子与分母同除以便可得到 思考 为什么除以 RC RL C所在回路的等效电阻为 RC RL 下限频率表达式为 C所在回路的时间常数 5 4 3 越小 放大电路的低频特性越好 用模和相角来表示为 对数幅频特性及相频特性的表达式为 因电抗元件引起的相移称为附加相移 表示中频段时与反相 在低频段 由引起的最大附加相移为 三 高频电压放大倍数 在高频段 主要考虑极间电容的影响 此时耦合电容 或旁路电容 仍视为短路 图5 4 4 a 高频等效电路 b 输入回路的等效变换 R和构成了低通电路 c 输入回路 间的开路电压 等效内阻R的表达式 c 输入回路 b 输入回路的等效变换 高频电压放大倍数 令 是所在回路的时间常数 5 4 8 越大 放大电路的高频特性越好 在高频段 由引起的最大附加相移为 用模和相角来表示为 对数幅频特性及相频特性的表达式为 四 波特图 考虑到耦合电容和结电容的影响 对于频率从零到无穷大的输入电压 电压放大倍数的表达式为 5 4 14 1 当时 2 当输入信号频率f接近fL时 3 当输入信号频率f接近fH时 注意 频率在其他范围时f fH和f fL 图5 4 5单管共射放大电路的波特图 画波特图的一般步骤如下 根据电路参数计算出 画幅频特性曲线 中频区 从fL到fH之间 画一条高度等于的水平直线 低频区 从f fL开始 向左下方作一条斜率为的直线 高频区 从f fH开始 向右下方作一条斜率为的直线 画相频特性曲线 中频区 从10fL到0 1fH之间 画一条的水平直线 解 1 求解Q点 说明管子工作在放大区 Q点合适 图5 4 2中频等效电路 2 求解混合模型中的参数 3 求解中频电压放大倍数 图5 4 2中频等效电路 4 求解fH和fL 因为RS Rb 所以 图5 4 2中频等效电路 5 画的波特图 5 3 2单管共源放大电路的频率响应 a 共源放大电路 在中频段 开路 C短路 因而中频电压放大倍数 5 4 11 一 求中频电压放大倍数 在高频段 C短路 考虑的影响 所在回路的时间常数 上限频率为 5 4 12 二 求上限频率 5 4 13 在低频段 开路 考虑C的影响 C所在回路的时间常数 下限频率为 5 4 14 的表达式 三 求下限频率 5 4 3放大电路频率响应的改善和增益带宽积 5 3 2放大电路频率响应的改善和增益带宽积 一 低频特性的改善 下限频率越低 低频特性越好 为了改善单管放大电路的低频特性 需加大耦合电容及其回路电阻 以增大回路时间常数 从而降低下限频率 通过左图幅频特性 判断该电路的耦合方式 思考题 答 直接耦合 在信号频率很低的使用场合 应考虑采用直接耦合方式 使得 即认为电容容抗为零 或者其电容C为无穷大 直接耦合放大电路的一个重要特点 就是低频特性好 二 高频特性的改善 上限频率越高 高频特性越好 为了改善单管放大电路的高频特性 需减小间等效电容或g s间等效电容及其回路电阻 以减小回路时间常数 从而增大上限频率 三 增益带宽积 中频电压放大倍数 单管共射放大电路的增益带宽积 在假设条件均成立的条件下 上式将变换成 整理可得 5 4 15 管子选定 增益带宽积就大体确定 那么 增益增大多少倍 带宽几乎就变窄多少倍 这个结论具有普遍性 改善电路的高频特性 展宽频带的方法 应选用和均小的高频管 尽量减小所在回路的总等效电阻 考虑采用共基电路 共基电路的截止频率远高于共射电路的截止频率 因此共基放大电路可做为宽频带放大电路 场效应管共源放大电路的增益带宽积 5 4 16 场效应管选定后 增益带宽积也近似为常量 因此改善高频特性的根本是选择小的管子并减小的阻值 5 5多级放大电路的频率响应 5 5多级放大电路的频率响应 5 5 2截止频率的估算 5 5 1多级放大电路的频率特性的定性分析 在多级放大电路中含有多个放大管 因而在高频等效电路中就含有多个极间电容 即有多个低通电路 在阻容耦合放大电路中 含有多个耦合电容 则在低频等效电路中就多个高通电路 对于含有多个电容回路的电路 如何求解截止频率 下面进行讨论 5 4 1多级放大电路的频率特性的定性分析 设组成两级放大电路的两个单管放大电路具有相同的频率响应 3 同理 上限截止频率时也有同样的性质 两级放大电路的通频带比组成它的单级放大电路窄 对于一个n级放大电路 可以得出结论 推广 5 5 2截止频率的估算 一 下限频率fL 当 n级放大电路低频段的电压放大倍数为 n级放大电路高频段的电压放大倍数为 二 上限频率fH 若两级放大电路是由两个具有相同频率特性的单管放大电路组成则其上 下限频率分别为 具有相同频率特性的三级放大电路则其上 下限频率分别为 放大电路的级数越多 频带越窄 三级放大电路的通频带几乎是单级电路的一半 截止频率的确定方法 在多级放大电路中 某级的下限频率远高于其它各级的下限频率 5 10倍 则整个电路的下限频率就是该级的下限频率 某级的上限频率远低于其它各级的上限频率 5 10倍 则整个电路的上限频率就是该级的上限频率 上 下限频率估算公式多用于各级截止频率相差不多的情况 对于多个耦合电容和旁路电容的单管放大电路 应先求出每个电容确定的截止频率 然后再确定下限频率 3 电压放大倍数 2 上限频率为 解 1 电路的下限频率为 例2 下图所示Q点稳定电路中 已知C1 C2 Ce 其余参数合适 电路在中频段工作正常 试求下限频率的决定哪个电容 为什么 解 电路的静态工作点合适 说明放大电路工作在放大区 考虑单个电容对频率响应的影响时 将其它电容作理想化处理 即短路 1 求C1确定的下限频率 2 求C2确定的下限频率 3 求Ce确定的下限频率 Rce为射极输出器的输出电阻 113页 为改善电路的低频特性应使Ce的容量远大于C1 C2 本章总结 1 频率响应的一般概念 2 上限频率和