模电第5章--放大电路的频率响应

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 放大电路的频率响应,问题提出,前面所讲述的均以单一频率的正弦信号来研究，事实上信号的频率变化比较宽（例如声音信号、图象信号），对一个放大器，当,U,i,一定时，,f,变化,U,o,变化，,即,A,u,=,U,o,/U,i,变化，换句话说：,A,u,与,f,有关。,为什么,A,u,与,f,有关呢？什么是频率响应？,频率响应：,指放大器对不同频率的正弦信号,的稳态响应。其表示方法：,A,u,(f)(f),其中,A,u,(f),为,幅频响应、,(f),为相频响应。,放大电路的频率特性包括两部分：,幅度频率特性,相位频率特性,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,而变化的规律。即,=,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,的规律。即,这些统称放大电路的频率响应。,幅频特性偏离中频值的现象称为,幅度频率失真,;,相频特性偏离中频值的现象称为,相位频率失真,。,放大电路的幅频特性和相频特性，也称为频率响应。因放大电路对不同频率成分信号的增益不同，从而使输出波形产生失真，称为,幅度频率失真,，简称幅频失真。放大电路对不同频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生失真，称为,相位频率失真,，简称相频失真。幅频失真和相频失真是,线性失真,。,产生频率失真的原因是,:,1.,放大电路中存在电抗性元件，,例如,耦合电容、旁路电容、分布电容、变压,器、,PN,结电容、分布电感等,;,2.,三极管的,(,),是频率的函数。,在研究频率特性时，三极管的低频小信号模型不再适用，而要采用高频小信号模型。,电路中存在着电抗器件是影响频响的主要因,素，研究频响实际上是研究电抗元件的存在，对,放大器放大倍数的影响。,当,f,低时，主要是耦合电容、旁路电容起作用。,当,f,高时，主要是,PN,结电容起作用。,5.1,RC,电路的频率响应,5.2,双极型三极管的高频小,信号模型,5.3,共发射极接法放大电路,的频率特性,5.4,多级放大器的频率响应,5.1.2,频率响应的基本概念,一、,RC,高,通电路,二、,RC,低,通电路,一、,RC,高通电路,式中,下限截止频率、模和相角分别为,RC,高通电路如图所示。,其电压传输函数 为：,由此可做出,RC,高通电路的近似频率特性曲线。,RC,高通电路的近似频率特性曲线,图,5.1.1,高通电路及频率响应,二、,RC,低通电路,RC,低通电路如图所示。,其,电压放大倍数,(,传递函数,),为,RC,低通电路,式中,上限截止频率、模、和相角分别为：,由以上公式可做出,RC,低通电路的近似频率特性曲线：,RC,低通电路的频率特性曲线,RC,低通电路,低通电路及其频率响应,当 时，相频特性将滞后,45,，并具有,-,45,/dec,的斜率。在,0.1,和,10,处与实际的相频,特性有最大的误差，其值分别为,+5.7,和,5.7,。,这种折线化画出的频率特性曲线称为,波特图,，,是,分析放大电路频率响应的重要手段。,幅频特性的,X,轴和,Y,轴,都是采用对数坐标,称为上限截止频率。当 时，幅频特性将以十倍频,20dB,的斜率下降，,或写成,-20,dB/dec,。在,处的误差最大，有,3dB,。,对于放大电路，通频带为,5.2,双极型三极管的高频小信号模型,5,.2.1.,混合,型高频小信号模型,5,.2.2,电流放大系数,的频响,根据这一物理模型可以画出,混合,型高频小信号模型，如图所示。,这一模型中用 代替 ，这是因为,本身就与频率有关，而,g,m,与频率无关。,（,2,）用 代替,简化的混合,模型,为中频段电压增益,简化的混合,模型参数计算,的分析,求,此式中 为,K=0,时的值,的分析,求,此式中 为,K=0,时的值,为共射截止频率,(,手册,),的波特图,f,T,0,f,可由下式推出,当,f,=,f,T,时,有,因,f,T,f,所以,f,T,0,f,注意：,在 的条件下：,有,否则：,此 是,条件下的 。,由此可做出,的幅频特性和相频特性曲线，,如,05.10,图所示。,图,05.10,三极管,的幅频特性和相频特性曲线,当,=1,时对应的频率称为,特征频率,f,T,，,且有,f,T,0,f,当,20lg,下降,3dB,时,频率,f,称为,共发射极接法的截止频率,5.3,场效应管的高频等效模型,(,共源,),5.4,共发射极接法放大电路的频率特性,5.4.1,全频段小信号模型,5.4.2,高频段小信号微变等效电路,5.4.3,低频段小信号微变等效电路,频响的基本分析方法（频率特性的描写方法）：,1,、分段描写（高、中、低）根据影响各区段,Au,的主要因素进行分析。,2,、频响特性用对数描写，幅度以分贝为单位，相,位以度为单位。,5.4.1,全频段小信号模型,对于共发射极接法的基本放大电路，分析其频率响应，需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型，如图所示。然后分低、中、高三个频段加以研究。,全频段微变等效电路,CE,接法基本放大电路,一、单管共射放大电路的中频等效电路,二、低频段小信号微变等效电路,低频段的微变等效电路，耦合电容,C,1,、,C,2,和旁路,电容,C,e,被保留，,C,被忽略。显然，该电路只有一个,RC,电路环节。当信号频率提高时，,C,看成短路，相当于高通环节，有下限截止频率。,时间常数的求取方法：,上限截止频率,f,L,=1/2,L,L,=(,R,c,+R,L,),C,2,显然这是一个,RC,低通环节，其时间常数,H,=(,R,s,/,R,b,),+r,bb,/,r,be,C,于是上限截止频率,f,H,=1/2,H,。,三、高频段小信号微变等效电路,将全频段小信号模型中的,C,1,、,C,2,和,C,e,短路（），即可获得高,频段小信号模型微变等效电路，如图所示。,完整的频率响应及波特图：,频率响应表达式：,四、单管共射放大电路,完整的频率响应及波特图,频率响应表达式：,.,例,1,图示电路：,V,CC,=15V,，,Rs,=1K,R,b,=20K,Rc=R,L,=5K,，,C=5F,，,r,bb,=100,=100,，,f,=0.5MHZ,C,ob,=5pF.,试估算电路的截止频率,f,H,和,f,L,，,并画出 的波特图。,全频段微变等效电路,CE,接法基本放大电路,例,5.4.1,波特图,返回,5.4.2,单管共源放大电路的频率响应,5.4.3,频率响应的改善和增益带宽积：,频率响应的改善主要是通频带变宽，即是高,频时性能的改善，其高频等效电路如图所示：,1,、通频带,（,1,）,f,L,下降（即是使耦合电容,C,所在回路的时间常数取值大）亦是,R,或,C,增大，改善有限。,（,2,）,f,H,增大（。）就会使,Au,下降。,于是形成了带宽和增益的矛盾，合理的解决的办法,是综合考虑。,(,要使,f,bw,加宽有两种方法,),2,、增益带宽积,设（,1+g,m,R,L,）,C,C,，,则有：,C,=(1+g,m,R,L,)C,=,g,m,R,L,C,所以：,当晶体管选定后,r,bb,C,就确定，因此放大倍数与带宽积就确定了。,要改善放大电路的高频性能，应选小,r,bb,，,C,ob,的管子，且,R,b,要尽量小。,5.5,多级放大器的频率响应,一、多级放大器频响的一般形式,由于多级放大器总的电压放大倍数满足：,其中,A,ui,为第,i,级的,放大倍数。,幅频响应：,相频响应：,以上表明,多级放大器的幅频特性等于对数幅频特性的代,数和，相频特性也是各级的代数和。,若在同一个横坐标下，只要将纵坐标叠加即可,得到总的频响特性曲线。,由,以上分析，可知作波特图的步骤：,（,1,）先求出中频电压放大倍数，方法通前；,（,2,）,确定分别在高频和低频时影响,A,u,的电容器的,个数；,（,3,）分别求出各电容器回路的时间常数；,（,4,）,比较各时间常数，低频时取时间常数小的转,化为,f,L,，,高频时取时间常数大的转化为,f,H,，,转化式,f=1/2,，,如相差很近，一般小于,4,倍，,则有：,二、两级放大电路的波特图,例,5.5.1,已知某电路的各级均为共射放大电 路，试求下限截止频率、上限截止频率和电压放大倍数。,例,5.5.2,电路如图。试求由,C,1,、,C,2,、,C,e,确定的下限截止频率和电路的上限截止频率。,