清华模电频率响应实用教案

本章(bn zhn)重点：1、与频率响应(pn l xin yn)相关的基本概念2、具有一个RC环节电路的截止频率（fL、fH）的求解方法(fngf)，波特图的画法3、晶体管的高频等效电路 5、多级放大电路频率响应与单级电路频率响应间的关系4、单管放大电路的频率响应第1页/共60页第一页，共60页。本章(bn zhn)讨论的问题:1. 为什么要研究放大电路(dinl)的频率响应？2. 如何测定(cdng)一个RC网络的频率响应？怎样画出频率特性曲线？3. 晶体管的h参数等效模型在高频信号下还适用吗？4. 什么是放大电路的通频带？哪些因素响应通频带？5. 如何确定放大电路的通频带？第2页/共60页第二页，共60页。5.1 5.1 频率响应频率响应(pn l (pn l xin yn)xin yn)概述概述一、频率响应一、频率响应(pn l xin yn)的概念的概念三、简单三、简单(jindn)RC电路的频电路的频率响应率响应二、放大电路的频率参数二、放大电路的频率参数四、波特图四、波特图第3页/共60页第三页，共60页。一、一、 频率响应频率响应(pn l xin yn)的概念的概念)()(ffAAuuAu( f ) 幅频响应(xingyng)（特性） ( f ) 相频响应(xingyng)（特性） 频率响应（特性）-放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响，也就是Au与 f 的关系。 为什么Au与 f 有关呢？-由于放大电路中有耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容以及线路间分布电容的存在，使放大倍数为频率的函数。1. 频率响应频率响应 什么是频率响应？第4页/共60页第四页，共60页。一、一、 频率响应频率响应(pn l xin yn)的概念的概念2. 频率频率(pnl)失真失真q 幅频失真和相频失真总称(zn chn)频率失真-线性失真q 因放大电路对不同频率信号的不同，使输出波形产生的失真（幅频失真）q 放大电路对不同频率信号的不同，使输出波形产生失真（相频失真）第5页/共60页第五页，共60页。一、一、 频率响应频率响应(pn l xin yn)的概念的概念2. 频率失真频率失真(sh zhn)（举例）（举例）基波二次谐波tOuituoO(a) 相频失真tOui基波uoOt基波二次谐波(b) 幅频失真基波二次谐波二次谐波第6页/共60页第六页，共60页。二、二、 放大放大(fngd)电路的电路的频率参数频率参数 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力(nngl)下降。 在高频段，随着(su zhe)信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。第7页/共60页第七页，共60页。二、二、 放大电路放大电路(dinl)的的频率参数频率参数- 通频带通频带(pndi)、上限截止频率、下限截止频率、上限截止频率、下限截止频率耦合电容耦合电容(dinrng)造成造成三极管结电容三极管结电容造成造成fL下限截止频率fH上限截止频率fuAumAumA707. 0fbw= fH fL中频电压放大倍数中频电压放大倍数 通频带通频带放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线幅频特性曲线第8页/共60页第八页，共60页。三、三、 简单简单RC电路电路(dinl)的频的频率响应率响应RCRCRCRUUAuj1jj1io1. RC高通电路高通电路(dinl)的的频率响应频率响应高通电路高通电路-信号信号(xnho)频率越高，输出电压越接近输入电压。频率越高，输出电压越接近输入电压。 频率特性：频率特性：LLLj1j21ffffARCfu，则令)arctan(90)(1L2LLffffffAu第9页/共60页第九页，共60页。1. RC高通电路高通电路(dinl)的频率的频率响应响应三、三、 简单简单RC电路电路(dinl)的的频率响应频率响应90 fO|Au |10.707O45 fLf)arctan(90)(1L2LLffffffAu幅频特性相频特性 90 L；时，LuffAff 0 1 , o ；时uLAff45 0.707 21 L；时，uAff第10页/共60页第十页，共60页。2. RC低通电路(dinl)的频率特性 RCRCCUUAuj11j1j1io低通电路低通电路-信号频率越低，输出电压信号频率越低，输出电压(diny)越接近输入电压越接近输入电压(diny)。三、三、 简单简单(jindn)RC电路的频电路的频率响应率响应 频率特性：频率特性：HHj1121ffARCfu，则令)arctan()(11H2HffffAu第11页/共60页第十一页，共60页。2. RC低通电路(dinl)的频率特性 )arctan()(11H2HffffAu三、三、 简单简单RC电路电路(dinl)的频的频率响应率响应 90 H ；时，ffAffHu45 0.707 21 H；时，uAfffO|Au |10.707O45 90 fHf幅频特性相频特性 0 1 , o ；时uHAff第12页/共60页第十二页，共60页。几个几个(j )结结论论LLj1jffff 电路低频段的放大倍数需乘因子 当信号(xnho)频率等于fL或fH 时，放大倍数幅值约降到0.707倍， 而且产生45 的相移； 电路截止频率决定于电容所在回路的时间常数，即21L(H)f电路高频段的放大倍数需乘因子Hj11ff 频率响应(pn l xin yn)有幅频特性和相频特性两条曲线。第13页/共60页第十三页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图q 由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成(z chn);q 横轴 f 采用对数坐标 ;q 幅频特性的纵轴采用20lg|u|，单位是分贝(dB);q 相频特性的纵轴仍用表示。为简单起见，常用近似(jn s)折线代替实际曲线画出的波特图称为近似(jn s)波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。第14页/共60页第十四页，共60页。1. RC高通电路高通电路(dinl)的波特的波特图图四、四、 波特波特(b t)图图)(1lg20lg202LuffffA对数(du sh)幅频特性为：)arctan(90Lff)arctan(90)(1L2LLffffffAu2)(1lg20lg20LLffff相频特性不变：频率特性频率特性90 fO|Au |10.707O45 fLf第15页/共60页第十五页，共60页。1. RC高通电路高通电路(dinl)的波的波特图特图f 10 fL20lg|Au| = 0 dB 0 f = fL20lg|Au| = 20lg0.707 = 3 dB 45 f 0.1 fL20lg|Au| = 20lg f / fL 90 f / fLO20lg|Au |/dB20O45 90 400.1 1 100.1 1 10f / fL四、四、 波特波特(b t)图图+20 dB/十倍频十倍频2)(1lg20lg20lg20LLuffffA)arctan(90Lff 3 dB波特波特(b t)图图 45 /十倍频十倍频第16页/共60页第十六页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图高通电路高通电路(dinl)的波特图的波特图在 时，是一条斜率为 +20dB/十倍频程的直线；Lff 在 时，是一条0dB的水平直线；Lff 在近似分析中，可用折线(zhxin)化的近似波特图来描述放大电路的频率特性。在对数幅频特性中，由两段直线近似，以截止频率fL为拐点：在对数相频特性中，由三段直线近似，以截止频率0.1fL和10fL为拐点：当 时，用 的直线近似；Lff1 . 0 90当 时，用 的直线近似；Lff 10 0当 时， 随f 线性下降 ，当f=fL时 。 45LLfff101 . 0第17页/共60页第十七页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图)(11lg(20lg202HuffA对数(du sh)幅频特性为：)arctan(Hff2. RC低通电路低通电路(dinl)的波特图的波特图 )arctan()(11H2HffffAu2)(1lg20Hff相频特性不变：90 f0|Au |10.707045 fHf频率特性频率特性第18页/共60页第十八页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图2)(1lg20lg20HuffA)arctan(Hff2. RC低通电路低通电路(dinl)的波特的波特图图 f / fH020lg|Au |/dB20045 90 fH400.1 1 10 1000.1 1 10f / fH波特波特(b t)图图f 0.1 fH20lg|Au| = 0 dB 0 f = fH20lg|Au| = 20lg0.707 = 3 dB 45 f 10 fH20lg|Au| = 20lg f / fH 90 3 dB 20 dB/十倍频十倍频 45 /十倍频十倍频第19页/共60页第十九页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图低通电路低通电路(dinl)的波特图的波特图在 时，是一条斜率为 -20dB/十倍频程的直线；Hff 在对数幅频特性中，由两段直线(zhxin)近似，以截止频率fH为拐点：在 时，是一条0dB水平直线。Hff 在对数相频特性中，由三段直线近似，以截止频率0.1fH和10fH为拐点：当 时，用 的直线近似；Hff1 . 0 0当 时，用 的直线近似；Hff10 90当 时， 随f 线性下降 ，当 f = fL 时 。 45HHfff101 . 0第20页/共60页第二十页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图作幅频特性波特(b t)图的方法：1、横轴上标出0.1fL、fL 和 fH、10 fH 点，2、纵轴上标出-20dB点，3、点(0.1fL，-20dB) 与(fL，0dB) ， 点(10 fH，-20dB)与(fH，0dB) ，连线(lin xin)。特点：忽略了-3dB的误差，以fL、fH为拐点，得 “折线”一级RC电路幅频特性的斜率为20dB/十倍频第21页/共60页第二十一页，共60页。四、四、 波特波特(b t)图图作相频特性波特(b t)图的方法：1、横轴上标出0.1fL、fL、10fL点，在纵轴上标出00、+450、+900点，(0.1fL、 +900) (fL、 +450) (10fL、 00)连线(lin xin)。 2、横轴上标出0.1fH、fH、10 fH点，在纵轴上标出00、- 450、 - 900点， (0.1fH、 00) (fH、 - 450) (10fH、 - 900)连线。一级RC电路相频特性的最大相移为90第22页/共60页第二十二页，共60页。5.2 晶体管的高频晶体管的高频(o pn)等效模型等效模型一、晶体管的混合一、晶体管的混合(hnh)模型模型二、晶体管的频率二、晶体管的频率(pnl)参数参数第23页/共60页第二十三页，共60页。结构：由体电阻(dinz)(dinz)、结电阻(dinz)(dinz)、结电容组成。rbb：基区体电阻(dinz)rbe：发射结电阻(dinz)C：发射结电容re：发射区体电阻(dinz)rbc：集电结电阻(dinz)C：集电结电容rc：集电区体电阻(dinz)因多子浓度(nngd)高而阻值小因面积大而阻值小一、一、 晶体管的混合晶体管的混合模型模型-形状像，参数量纲各不相同第24页/共60页第二十四页，共60页。1.完整的混合模型(mxng)-忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系 gm为跨导，它不随信号(xnho)频率的变化而变。一、一、 晶体管的混合晶体管的混合(hnh)模型模型用 代替eb.mVg.bI第25页/共60页第二十五页，共60页。2. 简化(jinhu)的混合模型-忽略大电阻的分流 C连接了输入回路和输出回路，引入了反馈，信号传递有两个方向，使电路的分析复杂化。一、一、 晶体管的混合晶体管的混合(hnh)模型模型rbc很大，可以(ky)忽略。rce很大，也可以(ky)忽略。第26页/共60页第二十六页，共60页。 混合模型的单向(dn xin)化（即使信号单向(dn xin)传递）Lm)1 (CRgCCkkC1 一、一、 晶体管的混合晶体管的混合(hnh)模型模型见课本(kbn)227密勒电容第27页/共60页第二十七页，共60页。 晶体管简化(jinhu)的高频等效电路（混合模型）一、一、 晶体管的混合晶体管的混合(hnh)模型模型Lm)1 (CRgCC C C =C + C 第28页/共60页第二十八页，共60页。3. 混合(hnh)模型的主要参数一、一、 晶体管的混合晶体管的混合(hnh)模模型型EQTebIUr)1 (0bebmcIUgI0TEQebmUIrg0混合模型与h参数(cnsh)模型关系0为低频电流放大系数ebbbberrr又ebbebrIU低频时二者等效：第29页/共60页第二十九页，共60页。3. 混合(hnh)模型的主要参数TEQeb0m UIrg一、一、 晶体管的混合晶体管的混合(hnh)模模型型EQT0eb)1 (IUrCCC？可从手册查得、bbCrLm)1 (CRgC第30页/共60页第三十页，共60页。二、二、 晶体管的频率晶体管的频率(pnl)参数参数（P228） 1 0TTffff 时的频率为使。、)(obTCCfff共射截止频率共基截止频率特征频率)( 21ebCCrf可查手册(shuc)获取eb 2 21CfgCfrCTm第31页/共60页第三十一页，共60页。 5.3 场效应管的高频场效应管的高频(o pn)等效电路（略）等效电路（略）可与晶体管高频等效(dn xio)电流类比，简化、单向化变换。很大，可忽略其电流单向(dn xin)化变换极间电容CgsCgdCds数值/pF1101100.11dgLmgsgs)1 (CRgCC忽略d-s间等效电容第32页/共60页第三十二页，共60页。5.4 单管放大电路单管放大电路(dinl)的的频率响应频率响应二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的频电路的频率响应率响应三、频率响应的改善三、频率响应的改善(gishn)和增益和增益带宽积带宽积一、研究频率响应的方法一、研究频率响应的方法第33页/共60页第三十三页，共60页。1. 1. 三个频段三个频段(pn dun)(pn dun)的划分的划分（1 1）中频(zhngpn)(zhngpn)区( (段) )特点(tdin): Aus(tdin): Aus基本与 f f 无关 基本与 f 无关原因: : 不考虑电路中所有 电容的影响一、一、 研究频率响应的方法研究频率响应的方法第34页/共60页第三十四页，共60页。特点(tdin): Aus(tdin): Aus与f f有关(f(f下降AusAus下降) ) 也与频率f f有关原因: : 由于耦合电容以及(yj)(yj)旁路电容的存在，在频率比较低时电容所产生的容抗不可忽略, ,使输出电压下降，所以AusAus下降，也产生附加相移。一、一、 研究研究(ynji)频率响应的频率响应的方法方法（2 2）低频区( (段) )第35页/共60页第三十五页，共60页。特点(tdin): Aus(tdin): Aus与f f有关(f(f增大AusAus下降) ) 也与频率f f有关原因: : 由于晶体管的极间电容以及分布电容的存在，在频率比较高时电容所产生的容抗不可忽略, ,使输出电压下降，所以(suy)Aus(suy)Aus下降，也产生附加相移。一、一、 研究研究(ynji)频率响应的频率响应的方法方法（2 2）高频区( (段) )第36页/共60页第三十六页，共60页。2. 2. 研究研究(ynji)(ynji)方法方法 - -分频段(pn dun)(pn dun)用等效电路法分析计算（1 1）中频(zhngpn)(zhngpn)区用h h参数微变等效电路分析计算（2 2）低频区只考虑耦合电容（或旁路电容）的影响，画出等效电路, ,进行分析计算（3 3）高频区只考虑晶体管的极间电容的影响，画出等效电路，进行分析计算一、一、 研究频率响应的方法研究频率响应的方法第37页/共60页第三十七页，共60页。二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应适用于信号频率从0的交流等效电路中频段：C 短路， 开路。CC低频段：考虑C 的影响， 开路。高频段：考虑 的影响，C 短路。C将输入信号的频率范围(fnwi)分为三个频段考虑:第38页/共60页第三十八页，共60页。1. 1. 中频电压(diny)(diny)放大倍数AusmAusmsosmUUAu二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应sousmUUAbeLisiusmrRRRRA0)/(/ebbbbbebirrRrRR)(LRgrrRRRmbeebisiLcLRRR/ebmrg0eboiebsiUUUUUU第39页/共60页第三十九页，共60页。2. 2. 低频(dpn)(dpn)电压放大倍数AuslAusl二、单管共射放大电路二、单管共射放大电路(dinl)的频的频率响应率响应)()(beisicmbeebisismo rRRRRRgrrRRRACu空载(kn zi)时：第40页/共60页第四十页，共60页。 ooosoososlUUUUUUAuCRRARRRRRCRRAAuuu)(j11j1LcsmLcLcLcLsmosl2. 2. 低频低频(dpn)(dpn)电压放大倍数电压放大倍数AuslAusl二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应 j1LcLsmoRCRRAujffAffjffjAALusmLLusmusl111-下限(xixin)截止频率CRRfLCL)(21令课本P233第41页/共60页第四十一页，共60页。)arctan90(-180 )(1)(lg20lg20lg20L2smslffffffAALLuu jj LLsmslffffAAuu1)(20dB/十倍频2. 2. 低频低频(dpn)(dpn)电压放大倍数电压放大倍数Ausl-Ausl- -波特图波特图二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的频电路的频率响应率响应2)(1lg20lg20LLuffffA高通电路(dinl)的频率特性为：)arctan(90Lff课本P225第42页/共60页第四十二页，共60页。3. 3. 高频电压(diny)(diny)放大倍数AushAushbeebisiiebsissrrRRRUUUUUU二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应)/(bsbbebRRrrR)( j11R j1 LmbeebisiebosebsssoshRgCRCrrRRRUUUUUUUUAu课本(kbn)P234第43页/共60页第四十三页，共60页。 )/( 21 21 sbbbebHCRRrrRCf令)( j11R j1 LmbeebisiebosebsssoshRgCRCrrRRRUUUUUUUUAu二、单管共射放大电路二、单管共射放大电路(dinl)的频的频率响应率响应3. 3. 高频(o pn)(o pn)电压放大倍数AushAush-上限(shngxin)截止频率 j1HsmsoshffAUUAuu第44页/共60页第四十四页，共60页。 jHsmsoshffAUUAuu1H2Hmsharctan-180 )(1lg20lg20lg20ffffAAuu二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应3. 3. 高频电压放大(fngd)(fngd)倍数Aush-Aush-波特图2)(1lg20lg20HuffA低通电路(dinl)的频率特性为：)arctan(Hff课本P225第45页/共60页第四十五页，共60页。4. 4. 完整的电压放大(fngd)(fngd)倍数波特图 )j1)( j1 ()j1)(j1 ()j (HLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全频段放大倍数表达式：二、单管共射放大电路二、单管共射放大电路(dinl)的频的频率响应率响应 将前面(qin mian)画出的频率特性的中频段 、低频段和高频段画在同一张图上就得到了如图所示的完整的频率特性（波特）图 。 第46页/共60页第四十六页，共60页。H 由上图可看出，画单管共射放大电路(dinl)(dinl)的频率特性时，关键在于计算出下限和上限截止频率以及中频电压放大倍数AusmAusmLfHf和下限截止频率取决于低频(dpn)时输入回路的时间常数L 二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应上限截止频率取决于高频时输入回路的 时间常数 )()(21LHLHf第47页/共60页第四十七页，共60页。对数幅频特性：在 到 之间，是一条水平直线；在 时，是一条斜率为+20dB/十倍频程的直线；在 时，是一条斜率为-20dB/十倍频程的直线。LfHfusmusAAlg20lg20 Lff Hff 二、单管共射放大二、单管共射放大(fngd)电路的电路的频率响应频率响应-20dB/十倍频+20dB/十倍频在画波特图时，用折线代替实际(shj)的曲线是有一定误差的。对数幅频特性的最大误差为3dB。第48页/共60页第四十八页，共60页。相频特性：在 时， ； 在 时， ； HLfff1 . 010 180 Lff1 . 0 90 在 时， ；Hff10 270 二、单管共射放大电路二、单管共射放大电路(dinl)的频的频率响应率响应而在f从 到 以及从 到 的范围内，相频特性都是斜率为 十倍频程的直线。 /45-45/十倍频f Hf L第49页/共60页第四十九页，共60页。1.1.对放大电路频率响应对放大电路频率响应(pn l (pn l xin yn)xin yn)的要求的要求 只有在通频带的范围内,放大电路的电压放大倍数才有不变的幅值和相位，才能对不同频率的信号进行同样(tngyng)的放大；否则就要产生频率失真。频率响应的要求是： 放大电路的 要低于输入信号中的最低频率分量 要高于输入信号中的最高频率分量LfHf三、频率响应三、频率响应(pn l xin yn)的改善和增益带宽积的改善和增益带宽积第50页/共60页第五十页，共60页。2.2.对放大电路对放大电路(dinl)(dinl)频率响频率响应的改善应的改善（1）减小 改善低频响应 方法：加大C1、C2和Ce 或采用直接耦合Lf（2）增大 改善高频响应 方法： 减小 C 、 C （采用高频管）Hf（3）引入负反馈 3.3.放大电路的增益放大电路的增益(zngy)(zngy)带宽带宽积积三、频率响应三、频率响应(pn l xin yn)的改善和增益带宽积的改善和增益带宽积Hmbwm fAfAuu增益带宽积fbw fH fL fH第51页/共60页第五十一页，共60页。 )( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCC)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu若rbeRb、 Rs fL1， fH fH1，频带(pndi)变窄！第55页/共60页第五十五页，共60页。 ), 2 , 1( bbwHHLLnkffffffwkkk 对于(duy)N级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、 fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为fL、 fH，则一、多级放大一、多级放大(fngd)电路的频率响应的定电路的频率响应的定性分析性分析结论结论(jil(jiln)n) 放大电路的下限频率高于任一级下限频率 放大电路的上限频率低于任一级上限频率放大电路的级数越多，通频带越窄； 放大电路的通频带小于任一级通频带第56页/共60页第五十六页，共60页。 1 . 112LLnkkffnkknkukuAA11 lg20lg20由于求解使增益下降3dB的频率(pnl)，经修正，可得:1.1为修正(xizhng)系数二、截止频率的估算二、截止频率的估算( sun)（P241P243）nkkff12HH11 . 11 具有相同频率特性的两级放大电路，有：1H1L643. 0 , 56. 1HLffff具有相同频率特性的三级放大电路，有：1H1L52. 0 , 91. 1HLffff放大电路的级数愈多，通频带愈窄！第57页/共60页第五十七页，共60页。讨论讨论(toln)1. 该放大电路的耦合方式? 2. 该放大电路为几级放大电路?3. 在 f 104Hz 时，增益下降多少(dusho)？附加相移？4. 在 f 105Hz 时，附加相移？5. fH？6. 的表达式？uA 已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论(toln)下列问题：第58页/共60页第五十八页，共60页。讨论讨论(toln)第59页/共60页第五十九页，共60页。感谢您的观看(gunkn)！第60页/共60页第六十页，共60页。