放大电路的频率响应.ppt

第五章放大电路的频率响应 5 1频率响应概述 5 2晶体管的高频等效模型 5 4单管放大电路的频率响应 5 5多级放大电路的频率响应 5 3场效应管的高频等效模型 5 6集成运放的频率响应和频率补偿 童诗白第三版 童诗白第三版 本章重点和考点 2 单管共射放大电路混合 模型等效电路图 频率响应的表达式及波特图绘制 1 晶体管 场效应管的混合 模型 本章教学时数 6学时 童诗白第三版 本章讨论的问题 1 为什么要讨论频率响应 如何制定一个RC网络的频率响应 如何画出频率响应曲线 2 晶体管与场效应管的h参数等效模型在高频下还适应吗 为什么 3 什么是放大电路的通频带 哪些因素影响通频带 如何确定放大电路的通频带 4 如果放大电路的频率响应 应该怎么办 5 对于放大电路 通频带愈宽愈好吗 6 为什么集成运放的通频带很窄 有办法展宽吗 5 1频率响应概述 5 1 1研究放大电路频率响应的必要性 由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容 所以电路的放大倍数为频率的函数 这种关系称为频率响应或频率特性 小信号等效模型只适用于低频信号的分析 本章将引入高频等效模型 并阐明放大电路的上限频率 下限频率和通频带的求解方法 以及频率响应的描述方法 一 高通电路 令 5 1 2频率响应的基本概念 fL称为下限截止频率 则有 放大电路的对数频率特性称为波特图 对数幅频特性 实际幅频特性曲线 图5 1 3 a 幅频特性 当f fL 高频 当f fL 低频 高通特性 且频率愈低 的值愈小 低频信号不能通过 最大误差为3dB 发生在f fL处 对数相频特性 图5 1 3 a 相频特性 误差 在低频段 高通电路产生0 90 的超前相移 二 RC低通电路的波特图 图5 1 2RC低通电路图 令 则 fH称为上限截止频率 图5 1 3 b 低通电路的波特图 对数幅频特性 对数相频特性 在高频段 低通电路产生0 90 的滞后相移 小结 1 电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数 即决定了fL和fH 2 当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降3dB 且产生 450或 450相移 3 近似分析中 可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性 5 2 1晶体管的混合 模型 一 完整的混合 模型 图5 2 1晶体管结构示意图及混合 模型 5 2晶体管的高频等效模型 a 晶体管的结构示意图 二 简化的混合 模型 通常情况下 rce远大于c e间所接的负载电阻 而rb c也远大于C 的容抗 因而可认为rce和rb c开路 图5 2 2混合 模型的简化 a 简化的混合 模型 C 跨接在输入与输出回路之间 电路分析变得相当复杂 常将C 等效在输入回路和输出回路 称为单向化 单向化靠等效变换实现 图5 2 2简化混合 模型的简化 b 单向化后的混合 模型 图5 2 2简化混合 模型的简化 C 忽略C 的混合 模型 因为C 且一般情况下 的容抗远大于集电极总负载电阻R 中的电流可忽略不计 得简化模型图 C 密勒定理 用两个电容来等效C 分别接在b e和c e两端 其中 电容值分别为 等效电容的求法 图5 2 2简化混合 模型的简化 b 单向化后的混合 模型 图5 2 2简化混合 模型的简化 C 忽略C 的混合 模型 三 混合 模型的主要参数 将混合 模型和简化的h参数等效模型相比较 它们的电阻参数完全相同 C 可从手册中查得Cob Cob与C 近似相等 C 数据可从手册中给定的特征频率fT和放大电路的Q点求解 电流放大系数的定义 对数幅频特性 fT 20lg 0 对数相频特性 0 1f 1 共射截止频率f 值下降到0 707 0 即 时的频率 当f f 时 值下降到中频时的70 左右 或对数幅频特性下降了3dB 几个频率的分析 2 特征频率fT 值降为1时的频率 f fT时 三极管失去放大作用 f fT时 由式 得 3 共基截止频率f 值下降为低频 0时的0 707时的频率 f 与f fT之间关系 因为 可得 说明 所以 1 f 比f 高很多 等于f 的 1 0 倍 2 f fT f 3 低频小功率管f 值约为几十至几百千赫 高频小功率管的fT约为几十至几百兆赫 5 3场效应管的高频等效模型 场效应管各极之间存在极间电容 其高频等效模型如下 一般情况下rgs和rds比外接电阻大得多 可认为是开路 Cgd可进行等效变化 使电路单向化 Cgd等效变化 g s之间的等效电容为 d s之间的等效电容为 由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多 故分析频率特性时可忽略的影响 图5 3 1场效应管的高频等效模型 b 简化模型 5 4单管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 中频段 各种电抗影响忽略 Au与f无关 低频段 隔直电容压降增大 Au降低 与电路中电阻构成RC高通电路 高频段 三极管极间电容并联在电路中 Au降低 而且 构成RC低通电路 一 中频电压放大倍数 耦合电容可认为交流短路 极间电容可视为交流断路 1 中频段等效电路 图5 4 2中频段等效电路 由图可得 2 中频电压放大倍数 已知 则 结论 中频电压放大倍数的表达式 与利用简化h参数等效电路的分析结果一致 二 低频电压放大倍数 考虑隔直电容的作用 其等效电路 图5 4 3低频等效电路 C1与输入电阻构成一个RC高通电路 式中Ri Rb rbe 动画avi 5 2 avi 输出电压 低频电压放大倍数 低频时间常数为 下限 3dB 频率为 则 对数幅频特性 对数相频特性 因电抗元件引起的相移为附加相移 低频段最大附加相移为 90度 三 高频电压放大倍数 考虑并联在极间电容的影响 其等效电路 图5 4 4高频等效电路 动画avi 5 3 avi 图5 4 4高频等效电路的简化 a 由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数 故可忽略输出回路的结电容 用戴维南定理简化图5 4 4 b C 与R 构成RC低通电路 高频时间常数 上限 3dB 频率为 的对数幅频特性和相频特性 高频段最大附加相移为 90度 四 波特图 绘制波特图步骤 1 根据电路参数计算 fL和fH 2 由三段直线构成幅频特性 中频段 对数幅值 20lg 低频段 f fL开始减小 作斜率为20dB 十倍频直线 高频段 f fH开始增加 作斜率为 20dB 十倍频直线 3 由五段直线构成相频特性 图5 4 5 幅频特性 相频特性 5 4 2单管共源放大电路的频率响应 图5 4 7单管共源放大电路及其等效电路 在中频段开路 C短路 中频电压放大倍数为 在高频段 C短路 考虑的影响 上限频率为 在低频段 开路 考虑C的影响 下限频率为 电压放大倍数 5 4 3放大电路频率响应的改善和增益带宽积 1 为了改善放大电路频率响应 应降低下限频率 放大电路可采用直接耦合方式 使得fL 0 2 为了改善单管放大电路的高频特性 应增大上限频率fH 问题 fH的提高与Ausm的增大是相互矛盾 3 增益带宽积 中频电压放大倍数与通频带的乘积 Ri Rb rbe 假设Rb Rs Rb rbe 1 gmRc Cb c Cb e 说明 式不很严格 但从中可以看出一个大概的趋势 即选定放大三极管后 rbb 和Cb c的值即被确定 增益带宽积就基本上确定 此时 若将放大倍数提高若干倍 则通频带也将几乎变窄同样的倍数 如愈得到一个通频带既宽 电压放大倍数又高的放大电路 首要的问题是选用rbb 和Cb c均小的高频三极管 场效应管共源放大电路的增益带宽积 自阅 复习 1 晶体管 场效应管的混合 模型 2 单管共射放大电路的频率响应 表达式 波特图的绘制 三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性 5 5多级放大电路的频率响应 5 5 1多级放大电路频率特性的定性分析 多级放大电路的电压放大倍数 对数幅频特性为 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有多个低通电路 在阻容耦合放大电路中 如有多个耦合电容或旁路电容 则在低频等效电路中就含有多个高通电路 多级放大电路的总相位移为 两级放大电路的波特图 图5 5 1 幅频特性 一级 二级 图5 5 1 相频特性 一级 二级 多级放大电路的通频带 总是比组成它的每一级的通频带为窄 5 5 2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算 在实际的多级放大电路中 当各放大级的时间常数相差悬殊时 可取其主要作用的那一级作为估算的依据即 若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率 则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率 同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率 则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率 例5 5 1已知某电路的各级均为共射放大电路 其对数幅频特性如图所示 求下限频率 上限频率和电压放大倍数 2 高频段只有一个拐点 斜率为 60dB 十倍频程 电路中应有三个电容 为三级放大电路 解 1 低频段只有一个拐点 说明影响低频特性的只有一个电容 故电路的下限频率为10Hz fH 0 52fH1 0 52 2 105 Hz 106KHz 3 电压放大倍数 例5 5 2分别求出如图所示Q点稳定电路中C1C2和Ce所确定的下限频率的表达式及电路上限频率表达式 解 交流等效电路 图5 5 3 a Q点稳定电路的交流等效电路 1 考虑C1对低频特性的影响 b C1所在回路的等效电路 2 考虑C2对低频特性的影响 3 考虑Ce对低频特性的影响 4 考虑结电容对高频特性的影响 e 结电容所在回路的等效电路 比较C1 C2 Ce所在回路的时间常数 1 2 e 当取C1 C2 Ce时 e将远小于 1 2 即fLe远大于fL1和fL2因此 fLe就约为电路的下限频率 5 6集成运放的频率响应和频率补偿 5 6 1集成运放的频率响应 集成运放有很好的低频特性 fL 0 集成运放直接耦合放大电路 集成运放高频特性较差 集成运放AOd很大 等效电容或很大 集成运放内部需接补偿电容 末加频率补偿集成运放的频率响应 图5 6 1末加频率补偿 fC 单位增益带宽 fO 附加相移为 1800对应的频率 集成运放常引入负反馈 容易产生自激振荡 自激振荡产生的条件 存在fO 且fO fC 如何消除自激振荡 图5 6 1末加频率补偿的集成运放的频率响应 5 6 2集成运放的频率补偿 频率补偿 在集成运放电路中接入不同的补偿电路 改变集成运放的频率响应 使f fO时 20lg A0d 1800 从而破坏产生自激振荡的条件 使电路稳定 稳定裕度 幅值裕度 相位裕度 一般要求Gm 10dB m 450 一 滞后补偿 在加入补偿电容后 使运放的幅频特性在大于0dB的频率范围内只存在一个拐点 并按 20dB 十倍频的斜率下降 即相当于一个RC回路的频率响应 其附加相移为 900 1 简单电容补偿 将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级电路中 使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低 以至增益隋频率始终按 20dB 十倍频的斜率下降 直至0dB 设某运放第二级放大电路输入端等效电容所在回路的时间常数最大 图5 6 4简单电容补偿 加C之前 加C之后 将电容C跨接在某级放大电路的输入端和输出端 则折合到输入端的等效电容C 是C的 Auk 倍 Auk 该级放大电路的电压放大倍数 2 密勒效应补偿 图5 6 5密勒效应补偿 滞后补偿的缺点 降低了上限频率 二 超前补偿 略