模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)AnalogElectronicTechnologyFoundation 南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2015年7月 第四章放大電路的頻率響應(yīng) 4 1頻率響應(yīng)的一般概念 4 2單級放大電路的高頻響應(yīng) 4 3單管共發(fā)射極放大電路的頻率響應(yīng) 4 4單管共基極和共集電極放大電路的頻率響應(yīng) 4 5多級放大電路的頻率響應(yīng) 4 1頻率響應(yīng)的一般概念 一 研究頻率響應(yīng)的必要性二 單時間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng) 一 研究頻率響應(yīng)的必要性 電子電路中所遇到的信號往往頻率并不單一 而是具有一定的頻譜 由于放大電路中耦合電容 旁路電容 半導(dǎo)體器件極間電容的存在 使放大倍數(shù)為頻率的函數(shù) 即放大電路對不同頻率的信號具有不同的放大能力 在使用一個放大電路時應(yīng)了解其信號頻率的適用范圍 在設(shè)計放大電路時 應(yīng)滿足信號頻率的范圍要求 1 RC低通電路的頻率響應(yīng) 電路理論中的穩(wěn)態(tài)分析 RC電路的電壓增益 傳遞函數(shù) 則 且令 又 電壓增益的幅值 模 幅頻響應(yīng) 電壓增益的相角 相頻響應(yīng) 增益頻率函數(shù) 二 單時間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng) RC低通電路 頻率響應(yīng)曲線描述 1 當(dāng)f fH時 最大誤差 3dB 2 當(dāng)f fH時 RC低通道路的波特圖 信號頻率越低 輸出電壓越接近輸入電壓 2 RC高通電路的頻率響應(yīng) RC電路的電壓增益 高通電路 信號頻率越高 輸出電壓越接近輸入電壓 3 幾個結(jié)論 當(dāng)f fL時放大倍數(shù)幅值約降到0 707倍 相角超前45 頻率響應(yīng)有幅頻特性和相頻特性兩條曲線 當(dāng)f fH時放大倍數(shù)幅值約降到0 707倍 相角滯后45 截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù) 放大電路中的頻率參數(shù) 在低頻段 隨著信號頻率逐漸降低 耦合電容 旁路電容等的容抗增大 使動態(tài)信號損失 放大能力下降 高通電路 低通電路 在高頻段 隨著信號頻率逐漸升高 晶體管極間電容和分布電容 寄生電容等雜散電容的容抗減小 使動態(tài)信號損失 放大能力下降 下限頻率 上限頻率 結(jié)電容 4 2單級放大電路的高頻響應(yīng) 一 晶體管的混合 模型二 三極管的頻率參數(shù)三 場效應(yīng)管的高頻等效模型 1 混合 模型 形狀像 參數(shù)量綱各不相同 結(jié)構(gòu) 由體電阻 結(jié)電阻 結(jié)電容組成 rbb 基區(qū)體電阻rb e 發(fā)射結(jié)電阻C 發(fā)射結(jié)電容re 發(fā)射區(qū)體電阻rb c 集電結(jié)電阻C 集電結(jié)電容rc 集電區(qū)體電阻 因多子濃度高而阻值小 因面積大而阻值小 一 晶體管的混合 模型 混合 模型 忽略小電阻 考慮集電極電流的受控關(guān)系 gm為跨導(dǎo) 它不隨信號頻率的變化而變 為什么引入?yún)?shù)gm 因在放大區(qū)iC幾乎僅決定于iB而阻值大 因在放大區(qū)承受反向電壓而阻值大 1 模型的建立 由結(jié)構(gòu)而建立 形狀像 參數(shù)量綱各不相同 gm為跨導(dǎo) 它不隨信號頻率的變化而變 連接了輸入回路和輸出回路 2 混合 模型的單向化 使信號單向傳遞 等效變換后電流不變 3 晶體管簡化的高頻等效電路 電流放大倍數(shù)的頻率響應(yīng) 為什么短路 1 適于頻率從0至無窮大的表達(dá)式 2 電流放大倍數(shù)的頻率特性曲線 3 電流放大倍數(shù)的波特圖 采用對數(shù)坐標(biāo)系 采用對數(shù)坐標(biāo)系 橫軸為lgf 可開闊視野 縱軸為單位為 分貝 dB 使得 lgf 注意折線化曲線的誤差 20dB 十倍頻 折線化近似畫法 二 三極管的頻率參數(shù) 共射截止頻率 共基截止頻率 特征頻率 集電結(jié)電容 通過以上分析得出的結(jié)論 低頻段和高頻段放大倍數(shù)的表達(dá)式 截止頻率與時間常數(shù)的關(guān)系 波特圖及其折線畫法 C 的求法 討論一 1 若干個放大電路的放大倍數(shù)分別為1 10 102 103 104 105 它們的增益分別為多少 2 為什么波特圖開闊了視野 同樣長度的橫軸 在單位長度不變的情況下 采用對數(shù)坐標(biāo)后 最高頻率是原來的多少倍 討論二 電路如圖 已知各電阻阻值 靜態(tài)工作點合適 集電極電流ICQ 2mA 晶體管的rbb 200 Cob 5pF f 1MHz 試求解該電路中晶體管高頻等效模型中的各個參數(shù) 討論二 三 場效應(yīng)管的高頻等效電路 可與晶體管高頻等效電流類比 簡化 單向化變換 單向化變換 4 3單管共發(fā)射極放大電路的頻率響應(yīng) 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 中頻段 極間電容容抗很大 可視為開路 耦合電容和旁路電容的容抗很小 可視為短路 1 中頻電壓放大倍數(shù) 帶負(fù)載時 空載時 中頻段電壓增益可看成是常數(shù) 在一定的頻率范圍內(nèi) 電壓增益不會隨信號頻率的改變而變化 2 低頻電壓放大倍數(shù) 低頻段 極間電容容抗仍很大 可視為開路 耦合電容和旁路電容的容抗增大 不可視為短路 2 低頻電壓放大倍數(shù) 定量分析 C所在回路的時間常數(shù) 2 低頻電壓放大倍數(shù) 低頻段頻率響應(yīng)分析 中頻段 20dB 十倍頻 3 高頻電壓放大倍數(shù) 高頻段 極間電容會對高頻特性產(chǎn)生很大影響 不可視為開路 耦合電容和旁路電容的容抗很小 可視為短路 3 高頻電壓放大倍數(shù) 定量分析 3 高頻電壓放大倍數(shù) 高頻段頻率響應(yīng)分析 4 電壓放大倍數(shù)的波特圖 全頻段放大倍數(shù)表達(dá)式 中頻段 耦合電容和旁路電容視為短路 極間電容視為開路 在一定頻率范圍內(nèi)電壓增益為常數(shù) 低頻段 極間電容視為開路 但耦合電容和旁路電容不再視為短路 而是影響放大電路低頻特性的主要因素 可通過選用大的電容來增大回路的時間常數(shù)改善低頻特性或采用直接耦合放大電路 高頻段 極間電容Cb e Cb c是影響放大電路高頻特性的主要因素 且Rs rbb 都對高頻特性產(chǎn)生影響 要想獲得良好的高頻特性 增大上限截至頻率 增大帶寬 可降低時間常數(shù) 如選用較小的rbb Cb e Cb c Rs或選用較高特征頻率的BJT管等 5 帶寬增益積 定性分析 fbw fH fL fH 當(dāng)提高增益時 帶寬將變窄 反之 增益降低 帶寬將變寬 5 帶寬增益積 定量分析 若rbe Rb Rs Rb 則可以證明圖示電路的 對于大多數(shù)放大電路 增益提高 帶寬都將變窄 要想制作寬頻帶放大電路需用高頻管 必要時需采用共基電路 約為常量 根據(jù) 4 4單管共基極和共集電極放大電路的頻率響應(yīng) 1 共基極放大電路的高頻響應(yīng) 高頻等效電路 高頻響應(yīng) 特征頻率 其中 由于re很小 由于Cb c很小 fH2也很高 2 共集電極放大電路的上限頻率 1 多級放大電路的增益 前級的開路電壓是下級的信號源電壓 前級的輸出阻抗是下級的信號源阻抗 下級的輸入阻抗是前級的負(fù)載 4 5多級放大電路的頻率響應(yīng) 多級放大電路的頻率響應(yīng) 1 討論 一個兩級放大電路每一級 已考慮了它們的相互影響 的幅頻特性均如圖所示 0 643fH1 fL fL1 fH fH1 頻帶變窄 2 多級放大電路的頻率響應(yīng)與各級的關(guān)系 對于n級放大電路 若各級的下 上限頻率分別為fL1 fLn fH1 fHn 整個電路的下 上限頻率分別為fL fH 則 由于 求解使增益下降3dB的頻率 經(jīng)修正 可得 1 1為修正系數(shù) 討論一 1 信號頻率為0 時電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式 2 若所有的電容容量都相同 則下限頻率等于多少 時間常數(shù)分析 C2 Ce短路 開路 求出 C1 Ce短路 開路 求出 C1 C2短路 開路 求出 C1 C2 Ce短路 求出 若電容值均相等 則 e 1 2 討論一 電壓放大倍數(shù)分析 討論二 1 該放大電路為幾級放大電路 2 耦合方式 3 在f 104Hz時 增益下降多少 附加相移 4 在f 105Hz時 附加相移 5 畫出相頻特性曲線 6 fH 已知某放大電路的幅頻特性如圖所示 討論下列問題