放大电路的频率响应.ppt

4 双极结型三极管及放大电路基础,本章内容,4.1 BJT 4.2 基本共射极放大电路 4.3 放大电路的分析方法 4.4 放大电路静态工作点的稳定问题 4.5 共集电极放大电路和共基极放大电路 4.6 组合放大电路 4.7 放大电路的频率响应,4 双极结型三极管及放大电路基础,本章要求,1. 了解双极结型三极管 (BJT) 的结构、工作原理、温度对参数及特性的影响，掌握其符号、电流关系、特性曲 线、参数、使用和应用，三种工作状态 ( 区 ) 的条件、特点 和判断。,2. 掌握基本共射极放大电路的组成、工作原理、静态 分析和动态分析。 3. 熟悉放大电路的图解分析法、静态工作点对波形失真的影响，掌握基本共射极放大电路的动态分析、性能特 点和用途。,4. 了解温度对静态工作点的影响，熟悉稳定静态工作 点的措施，掌握基极分压式射极偏置放大电路的组成、工,4 双极结型三极管及放大电路基础,5. 掌握共集电极放大电路和共基极放大电路的组成、工作原理、静态分析、动态分析、性能特点和用途。 6. 熟悉组合放大电路的特点及分析方法、复合管的特 点和判断。,7. 了解放大电路的频率响应，幅度失真、相位失真、 频率失真、线性失真、产生频率响应的原因、上限频率、 下限频率、通频带。,作原理、静态分析、动态分析、性能特点和用途。,4 双极结型三极管及放大电路基础,重点难点,重点：双极结型三极管 (BJT) 的符号、电流关系、特 性曲线、参数、使用和应用；三种基本放大电路 ( 共射、 共集和共基 ) 的组成、工作原理、静态分析 ( 估算法 )、动态分析 ( 小信号模型分析法 ) 、性能特点和用途；稳定静态工作点的措施，基极分压式射极偏置电路的组成、工作原理、静态分析、动态分析、性能特点和用途。,难点：双极结型三极管(BJT)的工作原理和特性曲线, 放大电路的工作原理、静态分析 ( 图解分析法、估算法 ) 和 动态分析 ( 图解分析法、小信号模型分析法 )，放大电路的 频率响应。,4.7 放大电路的频率响应,本节内容,本节只作定性分析,4.7.B 产生频率响应的原因 1. 中频段频率响应 2. 低频段频率响应 3. 高频段频率响应 4. 产生频率响应的原因,4.7.A 频率响应的概念 1. 频率响应 2. 幅频响应和相频响应 3. 上限频率和下限频率 4. 通频带(带宽),4.7 放大电路的频率响应,4.7.C 线性失真 1. 幅度失真 2. 相位失真 3. 频率失真 4. 线性与非线性失真的区别,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数 1. BJT的高频小信号模型 2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 3. BJT的频率参数,4.7.D 放大电路的频率响应 1. 几个上限频率的比较 2. 扩展上限频率的方法,4.7 放大电路的频率响应,3. 增益-带宽积 4. 多级放大电路的频率响应,4.7.E 研究频率响应的必要性 为什么要研究频率响应？,4.7 放大电路的频率响应,本节要求,1. 熟悉频率响应的有关概念。 2. 熟悉产生频率响应的原因。 3. 熟悉线性失真的有关概念。,4. 了解BJT的高频小信号模型及频率参数 5. 熟悉基本、多级放大电路的频率响应 6. 了解研究频率响应的必要性,4.7.A 频率响应的概念,频率响应是什么？,1. 频率响应 2. 幅频响应和相频响应 3. 上限频率和下限频率 4. 通频带(带宽),由于存在电抗性元件 ( C、L )，其电抗随频率变化而变化,当输入信号频率过低或过高时，放大倍数会减小，同时产生超前或滞后的相移。因此放大电路对不同频率的输入信号的放大能力不同，其大小和相位随频率变化而变化。,4.7.A 频率响应的概念,1. 频率响应,频率响应 ( 频率特性 )：放大电路的电压放大倍数与正 弦输入信号的频率的函数关系。,一般来说，电压放大倍数是复数。,实际输入信号包含很多频率成分，具有一定的频率范 围，如音频信号为 20Hz 20kHz，视频信号为 0 4.5M Hz，调频(FM)广播信号为 88 108MHz。在放大电路中,中频区放大倍数 与信号频率无关。,2. 幅频响应和相频响应 (1) 幅频响应,中频区,4.7.A 频率响应的概念,低频区放大倍数 降低。,高频区放大倍数 降低。,低频区,高频区,呈现带通特性,4.7.A 频率响应的概念,(2) 相频响应,电压放大倍数的相位 与频率 f 的函数关系，即输出电压与输入电压之间相位差随频率变化而变化的规律。也 称为相频特性。, = ( f ),中频区相位与信 号频率无关。,低频区产生正的 (超前)附加相位移。,高频区产生负的 (滞后)附加相位移。,中频区,低 频 区,高 频 区,Po = V 2o /R = (V 2oM / 2) /R = PoM / 2，对应的两个点称为半功率点高(上)半功率点、低(下)半功率点。,4.7.A 频率响应的概念,3. 上限频率和下限频率,中频区,放大器放大的信号不同，最大容许值有所不同。声或光的功率变化不超过 一倍时，不会造成听觉或,视觉明显的变化。因此， 确定一个半功率点作为放 大倍数下降的最大容许值。,4.7.A 频率响应的概念,4. 通频带 (带宽),高频区,低频区,上限频率 f H 和下限频率 f L 之差。,BW = f H f L f H,上限频率 f H 和下限频率 f L(通频带)反映了放大电路对不同频率信号的适应能力。,在低频区：,4.7.A 频率响应的概念,微波接力通信设备中的中频放大器，在信号占据的频 率范围70MHz6MHz内，放大倍数的幅值变化只容许 百分之几，相频特性容许的时延差不得超过1nS。,例如：音频放大电路 的下限频率fL=20Hz，上 限频率f H =20kHz，则通频带BW =f H-f L=20kHz -20Hz=19.980kHzf H =20kHz。,不同信号的放大电路 对上限频率fH和下限频率 fL(通频带)的要求不同。,需要放大的输入 信号的频率成分为100Hz 10kHz，那么放大电路 的通频带应如何选择？,4.7.A 频率响应的概念,例1,4.7.B 产生频率响应的原因,产生频率响应有哪些原因？,1. 中频段频率响应 2. 低频段频率响应 3. 高频段频率响应 4. 产生频率响应的原因,阻容耦合放大电路由于存在耦合电容、旁路电容及三极管的结电容、接线的分布电容等，其容抗随频率变化，信号频率不同时，放大电路的输出电压相对于输入电压的幅值和相位将发生变化，因此放大电路对不同频率的输入信号的放大能力不同，其大小和相位随频率变化而变化。,4.7.B 产生频率响应的原因,耦合电容、旁路电容很大(F)，对中频和高频容抗很小，可看作短路；对低频容抗较大，不能看作短路。,极间电容、分布电容很小(pF)，对中频和低频容抗很大，可看作开路；对高频容抗较小，不能看作开路。,4.7.B 产生频率响应的原因,放大电路全频段等效电路,4.7.B 产生频率响应的原因,1. 中频段频率响应,耦合电容 和旁路电容较 大, 对中频段 信号的容抗很 小，视作短路。,三极管极 间电容和导线 分布电容很小, 对中频段信号 的容抗很大, 视作开路。,4.7.B 产生频率响应的原因,交流通路,小信号等效电路,中频段电容不影响交 流信号传送，放大电路的 放大倍数与信号频率无关 (前面讨论的在中频段)。,4.7.B 产生频率响应的原因,2. 低频段频率响应,极间电容 和分布电容容 抗比中频段还 大，视作开路。,耦合电容 和旁路电容对 低频段信号的 容抗较大，不 能视作短路。,交流通路：,等效电路：,4.7.B 产生频率响应的原因,耦合电容 C b1 和旁路电容 C e 的 容抗较大，产生分 压，使三极管输入 端的电压 Vbe 比输,在低频段放大倍数降低和相位移超前的主要原因是耦 合电容和发射极旁路电容分压的影响。,入信号Vi 要小，Ib 和Ic跟着减小；耦 合电容 Cb2 产生分 压，使输出电压Vo 减小，故放大倍数降低，并使vo产生超前的相位移。,4.7.B 产生频率响应的原因,3. 高频段频率响应,耦合电容 和旁路电容的 容抗比中频段 还小，视作短 路。,极间电容 和分布电容的 容抗比中频段 小，不能视作 开路。,等效电路：,4.7.B 产生频率响应的原因,在高频段极 间电容和分布电 容的容抗减小， 产生分流，使动,在高频段放大倍数降低和相位移滞后的主要原因是三 极管的极间电容和接线的分布电容分流、三极管的电流放大系数下降的影响。,态信号损失并产 生滞后的相位移。 高频时三极管的 电流放大系数 也下降(见4.7.2)，使输出电压减小也产生滞后的相位移。,4.7.B 产生频率响应的原因,4. 产生频率响应的原因,4.7.C 频率失真,频率失真是什么？,1. 幅度失真 2. 相位失真 3. 频率失真 4. 线性与非线性失真的区别,4.7.C 频率失真,1. 幅度失真,放大电路的幅频特性 破坏了输入信号各分量间 的相对幅度关系，对输入,设输入信号由基波和 二次谐波组成，基波放大倍数大些，波形如右图。,基波,二次谐波,输入信号,基波,输出信号,二次谐波,信号的不同频率成分放大 倍数不一样，幅频特性偏 离中频值，使输出信号波 形产生变形。,4.7.C 频率失真,2. 相位失真,放大电路的相频特性 破坏了输入信号各分量间 的相对相位关系，对输入,设输入信号由基波和 二次谐波组成，二次谐波 相位滞后些，波形如右图。,信号的不同频率成分相位 移 (延迟时间) 不一样，相 频特性偏离中频值，使输 出信号波形产生变形。,放大电路的频率特性 表示对不同频率信号的传 输特性，当输入信号为含 有多个频率分量的非正弦,4.7.C 频率失真,3. 频率失真,幅度失真和相位失真几乎同时发生，都与放大电路的频率特性有关，故合称为频率失真。,信号时，若频率超出通频 带范围，非理想的频率特 性使输出信号波形失真。,幅度失真和相位失真都是由于线性电抗元件引起的，又称为线性失真。,线性失真和非线性失真 都会导致输出信号波形失真。,4.7.C 频率失真,4. 线性与非线性失真的区别,线性失真是由线性电抗 元件引起的，不产生输入信 号中没有的频率分量。非线 性失真是由非线性元件引起 的，必然产生新的频率分量。,设vi=Vim1 Sin1t +Vim2 Sin2t,线性失真：vo=Av1Vim1 Sin1t +Av2Vim2 Sin2t,非线性失真：vo=A1(Vim1 Sin1t)2 +Av2Vim2 Sin2t =A1V 2im1(1-Cos21t )/2 +Av2Vim2 Sin2t,若放大电路通频带(如200Hz15kHz)比 输入信号频率范围窄(如2 0 Hz20 kHz )，那么输 出信号将发生什么变化？,4.7.C 频率失真,例2,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,1. BJT的高频小信号模型 2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 3. BJT的频率参数,高频时三极管的高频小信号模型是怎样的？,rc集电区体电阻, 很 小，几，忽略。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,1. BJT的高频小信号模型 (1) 模型的引出,4.3.2节讨论的H参数小信号模型是低频小信号模型，高频时需要考虑结电容的影响 。,rbb基区体电阻，约 几十几百。,b 基区内假想的点,c 集电区内假想的点,e 发射区内假想的点,rbc集电结反偏电阻，,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,re发射结正偏电阻， re=VT/IEQ=26mA/IEQ,Cbc集电结电容，几 十几百pF。,Cbe发射结电容，几 十pF。,re发射区体电阻，很 小，几，忽略。,很大，约100k10M。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,(2)高频小信号模型(混合模型),rbcrbc100k 10M。,rbe发射结电阻re 折算到基极回路的电阻。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,(3) 简化模型,高频时集电结反偏 电阻rbc集电结电容 容抗1/Cbc，忽略rbc。,输出电阻rce负 载电阻RL，忽略rce。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得 (1) 混合低频模型,低频时，忽略集电 结电容Cbc和发射结电 容Cbe，视作开路。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,(2)元件参数值的获得,低频时，混合模型与H参数模型等价，可从H参数模型得到混合模型一些参数。,基区体电阻rbb 查手册，rbb=几十几百。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,发射结电阻re折算到基极回路的电阻rbe,0为低频时的，元件手册所给的就是0。,0反映了三极管内部对流经rbe的电流的放大作用。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,互导(跨导)gm,gm是与频率无关的0与rbe之比，本身也与频率无关。,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,集电结电容Cbc,查手册的Cob(接成 共基且射极开路时集 基极间的结电容)。,CbcCob,发射结电容Cbe,查手册的 fT(特征 频率，=1时的频率)。,见P164式(4.7.21c),4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,3. BJT的频率参数 (1)共射极截止频率f,(2)特征频率fT,=1时的频率,时的频率,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,(3)共基极截止频率f,f(10)fffT,时的频率,f fT f,(4)三个频率参数的关系,三极管按共基极截止频率f分低频管和高频管：,f 3Mz，低频管,f 3Mz，高频管,4.7.D 放大电路的频率响应,基本、多级放大电路的频率响应是怎样的？,1. 几个上限频率的比较 2. 扩展上限频率的方法 3. 增益-带宽积 4. 多级放大电路的频率响应,4.7.D 放大电路的频率响应,1. 几个上限频率的比较 (1) 的共射极截止频率,(3) 共射电路上限频率,(4) 共基电路上限频率,(2) 特征频率,4.7.D 放大电路的频率响应,忽略了高次项，1.1、0.91为修正系数。,(5) 共集电路上限频率,4.7.D 放大电路的频率响应,三种基本电路中，共集、共基电路频带比共射电路宽得多，fHc (几百MHz)fHb (几百MHz)fHe (几MHz)。,4.7.D 放大电路的频率响应,2. 扩展通频带的方法 (1) 改善低频响应, 选用截止频率fT高的晶体管。 采用合适的信号源，充分发挥管子的高频性能。 共基电路采用电流源，共射、共集电路采用电压源激励。, 增大耦合电容及回路电阻 (作用有限)。 采用直接耦合 (此时fL=0)。,(2)改善高频响应,4.7.D 放大电路的频率响应,3. 增益-带宽积,以共射电路为例。,增益-带宽积不是频率的函数。当管子和电路参数确定后，带宽增益积基本为一个常数。,增益和带宽是矛盾，增益增大多少倍，带宽就变窄多 少倍。常把增益-带宽积作为放大电路的重要性能指标。,时两级的增益为 ，即 两级带宽小于单级带宽。,单级的上下 限频率fH1、fL1 处每级的增益为 ，此,4.7.D 放大电路的频率响应,4. 多级放大电路的频率响应,多级放大电路的通频带比组成它的任何一级的通频带 都要窄。,以增益和频带均相同的两级放大电路为例。,单级,两级,fHfH1,fLfL1,f或时，每级Av都下降，总Av下降得更快。,4.7.E 研究频率响应的必要性,为什么要研究