《晶体管的频率响应》PPT课件.ppt

刘开华 2019/8/7,电子线路基础,2,第三章、放大器的频率特性,3.1 线性失真及其分析方法 3.2 单级放大器的频率响应 3.3 多级放大器的频率响应 3.4 放大器的阶跃响应,3,3.1线性失真及其分析方法,3.1.1 线性失真,3.1.2 分析方法,4,由于放大电路中存在电抗元件(电容、电感等）， 所以在放大含有丰富频率成分的信号（如语音信号、 脉冲信号等）时，导致输出信号不能重现输入信号 的波形，这种在线性系统中产生的失真称为线性失真。,3.1.1 线性失真,1. 基本概念,丰富频率成分的信号,电路中有电抗元件,输出畸变,线性失真,5,1. 基本概念,例31：RC电路如图所示，当输入信号为周期为1ms的方波时，画出输出电压波形。,6,1. 基本概念,对输入信号做傅立 叶分解，可见输入信 号中包含丰富的频率 成分。,由于电容C对于不同频率呈现不同容抗，从而， 使输出波形产生了失真。,由于RC电路是线性电路，可以用叠加原理，将 输入信号的各个频率分量分别作用于RC电路，最后 在输出端求和。,7,3.1.1 线性失真,幅度失真：(与振幅频率特性有关),放大器对输入信号的不同频率分量的放大倍数大 小不同，使输出信号各个频率分量的振幅相对比例关 系发生了变化，从而导致输出波形失真。,2. 线性失真的分类,例32：,8,2. 线性失真的分类,输入信号由基波、二次谐波和三次谐波组成,输入信号谐波振幅比为10:6:2 输出信号谐波振幅比为10:3:0.5 因此出现失真。,9,2. 线性失真的分类,放大器对输入信号的不同频率分量滞后 时间不相等而造成的输出波形失真。,相位失真：(与相位频率特性有关),10,3. 不失真传输的条件,即,从幅频特性上看放大倍数的幅值与频率无关。,（1）不产生幅度失真的条件,11,3. 不失真传输的条件,从相频特性上看放大器对各频率分量滞后时间相同,即,滞后时间,（2）不产生相位失真的条件,12,3. 不失真传输的条件,实际上要完全满足这两个不失真条件是困难 的，也是没有必要的。因为对于要放大的输入信 号，其主要频率成份总是集中在一定的频率范围 内，通常称为信号带宽。,对于幅度失真：只要放大器的通频带略大于信 号带宽，就可以忽略幅度失真。 对于相位失真：在话音通信中的中的放大器， 可以不考虑相位失真，但在图像通信中的放大器， 则必须考虑。,13,3.1.1 线性失真,4. 和非线性失真的区别, 产生原因不同： 线性失真是含有电抗元件的线性电路产生的失真。,非线性失真是含有非线性元件（如晶 体管、场效应管等）的非线性电路产生的 失真。,14,4. 和非线性失真的区别,线性失真的大小与输入信号幅度的大小无关，而非线性失真的大小与输入信号幅度大小密切相关（对于放大电路还与Q点位置有关）。, 产生结果不同： 线性失真不会产生新的频率成分; 非线性失真产生了输入信号所没有的新的频率成分。,15,例33：某放大器中频电压增益 ，下限频率 ，上限频率 ，最大不失真输出电压为10V，当输入 信号为下列情况时，判断输出信号是否失真？如是，为何种 失真？,3.1.1 线性失真,16,该信号包含两个频率信号:1.5KHz和50KHz，均处于中频 区，故不会产生线性失真；但1.5KHz分量的信号幅度远大于 线性区允许的输入电压幅度最大值，即信号的最大值为10V， 故会产生严重的非线性失真。,解：,该信号为单频信号，虽然该信号 ，放大倍数会 降低，但输出仍为单频正弦波，不存在线性失真；线性区允 许的输入电压的最大幅值为10/10=1V,故不会产生非线性失真。,17,该信号的两个频率分量：1.5KHz处于中频区, 150KHz 处于高频区，故会产生线性失真。 两个信号分量的幅度均小于允许的输入电压最大值，叠 加之后的信号在t为 处有最大值0.1V，故不产生非 线性失真。,该信号的两个频率分量：3Hz处于低频区，1.5KHz处于 中频区，故产生线性失真； 叠加后的信号在t为 s有最大值为0.2V，故不产生 非线性失真。,18,3.1.1 线性失真,（1）线性失真的概念 （2）分类 （3）不失真传输条件 （4）和非线性失真的区别,小结,19,3.1.2 分析方法,1.基本知识：,设系统的传输函数为,将上式因式分解为,式中nm,20,1.基本知识,在式,中,分子等于零的根,零点,分母等于零的根,极点,因此一个线性系统的传输函数完全由零极 点和比例因子决定，据此可分析线性系统的频 率响应。,21,1.基本知识,将放大器的增益函数表示为,可将上式改成标准形式，即,22,对于正弦输入信号，增益函数可表示为,1.基本知识,由上述的增益函数表达式可以得到用分贝表示 的增益函数的幅值与频率的关系(幅频特性）;也可 得到增益函数的相位和频率的关系（相频特性）。,23,1.基本知识,幅频特性：用分贝表示模值。,相频特性：,24,1.基本知识,幅频特性波特图：横坐标用频率对数刻度， 纵坐标用dB表示，描述幅频特性曲线。,相频特性波特图：横坐标用频率对数刻度， 纵坐标用度(或弧度)表示，描述相频特性曲线。,扩展频率范围的视野,25,2.渐近线波特图法,（1）一阶零点,设一阶零点表达式为：,幅频特性,当 时，幅频特性是斜率为 20dB/十倍频的斜线。,当 时，幅频特性为0dB；,这样用两线段构成的折线就称为渐近线波特图，它与实际曲线 存在一定的误差,26,2.渐近线波特图法,（1）一阶零点,相频特性为,27,2.渐近线波特图法,（2）一阶极点,设一阶极点表达式为：,幅频特性,当 时，幅频特性是 斜率为20dB/十倍频的斜线。,实际上，在 处的模值为3.01dB。,当 时，幅频特性为0dB；,28,2.渐近线波特图法,（2）一阶极点,相频特性为,29,2.渐近线波特图法,幅频特性为,相频特性为,（3）原点处的零点,表达式为,可以看出，零点,则,30,2.渐近线波特图法,幅频特性为,相频特性为,（3）原点处的极点,表达式为,可以看出，极点,则,31,2.渐近线波特图法,试画出其幅频特性和相频特性渐近线波特图。,例34：已知某放大器的增益函数为,解：,由增益函数，可以看出,两个一阶极点,32,2.渐近线波特图法,（1）将增益函数写成标准形式,幅频特性为：,，则,相频特性为：,33,2.渐近线波特图法,z1,p1,p2,（2）画出单个零极点的渐近线幅频特性波特图,34,2.渐近线波特图法,z1,p1,p2,（2）画出单个零极点的渐近线相频特性波特图,35,3.计算机辅助分析法,MATLAB语言,由于渐近线波特图分析法存在误差，因此 为了精确分析放大器增益函数的幅频特性和相 频特性曲线，可以根据增益函数的表达式，用 MATLAB语言写程序。,例35：已知某放大器的增益函数为,用MATLAB编程画出其幅频特性和相频特性渐 近线波特图。,36,3.计算机辅助分析法,解：变换增益函数形式为,程序如下： g=tf(0 10e+8 0,1 100100 10e+7); bode(g,1,10e+7)；,g为增益函数的分子分母的系数。 bode是MATLAB中绘制系统波特图的命令。,37,3.计算机辅助分析法,MATLAB语言,程序运行后得到的波特图如下图所示。,38,3.2 单级放大器的频率响应,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,3.2.2 频率响应分析,3.2.3 晶体管的高频参数,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,39,3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路,1. 混合型等效电路,考虑到PN结的 电容效应及晶体三 极管的性质，可得 到晶体三极管的物 理模拟电路。,体电阻：,基区体电阻 通常为10100,40,1. 混合型等效电路,：折合到基极支路的 发射结正向电阻,:表示输出电压对输 入电压的反馈作用， 约为几M,:表示输出电压对输 出电流的影响，约 为10-1000k,:集电结电容，约为 210pF,:发射结电容，约为 100500pF,41,1. 混合型等效电路,对应于H参数等效电路,有：,42,1. 混合型等效电路,忽略发射区和集电区体电阻，将三极管接 成共射接法，可得到晶体管的高频混等效电 路。,由等效电路中 可看出，输入和输 出被 连到 一起，使得分析复 杂化，因此需要简 化等效电路。,由于 约为几M， 通常满足 所以可以将 断开。,43,2密勒定理,密勒定理是用来对电路进行单向化的。,（1）原理电路图,节点0为参考节点 节点1为输入节点 节点2为输出节点 Z为跨接在输入和 输出之间的阻抗,目的：将阻抗Z等效到输入回路和输出回路中。,44,2密勒定理,（2）简化分析,令：,则：,即：,同理,45,2密勒定理,（3）等效电路,根据上述分析，可以将跨接阻抗等效为一折合 到输入端的并联阻抗Z1和输出端的并联阻抗Z2。,46,例3-6 如图电路，用密勒定理将图(a)电路等效为图(b)， 求图(b)中的C1、C2为何值。,解：,47,例3-7 某放大器的交流通路如图所示，试用密勒定理将Rf 等效。,解：,等效原理图如图(b)所示。这里 ，由于是CC电 路， 小于1，但接近于1。因此 是一个绝对值很大 的负电阻，通常满足 与 的并联值 近似为 ，即 可视为开路。,48,3简化混合型等效电路,根据密勒定理的结论，可得,其中：,输入端为be端，输出端 为ce端； 的容抗即为跨 接在输入输出间的阻抗。,49,并且其容抗和rce一般均 远大于交流负载电阻 ， 因此可忽略不计。,3简化混合型等效电路,将 等效到输入和输出端，得到等效电路如图所示。,得到简化混合型 等效电路如图。,简化混合型等效电路也称为单向化模型。,50,3.2.2 频率响应分析,定性分析：,由于放大器在实际应用中要放大具有丰富频率成分的信号， 考虑到电路中的电抗性元件对不同频率成分的响应不同，因此 在分析放大器的频率响应时应充分考虑电路中的每个电抗元 件在不同频率区域内的不同影响。,图示电路为电容耦合共射电路,输入、输出耦合电容:,旁路电容：,三极管极间电容：,在分析频率响应时，采用分频区分析法，即划分成 低频、中频和高频三个不同的区域进行分析。,通常，C1、C2和Ce的容量较大(以 F为单位)，而 的容量较 小(以pF为单位),51,1.中频区频率响应分析,特点：所有电容的影响均可忽略不计。,中频区等效电路如下:,在中频区，由于 的容量大，即容抗小， 因此可以视为短路；而极间电容容量小，即容抗大， 因此可以视为开路。,52,1.中频区频率响应分析,中频区源电压放大倍数：,下标m表示中频区电压放大倍数,其中：,可见，中频区电压放大倍数是一个与频率无关的常数。,因此，其幅频特性为一条水平线，幅值(dB)为 对于共射电路，其相频特性为 的一条水平直线。,53,2.低频区频率响应分析,特点：考虑C1,C2,Ce的作用,根据容抗的计算公式， ，由于频率降低， 极间电容更可被视为开路，而耦合电容和旁路电容的容 抗增大，不能再视为短路。,低频区等效电路如下:,多数情况下，射极旁 路电容Ce的容量很大，因 此其容抗很小，所以即使在 低频区仍将其视为短路。,分别位于输入回路和输出回路中，由于 输入回路和输出回路之间仅有地线连接，按照电路 中的理论，可以将输入回路和输出回路分开考虑。,54,2.低频区频率响应分析,低频区源电压放大倍数：,55,2.低频区频率响应分析,式中：,根据回路时间常数的概念，即,输入回路时间常数,输出回路时间常数,可见，只要算出有电容的回路的时间常数，即可 可计算由该电容所确定的下限角频率。,当输入为正弦信号时：,放大器总的下限角频率 （见本章第3节分析）,56,2.低频区频率响应分析,例39：,画出低频区的幅频特性和相频特性。,解：,根据原点处零点和一阶 极点的渐近线波特图画法， 即可得到低频区的幅频特性 和相频特性。,57,2.低频区频率响应分析,例3-9：,低频区的幅频特性和相频特性如下图所示。,幅频特性,相频特性,58,3.高频区频率响应分析,特点：考虑电容 的作用。,根据容抗的计算公式， ，由于频率升高， 极间电容的容抗减小，不可被视为开路，而耦合电容和 旁路电容的容抗减小，更可视为短路。,利用简化的混模型画出的高频区等效电路如下:,为了简化分析，将由 和信号源构成的电路 做戴维南等效。,59,3.高频区频率响应分析,高频区源电压放大倍数：,当输入为正弦信号时,式中：,输入回路时间常数为,60,3.高频区频率响应分析,例310：,画出高频区的幅频特性和相频特性。,解：,61,3.高频区频率响应分析,例3-10：,高频区的幅频特性和相频特性如下图所示。,幅频特性,相频特性,62,4.完整的幅频特性和相频特性曲线,将三个区域的幅频特性和相频特性曲线组合在一起，即 可以得到完整的幅频特性和相频特性曲线.,（1）幅频特性,称为下限频率,称为上限频率,称为通频带,在放大信号时，通常要求通频带略大于 信号带宽，以避免使输出信号出现幅度失真。,63,4.完整的幅频特性和相频特性曲线,（2）相频特性,以中频区相移为参考时，低频区相位超前中 频区，即附加相移为正，其值为+90；而高频区 相位滞后中频区，即附加相移为负，其值为-90。,64,计算机辅助分析法,WORKBENCH软件,对于具体的放大电路，可以利用WORKBENCH 仿真工具获取放大器的幅频特性和相频特性波特图。,例311：分析如下放大电路的幅频和相频特性。,65,计算机辅助分析法,对于上图的放大电路来说，其仿真幅频特 性波特图和相频特性波特图如下所示。,66,5.电容耦合共集放大电路,电容耦合共集放大电路的频率特性要优于共射放大电路， 表现为其上限频率高于共射放大电路。,电路图,高频等效电路,67,5.电容耦合共集放大电路,电路特点：,该电路没有密勒倍增效应；,电路的高频特性，即上限频率是由回路的时间常数决定的，时间常数越小，则上限频率越高。,共集放大电路的电压放大倍 数近似为1。, 折合到输入端的电容 远小于它本身，即输入回路 时常数很小；,若考虑负载电容 的影响 （包括输出电容），则由于 共集电路的 很小，即输出 回路时间常数小，所以高频特性好。,68,5.电容耦合共集放大电路,电路如下图所示。设放大器的上限频率由CL决定，Cbc 和Cbe的影响可忽略不计。求开关S分别接A端和B端时的 表达式。,例3-12：,解:,接到A端时，CE组态,接到B端时，CC组态,注意：当 ， （与Rb无关）。,显然，在考虑负载电容时，CC组态的上 限频率要高于CE组态。,69,6. 电容耦合共基放大电路,电路图,高频等效电路,70,6. 电容耦合共基放大电路,电路特点：,若忽略 的影响，则 不存在密勒倍增效应， 其中， 比共射接法 小得多，且共基输入电阻小， 故输入回路时间常数小；,若考虑负载电容 的影响，则由于共基电路和共射电路的输出电阻相同，所以输出回路时间常数也相同，因此由负载电容所引起的上限频率相同。,71,7.组合电路,相对于共射放大电路而言，为了展宽放大器的通频带，可以采用组合电路的方式。,主要有两种方式：共射共基电路,共射共集电路。,（1）CE-CB电路,1.共基电路的输入电阻很小， 第一级 密勒电容大大减小， 从而使共射电路的上限频率大 大提高。,2.两级级联后的上限频率取 决于第一级共射电路的上限 频率。,72,7.组合电路,（2）CE-CC电路,适用于容性负载；,对于容性负载的共 射放大器的上限频率很低， 但如果容性负载作为共集 放大器的负载，则由于其 输出电阻很小， 的影响 将大大减小；,两级级联后的上限频率取决于第一级共射电路(无 ） 的上限频率。,73,3.2.3 晶体管的高频参数,低频时，是一个实数，但随着频率的升高，将是 个复数，并且的模值会随频率的升高而下降。,定义：,当的模值下降到低频数值 的0.707倍时的频率， 称为晶体管共射截止频率，记为,1.共射截止频率,根据定义，需要求出高频时和频率之间的关系式。根据 的定义（共射短路电流放大系数），其等效电路如下,74,1共射截止频率,由的模值可看出：,75,2特征频率,定义：,显见，特征频率远大于共射截止频率。,76,3共基截止频率,利用和的关系，可以得到,为了保证实际电路在高频时仍有较大的电流放大 系数，必须选择晶体管的特征频率为,77,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,1.场效应管的高频等效电路：,类似于晶体三极管的高频等效电路，需要考虑场效应管 极间电容的影响。,（1）JFET高频等效电路,（2）MOSFET高频等效电路,（3）MOSFET高频等效电路 (衬源短路）,78,例3-13 一JFET放大器如下图所示。已知IDSS=8mA，UGS(off)=-4V rds=20k,Cgd=1.5pF,Cds=5.5pF，试计算Aum、fL以及fH，并画出渐近线波特图。,分析：计算中频电压放大倍数需要 求出跨导gm,因此需要做静态分析； 计算下限频率需要低频等效电路， 并找到有电容的回路，计算该回路 的时间常数；计算上限频率需要高 频等效电路，并找到有电容的回路， 计算该回路的时间常数。,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,79,解（1） 静态分析 由JFET的特性和电路图可得：,（2）中频电压放大倍数,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,80,（3）下限频率,低频等效电路,有电容的回路是输出回路，计算出该 回路的时间常数，下限角频率就是时 间常数的倒数。,在低频区，极间电容可看为开路，耦合电容 不能再视为 短路，必须予以考虑，但在本题中， ，因此只考虑 。,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,81,在高频区等效电路中，Cgd将输出回路和输入回路连在一起， 增加了分析难度，因此要用密勒定理对其进行单向化。,（3）上限频率,由于输入为恒压源，所以输入回路的 时间常数为零，即 对高频特性没有影 响，故只考虑输出回路时间常数。,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,82,3.2.4 场效应管放大器的频率响应,（4）幅频特性和相频特性曲线,83,3.3 多级放大器的频率响应,3.3.1 幅频特性和相频特性,3.3.2 多级放大器的通频带,84,3.3.1幅频特性和相频特性,（1）多级放大器框图,（2）多级放大器幅频特性,多级放大器的放大倍数是各级放大倍数的乘积,所以，其幅频特性为：,85,3.3.1幅频特性和相频特性,（3）多级放大器相频特性,结论：根据幅频特性和相频特性的表达式，可以看出在绘制 多级放大器的幅频特性和相频特性曲线时，只需要将各级的特性 曲线在同一坐标系下叠加即可。,（4）定性分析,例3-14：将两个具有同样特性的放大电路串连起来，绘制其幅频特性和相频特性。,由图看出，叠加后 两级放大器的下限频率 fL提高了，而上限频率fH 下降了，导致通频带fBW变 窄了。,86,3.3.2.多级放大器的通频带,设放大器的低频电压增益函数与中频电压放大倍数之比的表达式为：,对于正弦输入：,87,3.2.2.多级放大器的通频带,设放大器的高频增益函数与中频电压放大倍数之比为：,88,例3-15：,一多级放大器的电压增益函数为,求：中频电压增益、上限频率fH和下限频率fL。,解：,Au(s)都趋于零，这说明Au(s)是一个全频段增益函数表 达式，在低频段有两个极点(-10,-100)，两个零点(0,-2)； 在高频区有两个极点 ，令,将Au(s)表达式中s从低频因子(s+2)、(s+10)、(s+