模电频率响应课件.ppt

1半导体器件2放大器分析基础3频率响应4低频功率放大器5负反馈放大电路6集成运算放大器7集成运算放大器的应用8直流电源 电路仿真 课程内容 56学时3 5学分 第3章频率响应3 1频率响应概述3 2晶体管的频率参数3 3共射放大器的频率特性3 4多级放大电路的频率特性 3 1频率响应概述放大电路的频率响应是在输入正弦信号情况下 输出随频率连续变化的稳态响应 把增益的大小随频率变化的特性称为幅频特性 根据这个特性描绘的曲线即为幅频特性曲线 把增益的相角随频率变化的特性称为相频特性 根据这个特性描绘的曲线即为相频特性曲线 幅频特性和相频特性统称为频率特性 或叫做频率响应 ui uo ui uo 放大器 产生频率响应的原因是什么 在放大电路中 由于电抗元件 电容 电感 及半导体管极间电容等的存在 当输入信号幅度不变而频率发生改变时 电路的放大倍数会改变 且相移也会产生变化 I UR I R UC I 1 2 fC U f增大XC减小UC减小UR增大相角改变 电容 电阻UI关系大小 相位 XC 1 2 fC 1 C 电压滞后电流90 典型的幅频特性曲线 下限频率 上限频率 AUM 0 707AUM 半功率 AUMdB 0 707AUMdB 20 lgAUM 20lg 0 707AUM 20lg 2 0 5 10 lg2 3 010dB 带宽BW fH fL 1 什么叫频率响应 它包括哪两个部分 2 幅频特性曲线的自变量和函数分别是什么 3 相频特性曲线的自变量和函数分别是什么 研究频率响应的方法用复频域分析方法 统一处理稳态分析和瞬态分析 输入激励信号的拉氏变换 输出响应信号的拉氏变换 传递函数 标尺因子 零点 极点 利用传递函数A S 进行稳态分析时 令s j 则A s A j 它就是系统的频率特性 并据此画出系统的波特图 确定相应的上下限频率 虚数符号j为可看作旋转因子 表示逆时针旋转 超前 90 正弦稳态电路的相量法 在频率一定时 一个交流信号的全部信息可由其幅值和相角完全给出 因此交流放大电路中的各个参数均可以表示为复数形式 复数形式放大倍数的模与频率的关系 幅频特性复数形式放大倍数的幅角与频率的关系 相频特性 相量法举例之一RC高通电路 fL 0 1fL 0 01fL f AU dB 0 40 20 20dB 十倍频 10fL 100fL RC高通电路 fL 0 1fL 0 01fL 10fL 900 450 00 f 45度 十倍频 RC高通电路 频率越低 衰减越大 相移越大 RC高通电路 相量法举例之二RC低通电路 0 1fH fH 10fH 40 0 20 3dB 20dB 十倍频 AU dB 低通电路的幅频特性曲线 RC低通电路 f 0 1fH fH 10fH 00 450 900 45度 十倍频 低通电路的相频特性曲线 RC低通电路 f RC低通电路 频率越高 衰减越大 相移越大 波特图 采用对数坐标的幅频特性和相频特性图称为波特图 波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成横轴采用对数刻度lgf 幅频特性的纵轴采用20lg Au 表示 单位是分贝 dB 相频特性的纵轴仍用 表示 采用波特图的好处1 频率范围和放大倍数所表示的范围都大大增加 2 幅频特性曲线和相频特性曲线都可以用分段的直线段来近似表示 3 放大倍数用对数表示可以将相乘变为相加 取对数幅频特性后 高通电路可近似为以fL为拐点 频率低于fL后 每下降10倍 增益下降20dB 即对数幅频特性在此区间可等效成斜率为 20dB 十倍频 的直线 而高通电路的对数相频特性可近似为以0 1fL和10fL为拐点的三段直线近似 频率在两个拐点之间 每下降10倍 相移增加45 而在两个拐点之外的相移保持不变 fL 0 1fL 0 01fL f AV dB 0 20 40 3dB 20dB 十倍频 10fL 900 450 00 100fL 45度 十倍频 高通电路 f f 0 1fH fH 10fH 40 0 20 3dB 20dB 十倍频 00 900 AV dB 45度 十倍频 低通电路 450 取对数幅频特性后 低通电路可近似为以fH为拐点 频率高于fH后 每上升10倍 增益下降20dB 即对数幅频特性在此区间可等效成斜率为 20dB 十倍频 的直线 而低通电路的对数相频特性可近似为以0 1fH和10fH为拐点的三段直线近似 频率在两个拐点之间 每上升10倍 相移增加负45 而在两个拐点之外的相移保持不变 f 波特图 波特图由哪两部分组成 波特图横轴表示什么 单位是什么 波特图中幅频特性曲线的纵轴是什么 单位是什么 波特图中相频特性曲线的纵轴是什么 单位是什么 简单RC低通 高通电路传递函数的形式各是怎样的 它们对应的幅频特性 相频特性波特图又是怎样近似的 第3章频率响应3 1频率响应概述3 2晶体管的频率参数3 3共射放大器的频率特性3 4多级放大电路的频率特性 3 2晶体管的频率参数中频时 认为晶体管电流放大倍数基本不变 但频率升高后 三极管内部电容效应不再能忽略 其放大作用下降 电流放大系数是频率的函数 1 3 2晶体管的频率参数 共射截止频率 特征频率 特征频率是一个重要参数 超过特征频率后 晶体管电流放大倍数小于1 失去放大作用 晶体管的混合 型等效电路 P102图 发射结结电容 集电结结电容 频率升高后 晶体管内部电容不可忽略 这时再用h参数等效模型已不方便 要用混合 型等效模型 26 ICQ C gm 2 fT gm ICQ 26 手册提供 晶体管的混合 型等效电路 P102图 rce通常比RC大很多可忽略 放大状态时集电结反偏 rb c可认为断开集电结电容Cu用密勒定律等效到两侧中低频应用时 电容效应可忽略 26 ICQ gm ICQ 26 第3章频率响应3 1频率响应概述3 2晶体管的频率参数3 3共射放大器的频率特性3 4多级放大电路的频率特性 3 3共射放大电路的频率特性 混合 型等效电路 C1为微法数量级 C 皮法数量级 看C1能否视为短路 C 能否视为断路 高频等效时 C1短路 C 不可忽略中频应用时 C1短路 C 断路 忽略低频应用时 C1不可忽略 C 断路 忽略 中频等效电路 中频等效电路放大倍数与频率无关 低频等效电路 低频等效电路放大倍数表达式与RC高通电路一致 fL 0 1fL 0 01fL 10fL 900 1350 1800 f fL 0 1fL 0 01fL f 0 40 20 3dB 20dB 十倍频 10fL 100fL RC高通电路 20lg A Aum 高频等效电路 高频等效电路放大倍数表达式与RC低通电路一致 RC低通电路 0 1fH fH 10fH 40 0 20 3dB 20dB 十倍频 0 1fH fH 10fH 1800 2250 2700 45度 十倍频 20lg A Aum 完整的频率特性曲线将中频 低频和高频的放大倍数综合 可得共发射极基本放大电路在全部频率范围内放大倍数的表达式 图3 20共射极放大电路的幅频和相频特性曲线 作图关键点 例3 1 一个单管放大电路的频率特性 当f 5kHz 10kHz 20kHz 30kHz 40kHz时 电压放大倍数均为100 而当f 500kHz时 电压放大倍数降为10 试问上限频率为多大 解 当f 5kHz 40kHz时 电压放大倍数均为100 即中频放大倍数为100 Gm 20lg 100 40dB当f 500kHz时 电压放大倍数为10 G500k 20lg 10 20 恰好比40dB下降了20dB 单管放大电路的幅频特性在过fH后 f每上升10倍 增益下降20dB 即对数幅频特性此区间为 20dB 十倍频 的直线 所以fH 500kHz 10 50kHz 例某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为 1 中频电压放大倍数 上 下限转折频率各为多少 2 画出幅频波特图解 要按照标准形式变换表达式 可以使jf 5变为1 Ausm 100 fL 5Hz fH 10kHz 例某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为 1 中频电压放大倍数 上 下限转折频率各为多少 2 画出波特图解 要按照标准形式变换表达式 可以使jf 5变为1 Ausm 2 105 fH 5Hz fL 10kHz 变换表达式时注意要使变换后的fL fH P120题3 5已知某共射放大电路的波特图 试确定其放大倍数 高频转折频率 低频转折频率 写出的表达式 解 40dB 放大倍数为100倍 高频转折频率为2 5 105Hz 低频转折频率为10Hz 1Hz 放大倍数表达式 P113例3 3某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为 1 中频电压放大倍数为多少 2 转折频率为多少 解 解 1 中频电压放大倍数为100 2 三个转折频率 低频转折频率1为2Hz 低频转折频率2为 100Hz 高频转折频率为105Hz 带宽为100Hz到105Hz 一般方法 1 首先将表达式进行变换得到标准式变换时注意高低频转折频率 2 绘制幅频特性曲线 注意 1 确定转折频率 幅频特性的转折频率是使表达式中各因式实部与虚部系数相等时的频率值 对本例而言 其转折频率有三个 2 确定中频段 当转折频率差异较大时 取最低的fH和最高的fL之间的频段作为中频区段 3 计算各段的斜率 线段斜率主要由分母中的因子决定 3 绘制相频特性 绘制时注意 1 转折频率 相频特性的转折频率是与幅频特性转折频率相差10倍时的值 2 中频段 相频特性可近似为的直线段 3 计算其余各段的斜率 第3章频率响应3 1频率响应概述3 2晶体管的频率参数3 3共射放大器的频率特性3 4多级放大电路的频率特性 前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载 多级放大电路 2 32两级放大电路如图 50 rbe 1 3k 计算中频区电压放大倍数 Ri Rb1 Rb2 rbe 1 R4 RL1为R6和VT2的输入电阻并联 也可理解为VT2的输入电阻RL1 R6 rbe 1 R7 R8 RL R7 R8 假定两个完全一样的电路级连Au Au1 Au2 fLi fHi 100 70 7 10000 5000 7070 fL fH 84 1 当各级放大电路的转折频率相同或很接近时 多级放大电路的下限频率升高 上限频率降低 总通频带变窄 当各级放大电路的下限频率相同或很接近时 多级放大电路的下限频率按下式计算 当其中一级放大电路的下限频率远大于其它各级的下限频率时 则多级放大电路的下限频率近似等于该级放大电路的下限频率 当各级放大电路的上限频率相同或很接近时 多级放大电路的上限频率按下式计算 当其中一级放大电路的上限频率远小于其它各级的上限频率时 则多级放大电路的上限频率近似等于该级放大电路的上限频率 根据以上公式 可以得到 经过一级放大电路后 其转折频率之外增益 20dB 十倍频经过两级放大电路后 其转折频率之外增益变为 40dB 十倍频经过三级放大电路后 其转折频率之外增益变为 60dB 十倍频 多级放大电路 例3 5某电路的各级均为共发射极放大电路 其对数幅频特性如图 试确定其放大倍数 高频转折频率 低频转折频率 写出的表达式 解 80dB 放大倍数10000倍 低频转折频率为10Hz 高频电路有三级 且每一级转折频率都为2 105Hz 三级共射放大电路 三级都对高频有影响 但仅有一级对低频有影响 三级共射电路 中频段相移仍为180度 取负号 解得高频转折频率为105kHz 题3 6已知某电路的幅频特性如图 试问 1 该电路的耦合方式 2 该电路由几级放大电路组成 3 当频率为104和105Hz时 附加相移各为多少 解 1 低频端无衰减 直接耦合 2 高频端十倍频 60dB 三级放大 3 考虑相移104Hz处 225 3 675 720 675 45 105Hz处 270 3 810 720 810 90 补充 如何求该电路的带宽 题3 16已知一个两级放大电路各级电压放大倍数分别为 1 写出该放大电路的表达式 2 求出该电路的fL和fH各约为多少 3 画出该电路的波特图 1 写出该放大电路的表达式 2 求出该电路的fL和fH各约为多少 3 画出该电路的波特图