模拟电子线路放大器的频率特性精PPT课件

1、3.1 3.1 基本概念与分析方法3.1.1 基本概念1. 1.线性失真线性失真信号在放大过程中的失真可分为两种 一种是非线性失真，它是由于信号幅度过大，使晶体管工作在非线性部分所引起的，他有新的频率成分产生。 另一种失真是线性失真，它是信号通过线性时不变系统时由于各谐波分量的大小比例发生变化引起的频率失真或初始相位的延时不相等所引起的相位失真，他没有新的频率成分产生 二次谐波基波二 次 谐波基波iut（ a a ） 原 波形 二 次 谐波基波（ b b ） 频 率失真 iut（c c）相位失真iut合成后大小比例发生变化合成后初相位发生变化合成后（b）频率失真第1页/共34页线性系统不失真传

2、输的条件 一般地，放大器的放大倍数是频率的函数，即：)()()jeAjA（由于线性失真是信号通过线性系统时输出信号各谐波份量的大小比例与输入信号相比发生了变化，或输出信号相对于输入信号的各谐波份量的初始位置的延时不一致引起的，所以，线性系统不失真传输的条件是：（1 1）放大倍数与频率无关，既要求放大倍数的幅频特性是一常数，即：）放大倍数与频率无关，既要求放大倍数的幅频特性是一常数，即：A(A( )=)=常数常数（2 2）放大器对各频率份量的滞后时间t t0 0相同，即要求放大器的相频特性正比于角频率 ，即： ( ( )=)=t t0 0)(uAK00)(t)(0第2页/共34页2 2 放大器的

3、频率响应放大器的频率响应阻容耦合电路中，由于耦合电容、旁路电容和极间电容的影响，其频率特性一般近似地分为三个频段来分析。低频段中频段高频段)()(AmA2/mAlh中频段 管子极间电容可视为开路，管子的电路模型可用纯电阻电路模型来表示，耦合电容和旁路电容可视为短路。这时放大倍数几乎与频率没有关系而保持恒定。 低频段 管子极间电容可视为开路，耦合电容和旁路电容的容抗增大使得低频段的放大倍数下降 ，这时，放大器实际上是一个高通滤波器。 高频段 器件的极间电容的容抗变小，分流的作用增大，因而使放大倍数下降，这时，放大器实际上是一个低通滤波器。 放大电路的频率特性实际上是一个带通滤波器，其截止频率为通

4、频带lhBW第3页/共34页3.1.2 频率特性的分析方法分析频率特性的方法复频率法 在复频率法中电阻、电容和电感用复阻抗表示，在各频段的微变等效电路中得到增益的传输函数，进而得到频率特性。复频率所用数学工具是拉氏变换。 相量法 在相量法中电阻、电容和电感用阻抗表示，在各频段的微变等效电路上先建立放大电路的相量模型，然后求出各频段增益的频率特性 和 ，即可得到放大电路的整个频率特性。相量法所使用的数学工具是傅氏变换。)(jAuh)(jAul复频率法除了可以得到放大电路的频率特性外，还具有以下优点：第一，复频率法能够引出零极点概念，而这些零极点的分布能唯一地确定网络的频率特性；第二，零极点的分布

5、决定系统的稳定性，因此复频率法便于讨论放大器的频率稳定性；第三，零极点的分布能够决定网络的时域特性。第4页/共34页3.1.3 单时间常数RC电路的频率响应1. RCRC低通电路的频率响应低通电路的频率响应（电路理论中的稳态分析电路理论中的稳态分析）RCRC电路的电压增益（传递函数）：电路的电压增益（传递函数）：则11111ioH11/1/1)()()(CsRsCRsCsVsVsAV fs j2j 且令11H21CRf 又)/j(11HioHffVVAV 电压增益的幅值（模）电压增益的幅值（模）2HH)/(11ffAV （幅频响应幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角)/(arctgHHff

6、（相频响应相频响应）增益频率函数增益频率函数 研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。第5页/共34页最大误差 -3dB频率响应曲线描述频率响应曲线描述3.1.3 RCRC电路的电路的频率响频率响应应幅频响应2HH)/(11ffAV 时时，当当 Hff 1)/(112HH ffAVdB 01lg20lg20HH VVAA时时，当当 Hff ffffAV/)/(11H2HH )/lg(20lg20HHffAV 0分贝水平线斜率为 -20dB/十倍频程 的直线相频响应相频响应时时，当当 Hff 时时，当当 Hff )/(arctgHHff 0H 90H 时时，当当 Hff 45

7、H 时时，当当 100.1 HHfff 十十倍倍频频程程的的直直线线斜斜率率为为/45 1. RC低通电路的频率响应 VVAVVAioio 表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入因为所以第6页/共34页3.1.3 RCRC电路的电路的频率响频率响应应2. RC高通电路的频率响应RC高通电路的电压增益：22222ioH/1 /1)()()(CRsssCRRsVsVsAV 幅频响应2LL)/(11ffAV 相频响应)/(arctgLHff 输出超前输入第7页/共34页3.2 放大电路的频率分析放大电路的频率分析1. 1. 三极管的高频小信号建模2. 2. 共射极放大电路的高频响应3. 3. 共

8、基极放大电路的高频响应第8页/共34页1. 三极管的高频小信号建模模型的引出模型的引出 rbe-发射结电阻发射结电阻re归算到归算到基极回路的电阻基极回路的电阻 -发射结电容发射结电容Cbe-集电结电阻集电结电阻rbc -集电结电容集电结电容 Cbc rbb -基区的体电阻，基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。是假想的基区内的一个点。互导CECEEBCEBCmVVvivig 第9页/共34页1. 三极管的高频小信号建模模型简化模型简化bebm IVg 代代替替为什么用为什么用能反映频率对受控源的影响？能反映频率对受控源的影响？混合 型高频小信号模型 cecbrr和和忽忽略略 第10页/共3

9、4页 3.7.2 放大电放大电路频率路频率分析分析又因为又因为所以所以模型参数的获得模型参数的获得（与H参数的关系）1. 三极管的高频小信号建模低频时，混合低频时，混合 模型与模型与H参数模型等效参数模型等效ebbbbe rrrebbeb rIVbebmIVg 所以所以又又 rbe= rb + (1+ ) re ETb)1(IVr ETeb)1(IVr ebbebb rrrTmeb2 fgC 从手册中查出从手册中查出 TcbfC和和 TEebmVIrg TEebmVIrg 第11页/共34页 的的频率响应频率响应由H参数可知1. 三极管的高频小信号建模CEBCfeViih 即0bcce VII

10、 根据混合根据混合 模型得模型得cbebebmc1/j CVVgI )/1/1/(cbebebbeb CjCjrIV 低频时低频时ebm0 rg 所以所以)(j1/jcbebebcbmbc CCrCgII 当当cbm Cg 时，时，ebcbeb0)(j1 rCC 第12页/共34页共发射极截止频率 的的频率响应频率响应1. 三极管的高频小信号建模ebcbeb0)(j1 rCC 的幅频响应令ebcbeb)(21 rCCf 则20)/(1 ff f特征频率Tfebmcbebm0T2)(2 CgCCgff fffT共基极截止频率 fff时当第13页/共34页2. 共射极放大电路的高频响应 型高频等效

11、电路型高频等效电路等效电路第14页/共34页2. 共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路对节点 c 列KCL得电路简化 Rsbeb rCMRcc+- -+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesVeb Vbb reb eb Veb C0j )(cbebocoebm CVVRVVg cb C忽略 的分流得ebcmo VRgVcboebj )( cbCVVIC又因为称为密勒电容MCcbcmebMj )1(1cb CRgIVZC 则则表示表示若用若用个电容个电容之间存在一之间存在一和和相当于相当于 , , e b MC cbcmM)1( CRgC等效后断开了输入输出之间

12、的联系cboebj )( cbCVVIC其中第15页/共34页 Rcc+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesV eb Veb eb VCR+- -2. 共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路电路简化最后MebCCC ebbbs/)( rrRRsebbbsebsVrrRrV 第16页/共34页2. 共射极放大电路的高频响应高频响应高频响应 Rcc+- -V0+- -gmVbeVbeVbeVbeVbesV eb Veb eb VCR+- -MebCCC ebbbs/)( rrRRsebj11VRCV ebcmo VRgVsebbbsebsVrrRrV 由电路得)/

13、j(1H0soHffAVVAVV 电压增益频响又其中ebbbsebcm0 rrRrRgAVRCf 21H 低频增益上限频率第17页/共34页2. 共射极放大电路的高频响应增益增益-带宽积带宽积0VAcmRgebbbseb rrRr HfRC 21 ebbbsebcm rrRrRg )1()(2cmcbebbbscmRgCCrRRg 1)1(cbcmeb CRgC 2 /)(ebbbs rrRBJT 一旦确定，一旦确定，带宽增益积基本为常数带宽增益积基本为常数第18页/共34页例题 解：解：模型参数为模型参数为设共射放大电路在室温下运行，其参数为：设共射放大电路在室温下运行，其参数为：，1ksR

14、，pF5 . 000MHz41001mA1001kcbT0Cbbs CfIrR 。 k5cR试计算它的低频电压增益和上限频率。试计算它的低频电压增益和上限频率。 ebr mgTEVImV26mA1 S 038. 0 m0g S 038. 0001 k 6 . 2 ebCcbTm2 Cfg pF 8 .14 MCcbcm)1( CRgpF 7 .96 0VAcmRg ebbbseb rrRr51.133 C R)(bbs rReb/ r k 77. 0eb CMC pF 5 .111 Hf低频电压增益为低频电压增益为又因为又因为所以上限频率为所以上限频率为RC 21MHz 85. 1 0lg20

15、VA51.133lg20 dB 5 .42 第19页/共34页3. 共基极放大电路的高频响应 3.7.2 单级高单级高频响应频响应高频等效电路高频等效电路第20页/共34页3. 共基极放大电路的高频响应sIebm Vg)j/1/( ebebeb CrV 高频响应高频响应列 e 点的KCL0 oIebm Vg而所以电流增益为eb0m rg soIImeb00/j1)1/( gC meb0/j1 gC 其中 iVVVA0电压增益为 sscoRIRI0001 meb0/j11gCRRsc 其中 ebmH2 Cgf )/j(11H0ffRRsc Tf 特征频率 sRbb rcb C忽略第21页/共34

16、页3. 共基极放大电路的高频响应几个上限频率的比较几个上限频率的比较TebmHb2fCgf )1(/)(21 cbcmebebbbsHe CRgCrrRf 的上限频率ebcbeb)(21 rCCf 特征频率共基极上限频率 ff0T 共发射极上限频率THbHeffff 共基极电路频带最宽，无密勒电容第22页/共34页3.7.3 单极放大电路的低频响应1. 低频等效电路第23页/共34页3.7.3 单极放大电路的低频响应2. 低频响应低频响应eb1eb11)1(CCCCC iVVVA0L )/j(1)/j(1 L2 L1MLffffAAVV besMrRRALV)(21bes1L1rRCf )(2

17、1Lcb2L2RRCf )(j/11)(j/11Lcb2bes1besRRCrRCrRRL按图3.7.13参数计算Hz 129L1 fHz 7 .23L2 f中频增益中频增益当则L2L14 ff 下限频率取决于L1f即Hz 129L1L ff第24页/共34页3-2-4 放大电路频率特性分析举例例3-43-4 试分析下图所示电路的频率特性。已知 ， ， ， =50，C1 = 2uF，C2 = 10uF， ， ，khRRieLS1 kRC2kRRRBBB6/21fehpFCeb100pFCcb3100bbr1 1）中频段分析）中频段分析在中频区，所有电容的影响均可忽略不计，其中频等效电路为 由图

18、不难求出中频区的的电压放大倍数ieLfeisisiiosousmhRhRRRUUUUUUA式中857/21ieBBieBihRRhRR667/LCLRRR所以得 4 .-15usmA或 dBAusm75.23lg20iehSRbfeIhBRbICRLRoU第25页/共34页2 2） 低频段分析低频段分析在低频段，晶体管的结电容可视为开路，设CE容量很大，容抗很小，仍认为短路。其等效电路为 SRbfeIhBRbIiehCRLRoU1C2CSU这时C1和C2的短路时间常数分别为msChRRieBS75. 3)/1s1 （msCRRLC60)2s2 （相对应的低频段的两个极点为： 和 。2671lP

19、16.7l2P低频截止频率为 sradPll/2671或Hzlf5 .422/267所以低频段的频率特性近似为fjjfushA/5 .4214 .15)(第26页/共34页3 3）高频段分析）高频段分析在高频段，C1、C2和CE更是为短路，其单向化的高频等效电路为。 oUSRBRbbrbebrebUebmUgiCLRsU其中 1MebiCCCiC2MC这时和的开路时间常数分别是 sCrrRiebbbS7o1100.99)/) （sCRML122o2102其中 BSSRRR/)1 (1LmcbMRgCCebfemrhg/ebbebbrrrcbMCC2， ， ， ， 可见1hP是主导极点 。高频截

20、止频率为 sradPhh/1001. 171所以，高频段的频率特性为112105hP相对应的高频段的两个极点为 711001. 1hP和 6106 . 1/14 .15)(jfjfAuslMHzfh6 . 12/1001. 17或第27页/共34页放大器的整个频率特性曲线波特图为 -20dB/10倍频程20dB/10倍频程幅频特性波特图低频截止频率高频截止频率相频特性曲线101021031041051061072001027.3flg42.51.6 10690045000-450-900flg4.254251.6 1051.6 10710102103104105106107 ( )/0第28页

21、/共34页例3-53-5 一个结型场效应管放大器。已知IDSS =8mA，Vp = 4V，rds=20k，Cgd=1.5pF，Cds=5.5pF，试计算Aum、 和 。lfhf解 先进行静态分析。由结型场效应管的特性和图示电路可得2)1 (PGSQDSSDQVUIISDQGSQRIU解得 mAIDQ5 . 0VUGSQ3mSdudigGSQUuGSDm1所以1 1）在中频段）在中频段 22. 2)/(LDdsmumRRrgA2 2）在低频段）在低频段由于C1、C3为无穷大，故低频等效电路为oUiU1CDR2C3CLR6K 1M 5K 5K 0.1 F15V 第29页/共34页C2的时间常数为 22)/CRRrLDds （故可得其下限截止频率为HzCRRrfLDdsl176)/212 3 3）在高频段）在高频段 高频等效电路为 由于Ci与恒压源并联，所以对频率特性无影响。 在输出端，其密勒电容为 pFCRgCgdLmM17. 2)/11 (2其输出总电容为pFCCCMdso67. 72因此可得其高频截止频率为