[工学]模电频率响应ppt课件

1、1 半导体器件半导体器件 2 放大器分析根底放大器分析根底3 频率呼应频率呼应4 低频功率放大器低频功率放大器5 负反响放大电路负反响放大电路6 集成运算放大器集成运算放大器7 集成运算放大器的运用集成运算放大器的运用8 直流电源直流电源* 电路仿真电路仿真课程内容课程内容 56学时学时 3.5学分学分第第3章章 频率呼应频率呼应3.1 频率呼应概述频率呼应概述3.2 晶体管的频率参数晶体管的频率参数3.3 共射放大器的频率特性共射放大器的频率特性3.4 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性3.1 频率呼应概述频率呼应概述放大电路的频率呼应是在输入正弦信号情放大电路的频率呼应是在输入正

2、弦信号情况下，输出随频率延续变化的稳态呼应。况下，输出随频率延续变化的稳态呼应。把增益的大小随频率变化的特性称为幅频把增益的大小随频率变化的特性称为幅频特性，根据这个特性描画的曲线即为幅频特性，根据这个特性描画的曲线即为幅频特性曲线；把增益的相角随频率变化的特特性曲线；把增益的相角随频率变化的特性称为相频特性，根据这个特性描画的曲性称为相频特性，根据这个特性描画的曲线即为相频特性曲线。幅频特性和相频特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，或叫做频率呼应。性统称为频率特性，或叫做频率呼应。uiuouiuo放大器放大器产生频率呼应的缘由是什么？产生频率呼应的缘由是什么？在放大电路中

3、，由于电抗元件电容、电感在放大电路中，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动时，电路的放号幅度不变而频率发生改动时，电路的放大倍数会改动，且相移也会产生变化。大倍数会改动，且相移也会产生变化。IUR=I*RUC=I*1(2f C)Uf 增大增大XC减小减小UC减小减小UR增大增大相角改动相角改动电容、电阻电容、电阻UI关系关系大小、相位大小、相位XC=1/(2f C) = 1/(C)电压滞后电流电压滞后电流90典型的幅频特性曲线典型的幅频特性曲线下限频率下限频率上限频上限频率率AUM0.707AUM半功率半功率AU

4、MdB-0.707AUMdB=20*lgAUM-20lg(0.707AUM)=20lg20.5= 10*lg2 = 3.010dB带宽带宽BW= fH - fL 1、什么叫频率呼应，它包括哪两、什么叫频率呼应，它包括哪两个部分？个部分？ 2、幅频特性曲线的自变量和函数、幅频特性曲线的自变量和函数分别是什么？分别是什么？ 3、相频特性曲线的自变量和函数、相频特性曲线的自变量和函数分别是什么？分别是什么？ 研讨频率呼应的方法研讨频率呼应的方法用复频域分析方法，一致处置稳态分析和瞬态分析用复频域分析方法，一致处置稳态分析和瞬态分析011011)()()(bsasabsbsbsXsYsAnnnnmmm

5、m输入鼓励信号的拉氏变换输入鼓励信号的拉氏变换输出呼应信号的拉氏变换输出呼应信号的拉氏变换传送传送函数函数)()()()()(21210nmpspspszszszsHsA标尺标尺因子因子零点零点极点极点利用传送函数利用传送函数A(S) 进展稳态分析时，令进展稳态分析时，令s=j，那么，那么A(s) =A(j)，它就是系统的频率特性，并据此画出系统的波，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。特图，确定相应的上下限频率。 jjjjzeeIUIeUeIUZiuiu)(222212 21CLRXRZfLjLjXfCjCjXLC abtgbaAjbaUUAAio22虚数符号

6、虚数符号j为可看作旋转因子，为可看作旋转因子，表示逆时针旋转超前表示逆时针旋转超前90正弦稳态电路的相量法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方式。复数方式放大倍数的模与频率复数方式放大倍数的模与频率的关系的关系幅频特性幅频特性复数方式放大倍数的幅角与频复数方式放大倍数的幅角与频率的关系率的关系相频特性相频特性RCjCjRRUUAU1111)()()(ioRCL1令ffjjALLU1111)(相频特性幅频特性ffffffALLLUarctanarctan90)(11)(2相量法举例之一相量法举例之一RC

7、高通电路高通电路；用分贝表示dB0)(UA21)()(ULAffb时，当)dB(1lg20)(lg202ffALU十倍频反映到对数坐标为的下降按比例下降。随，即时，当dB20)()()(fAffAffcULUL幅频特性211)(ffALUfL0.1fL0.01fLfAU/dB0-40-2020dB/20dB/十倍频十倍频10fL 100fL.1)()(ULAffa时，当；用分贝表示dB3)(UARC高通电路高通电路ffjjALLU1111)(相频特性ffLarctan)(；时，当o0)(10)(Lffa；时，当o45)()(Lffbo90)(1 . 0)(时，当LffcfL0.1fL0.01f

8、L10fL90045000f.4545度度/ /十倍频十倍频RC高通电路：频率越低，高通电路：频率越低，衰减越大，相移越大衰减越大，相移越大RC高通电路高通电路ffjjALLU1111)(fL0.1fL0.01fLfAU/dB0-40-2020dB/20dB/十倍频十倍频10fL 100fL.RCjCjRCjUUAU1111)()()(ioRCH1令HHUffjjA1111)(相频特性幅频特性HHUffffAarctan)(11)(2相量法举例之二相量法举例之二RC低通电路低通电路0.1fHfH10fH-40 0-20-3dB-20dB/-20dB/十倍频十倍频.AU/dB 低通电路的幅频特性

9、曲线dB1lg20)(lg202HUffA；时，当dB0)(1 .0)(UHAffa；时，当dB3)()(UHAffb；时，当dB20)(10)(UHAffcRC低通电路低通电路；时，当dB40)(100)(UHAffdfHHUffjjA1111)(0.1fHfH10fH00-450-900.-45-45度度/ /十倍频十倍频 低通电路的相频特性曲线Hffarctan)(；时，当o0)(1 .0)(Hffa；时，当o45)()(Hffbo90)(10)(时，当HffcRC低通电路低通电路fHHUffjjA1111)(RC低通电路：频率越高，低通电路：频率越高，衰减越大，相移越大衰减越大，相移越

10、大波特图波特图 采用对数坐标的幅频特性和相频特性图采用对数坐标的幅频特性和相频特性图称为波特图。称为波特图。 波特图由对数幅频特性和对数相频特性波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成两部分组成 横轴采用对数刻度横轴采用对数刻度lgf，幅频特性的纵，幅频特性的纵轴采用轴采用20lg|Au|表示，单位是分贝表示，单位是分贝(dB);相频特性的纵轴仍用相频特性的纵轴仍用表示。表示。采用波特图的益处采用波特图的益处1、频率范围和放大倍数所表示的范围都大大、频率范围和放大倍数所表示的范围都大大添加。添加。2、幅频特性曲线和相频特性曲线都可以用分、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

11、表示。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。、放大倍数用对数表示可以将相乘变为相加。AU0.010.03160.10.3160.70711.4143.161031.610020lgAU-40-30-20-10-3.003.010203040 取对数幅频特性后，高通取对数幅频特性后，高通电路可近似为以电路可近似为以fL为拐点，为拐点，频率低于频率低于fL后，每下降后，每下降10倍，增益下降倍，增益下降20dB，即对，即对数幅频特性在此区间可等数幅频特性在此区间可等效成斜率为效成斜率为(20dB十倍十倍频频)的直线。的直线。 而高通电路的对数相频特而高通电路的对数相频特性

12、可近似为以性可近似为以0.1fL和和10fL为拐点的三段直线近似，为拐点的三段直线近似，频率在两个拐点之间，每频率在两个拐点之间，每下降下降10倍，相移添加倍，相移添加45，而在两个拐点之外的相移而在两个拐点之外的相移坚持不变。坚持不变。fL0.1fL0.01fLfAV/dB0-20-40-3dB20dB/20dB/十倍频十倍频10fL90045000100fL.4545度度/ /十倍频十倍频高通电路高通电路ffjjALLU1111)(ff0.1fHfH10fH-40 0-20.-3dB-20dB/-20dB/十倍频十倍频.00-900.AV/dB-45-45度度/ /十倍频十倍频低通电路低通

13、电路-450 取对数幅频特性后，低通电取对数幅频特性后，低通电路可近似为以路可近似为以fH为拐点，频为拐点，频率高于率高于fH后，每上升后，每上升10倍，倍，增益下降增益下降20dB，即对数幅，即对数幅频特性在此区间可等效成斜频特性在此区间可等效成斜率为率为(-20dB十倍频十倍频)的直的直线。线。 而低通电路的对数相频特性而低通电路的对数相频特性可近似为以可近似为以0.1fH和和10fH为为拐点的三段直线近似，频率拐点的三段直线近似，频率在两个拐点之间，每上升在两个拐点之间，每上升10倍，相移添加负倍，相移添加负45，而在，而在两个拐点之外的相移坚持不两个拐点之外的相移坚持不变。变。fHHU

14、ffjjA1111)(波特图波特图 波特图由哪两部分组成？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，单位波特图中幅频特性曲线的纵轴是什么，单位是什么？是什么？ 波特图中相频特性曲线的纵轴是什么，单位波特图中相频特性曲线的纵轴是什么，单位是什么？是什么？ 简单简单RC低通、高通电路传送函数的方式各是低通、高通电路传送函数的方式各是怎样的？它们对应的幅频特性、相频特性波怎样的？它们对应的幅频特性、相频特性波特图又是怎样近似的？特图又是怎样近似的？第第3章章 频率呼应频率呼应3.1 频率呼应概述频率呼应概述3.2 晶体

15、管的频率参数晶体管的频率参数3.3 共射放大器的频率特性共射放大器的频率特性3.4 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性 ffj 1020)(1 ff ffarctan 3.2 晶体管的频率参数晶体管的频率参数 中频时，以为晶体管电流放大倍数根本中频时，以为晶体管电流放大倍数根本不变，但频率升高后，三极管内部电容效不变，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大系数是频率的函数 ffj 1020)(1 ff ffarctan ffT0 =13.2 晶体管的频率参数晶体管的频率参数共射截共射截止频率止频率特征

16、特征频率频率特征频率是一个重要参数，超越特征频率后，特征频率是一个重要参数，超越特征频率后，晶体管电流放大倍数小于晶体管电流放大倍数小于1，失去放大作用。，失去放大作用。晶体管的混合晶体管的混合型等效电路型等效电路P102图图发射结结电容发射结结电容集电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，这时再用频率升高后，晶体管内部电容不可忽略，这时再用h参数参数等效模型已不方便，要用混合等效模型已不方便，要用混合型等效模型。型等效模型。26*/ICQC=gm/2fTgm=ICQ/26手册提供手册提供晶体管的混合晶体管的混合型等效电路型等效电路P102图图rce通常比通常比RC大很多可忽

17、略，大很多可忽略，放大形状时集电结反偏，放大形状时集电结反偏，rbc可以为断开可以为断开集电结电容集电结电容Cu用密勒定律等效到两侧用密勒定律等效到两侧中低频运用时，电容效应可忽略中低频运用时，电容效应可忽略26*/ICQgm=ICQ/26第第3章章 频率呼应频率呼应3.1 频率呼应概述频率呼应概述3.2 晶体管的频率参数晶体管的频率参数3.3 共射放大器的频率特性共射放大器的频率特性3.4 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性3.3 共射放大电路的频率特性共射放大电路的频率特性混合混合型等效电路型等效电路C1C1为微法数量级，为微法数量级，C C皮法数量级；皮法数量级；看看C1C1能

18、否视为短路，能否视为短路，C C能否视为断路。能否视为断路。高频等效时，高频等效时，C1C1短路，短路，C C不可忽略不可忽略中频运用时，中频运用时， C1 C1短路，短路，C C断路，忽略断路，忽略低频运用时，低频运用时， C1 C1不可忽略，不可忽略，C C断路，忽略断路，忽略中频等效电路中频等效电路cebmoRUgU iiebbbebebpUUrrrU sisiiUrRrU scmisiscmebbbebisioURpgrRrURgrrrrRrU cmisisousmRpgrRrUUA中频等效电路放大中频等效电路放大倍数与频率无关倍数与频率无关低频等效电路低频等效电路ffjAAlusmu

19、sl 111)(21CrRfisl 低频等效电路放大低频等效电路放大倍数表达式与倍数表达式与RC高高通电路一致通电路一致fL0.1fL0.01fL10fL-900-0-1800f.fL0.1fL0.01fLf0-40-20-3dB20dB/20dB/十倍频十倍频10fL 100fL.RC高通电路高通电路20lg(A/Aum)高频等效电路高频等效电路husmushffjAA 112121 RCfhh 高频等效电路放大高频等效电路放大倍数表达式与倍数表达式与RC低低通电路一致通电路一致RC低通电路低通电路0.1fHfH10fH-40 0-20-3dB-20dB/-20dB/十倍频十倍频0.1fHf

20、H10fH-1800-2250-2700.-45-45度度/ /十倍频十倍频20lg(A/Aum)完好的频率特性曲线完好的频率特性曲线将中频、低频和高频的放大倍数综合，可得共将中频、低频和高频的放大倍数综合，可得共发射极根本放大电路在全部频率范围内放大倍发射极根本放大电路在全部频率范围内放大倍数的表达式数的表达式 图图3-20 共射极共射极放大电放大电路的幅路的幅频和相频和相频特性频特性曲线曲线 作图关键点作图关键点)1)(1 (hlusmusffjffjAA【例【例3-1】一个单管放大电路的频率特性，当】一个单管放大电路的频率特性，当f =5kHz、10kHz、20kHz、30kHz、40k

21、Hz时，电压放大倍数均为时，电压放大倍数均为100，而当而当f 500kHz时，电压放大倍数降为时，电压放大倍数降为10。试问上限频率为。试问上限频率为多大？多大？解：当解：当f =5kHz40kHz时，电压放大倍数均为时，电压放大倍数均为100，即中频放，即中频放大倍数为大倍数为100，Gm=20lg(100)=40dB当当f 500kHz时，电压放大倍数为时，电压放大倍数为10，G500k=20lg(10)=20，恰好比恰好比40dB下降了下降了20dB。单管放大电路的幅频特性在过单管放大电路的幅频特性在过fH后，后，f每上升每上升10倍，增益下降倍，增益下降20dB，即对数幅频特性此区间

22、为，即对数幅频特性此区间为-20dB/十倍频的直线。十倍频的直线。所以所以fH= 500kHz/10= 50kHz。例例 某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为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、下限转机频率各为多少中频电压放大倍数、上、下限转机频率各为多少?2画出幅频波特图画出幅频波特图解：要按照规范方式变换表达式，可以使解：要按照规范方式变换表达式，可以使jf /5变为变为1。)101 ()51 (204fjfjjfAu)101 ()51 (100)101 ()51 (100)101 ()51 (5520444fjfjfjjffjfjjfjfjfAu)1)(1 (

23、hlusmusffjffjAAAusm=100，fL=5Hz，fH=10kHz例例 某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为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、下限转机频率各为多少中频电压放大倍数、上、下限转机频率各为多少?2画出波特图画出波特图解：要按照规范方式变换表达式，可以使解：要按照规范方式变换表达式，可以使jf /5变为变为1。)101 ()51 (204fjfjjfAu)101 ()51 (10210)101 ()51 (102045444fjfjjffjfjjfjfAu)1)(1 (hlusmusffjffjAAAusm=2*105，fH=5Hz，fL=1

24、0kHz变换表达式时留意要使变换后的变换表达式时留意要使变换后的fLfHP120题题3-5 知某共射放大电路的波特图，试确定其放知某共射放大电路的波特图，试确定其放大倍数，高频转机频率、低频转机频率，写出大倍数，高频转机频率、低频转机频率，写出 的的表达式。表达式。 解：解：40dB，放大倍数为放大倍数为100倍。倍。高频转机频率为高频转机频率为2.5*105Hz、低频转机频率为低频转机频率为10Hz，1Hz。放大倍数表达式：放大倍数表达式：uA)105 . 2j1 ()101 ()11 (100 5ffjfjAuP113例例3-3 某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为某放大电路的电压放大倍

25、数的复数表达式为1中频电压放大倍数为多少中频电压放大倍数为多少?2转机频率为多少转机频率为多少?解：解：)10/1)(100/1)(2/1 (5 . 052jfjfjffAu )10/1 ()100/1 (/2)2/1 (/2/100/25 . 0)10/1)(100/1)(2/1 (5 . 05252jfjfjfjfjfjfjffjfjfjffAu)1)(1 (hlusmusffjffjAA)10/1 ()/1001 ()/21 (1005jffjfj)10/1 ()/1001 ()/21 (1005jffjfjAu解：解：1中频电压放大倍数为中频电压放大倍数为100 2三个转机频率：三个转

26、机频率：低频转机频率低频转机频率1为为2Hz，低频转机频率，低频转机频率2为为=100Hz，高频，高频转机频率为转机频率为105Hz ，带宽为，带宽为100Hz到到105Hz)10/1 ()/1001 ()/21 (1005jffjfjAu普通方法：普通方法：1、首先将表达式进展变换得到规范式、首先将表达式进展变换得到规范式变换时留意高低频转机频率。变换时留意高低频转机频率。2、绘制幅频特性曲线，留意、绘制幅频特性曲线，留意1确定转机频率。幅频特性的转机确定转机频率。幅频特性的转机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。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

27、，其转机频率有三个。对本例而言，其转机频率有三个。2确定中频段。当转机频率差别较大时，取最低的确定中频段。当转机频率差别较大时，取最低的fH和最和最高的高的fL之间的频段作为中频区段。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议。计算各段的斜率，线段斜率主要由分母中的因子决议。3、绘制相频特性，绘制时留意、绘制相频特性，绘制时留意1转机频率。相频特性的转机频率是与幅频特性转机频率转机频率。相频特性的转机频率是与幅频特性转机频率相差相差10倍时的值。倍时的值。2中频段。相频特性可近似为的直线段。中频段。相频特性可近似为的直线段。3计算其他各段的斜率。计算其他各段的斜率

28、。第第3章章 频率呼应频率呼应3.1 频率呼应概述频率呼应概述3.2 晶体管的频率参数晶体管的频率参数3.3 共射放大器的频率特性共射放大器的频率特性3.4 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性nkUkUAUUUUUUUUA11)-o(noo1o2io1io 前级的开路电压是下级的信号源电压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下级的输入阻抗是前级的负载nkknkUkUAA11lg20lg20多级放大电路多级放大电路ebeL1c)1 ()/(RrRRAu12-32 两级放大电路如图两级放大电路如图,

29、=50, rbe=1.3k，计算中频区电压放，计算中频区电压放大倍数。大倍数。 siiRRRAAAAA*UUSU2U1URi=Rb1/Rb2/rbe+(1+)*R4RL1为为R6和和VT2的输入电阻并联的输入电阻并联,也可了解为也可了解为VT2的输入电的输入电阻阻RL1=R6/rbe+(1+)*(R7/R8)RL=R7/R8LbeLLbeL)1 ()1 (RrRRrRAu2假定两个完全一样的电路级连假定两个完全一样的电路级连Au=Au1*Au2fLifHiAuf10070.71000050007070fLfH84.1当各级放大电路的转机频率一样或很接近时，多级放大电当各级放大电路的转机频率一样

30、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。路的下限频率升高，上限频率降低，总通频带变窄。2222112.1 . 11 . 1LnLLnkLkLfffff 当各级放大电路的下限频率一样或很接近时，当各级放大电路的下限频率一样或很接近时，多级放大电路的下限频率按下式计算：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，那么多级放大电路的下限频率近级的下限频率时，那么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。似等于该级放大电路的下限频率。22221121.111 . 111 .

31、11hnhhnkhkhfffff 当各级放大电路的上限频率一样或很接近时，当各级放大电路的上限频率一样或很接近时，多级放大电路的上限频率按下式计算：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，那么多级放大电路的上限频率近级的上限频率时，那么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。似等于该级放大电路的上限频率。nkUkUAUUUUUUUUA11)-o(noo1o2io1io根据以上公式，可以得到：根据以上公式，可以得到：经过一级放大电路后，其转机频率之外增益经过一级放大电路后，其转机频率之外增益

32、-20dB/十倍频十倍频经过两级放大电路后，其转机频率之外增益变为经过两级放大电路后，其转机频率之外增益变为-40dB/十倍频十倍频经过三级放大电路后，其转机频率之外增益变为经过三级放大电路后，其转机频率之外增益变为-60dB/十倍频十倍频nkknkUkUAA11lg20lg20多级放大电路多级放大电路例例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，高频转机频率、低频转机频率，性如图，试确定其放大倍数，高频转机频率、低频转机频率，写出写出 的表达式。的表达式。 解：解：80dB，放大倍数，放大倍数10000倍。倍

33、。低频转机频率为低频转机频率为10Hz。高频电路有三级，且每一级高频电路有三级，且每一级转机频率都为转机频率都为2*105Hz。uA三级共射放大电路，三级都对高三级共射放大电路，三级都对高频有影响，但仅有一级对低频有频有影响，但仅有一级对低频有影响。影响。三级共射电路，中频段相移仍为三级共射电路，中频段相移仍为180度度(取负号取负号)。2531210231 . 111 . 11khkhff解得高频转机频率为解得高频转机频率为105kHz。354)1021)(101 (10fjfjAu题题3-6 知某电路的幅频特性如图，试问：知某电路的幅频特性如图，试问：1该电路的耦合该电路的耦合方式；方式；2该电路由几