模拟集成电路基础三-5课件

1、第5章 放大电路的频率响应5.1 频率响应的基本概念复习PN结电容势垒电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。PN结电容注意：势垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。扩散电容CD 外加电压不同情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化

2、，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。-180-90-270fLfh0.707AUAUA(jf)f(jf)f频率响应的基本概念CE接法基本放大电路低频截频高频截频=argA(jf)-180-90-270fLfh0.707AUAUA(jf)f(jf)f频率响应的基本概念(续）中频段：AU=常数低频段高频段AU 下降中频段：相位差 =常数低频段高频段 改变 这种描绘输入信号幅度固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律称为幅频特性。用A(jf) 或A（j)表示 这种描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律称为相频特性。用（）幅度频率失真：幅频特性

3、偏离中频值的现象相位频率失真：相频特性偏离中频值的现象 频率响应的定义 频率响应就是放大电路对输入正弦信号的稳态响应。反映了放大器对不同频率信号的放大能力。记作A(j)或 A(jf)。 频率响应特性幅度频率特性： A(j) 或 A(jf) 相位频率特性：()或 (f) 中频增益中间频率段的增益 频带宽度BW=fh-flfh、 fl增益下降到中频增益的0.707倍（即3dB处）所对应的频率。频率响应的基本概念(续） 频率失真 产生频率失真的原因 （1）放大电路中存在电抗性元件 例如：耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等。 影响低频增益主要是耦合电容和旁路电容 影响高频增益晶体管的结电

4、容及引线等杂散电容 （2）三极管的()是频率的函数 在研究频率特性时，三极管的低频小信号模型不再适用，而要采用高频小信号模型。频率响应的基本概念(续） 线性系统的分析：时域拉氏逆变换自变量：t自变量：s=+j 传输函数定义：非标准式标准式5.2 频率响应的分析方法拉氏变换复频域线性系统：其中：z1、z2、zm零点p1、p2、pn极点系统稳定的条件：所有零、极点均分布在左半平面 传输函数的计算Uo (s)=RR+1/(sC)=R sCR sC +1=ss+ 1/RC RC高通电路传递函数有一个零点z1=0和一个极点p1=-1/RCjz1=0p1=-1/RC零点极点图分析频率响应时，令s=jUi(

5、s)H(s)=Uo(s)Ui(s)=ss - p1Au(j)=Uo(j)Ui(j)=jj - p1频率响应特性频率响应的分析方法（续）频率响应的波特图采用对数坐标来描述幅频特性和相频特性的图形表示方法。线性坐标系中：纵坐标是放大增益，采用对数单位；横坐标频率采用对数单位，但以频率标识。（习惯） 波特图的近似描绘渐近线描绘1.幅频特性的渐近线描绘典型传递函数：首先 将传递函数写成作图的形式有两个零点和三个极点A=A11/(2 3 4 )幅频特性：频率响应的分析方法（续）幅频特性用dB表示：(1) 一阶零点 幅频特性的渐近线波特图绘制1010010001=10 (1) 一阶零点 幅频特性的渐近线（

6、续）当 1时， |A(j) |=20lg(/ 1)当 = 1 时， |A(j) |=3dB20dB/dec0.1 111011010010001=10 20dB/dec-20dB/dec0.1 11101(2)一阶极点 幅频特性的渐近线当 1时，y= -20lg(/ 1)当 = 1 时，y= -3dB渐近线描绘方法当 1 时，作0水平线；当 1 时，作20dB/十倍频的斜线。一阶零点一阶极点 (3) 一阶零点 幅频特性的渐近线20dB/dec-20dB/dec0.1110是一条通过= 1，斜率为20dB/十倍频的斜线。(4) 一阶极点 幅频特性的渐近线是一条通过 = 1，斜率为-20dB/十倍

7、频的斜线。小结：将零点与极点的影响累加起来，即可得到总的幅频特性。 经过一个零点，斜率增加20dB/十倍频； 经过一个极点，斜率减小20dB/十倍频。0.1 11101 ( )分析：当1时， () = 9045/dec2. 相频特性的渐近线描绘(1) 一阶零点 相频特性的渐近线1101001=1010000.1 11101 ( )-45/dec45/dec(1) 一阶零点 相频特性的渐近线（续）用三条渐近线描绘当0.11 时，作00水平线；当101 时，作900水平线；当0.11 101 时，作450/十倍频斜线。(2) 一阶极点 相频特性的渐近线一阶零点一阶极点0.1110 (3) 一阶零点

8、 的渐近线相频特性(4) 一阶极点 的渐近线相频特性一阶零点一阶极点例1:解：1）A=10520lgA=20lg105 =100dB；以100dB为起点.2） 存在三个极点104、106和107，分别画出三个极点的渐近线；3）合成波形，进行斜率累加。复习：将零点与极点的影响累加起来，即可得到总的幅频特性 经过一个零点，斜率增加20dB/十倍频； 经过一个极点，斜率减小20dB/十倍频。小结： 画波特图的一般步骤：（1） 写出标准式：找常数项；（2） 画出各个零、极点的渐近线；（3） 合成波形。20lg|A(j)|(dB)10210310410510610710820406080100-20dB

9、/dec-40dB/dec-60dB/dec-450-900-1350-1800-2250()-2700三个极点：104、106和107例2：解：1） 标准式常数项：A=1，20lgA=0dB，以0dB为起点。2） 存在两个零点0、10和三个极点20、100和104， 分别画出零、极点的渐近线。3） 合成波形。20lg|A(j)|(dB) 1 101021031041051062040608010020dB/dec40dB/dec-20dB/dec20dB/dec0dB/dec放大器的低频截频由低频段最大的低频极点决定，l=102.放大器的高频截频由高频段最小的高频极点决定，h=1043dB3

10、dB带宽 3dB= h- l hMN 晶体三极管高频物理模型-混合模型双极型三极管物理模型5.3 晶体三极管的高频运用双极型三极管 晶体三极管高频物理模型-混合模型（续）rbb -基区的体电阻，b是假想的基区内 的一个等效集中点。对高频影响很大，数值十几几十欧姆。rbe和Cbe发射结等效交流电阻和结电容。rbc和Cbc 集电结等效交流电阻和结电容。gmUbe受控电流源，Ube对输出电流的控制作用。（gm=ic/Ube)rce受控电流源的内阻，很大，可忽略 。双极型三极管物理模型 晶体三极管高频物理模型-混合模型（续）忽略rce和rbc双极型三极管物理模型 密勒原理设放大倍数 K=U2/U1（1

11、）求Z1（2）同理求得Z2若Z为电容, Z=1/(jC),则Zi=1/(jCi) ,i=1,2ZI1I2U1U2Z1U1I1Z2U2I2单向近似模型 0：0 即低频时的，反映了三极管的放大作用。gm：称为跨导，反映输入电压对输出电流的控制， gm与频率无关。简化混合模型 根据电路连接组态的不同，管子的高频截频分为三种：1. 共射截频f ：当 下降到 时对应的频率, 0 为中频共射电流放大倍数。3. 共基截频f ：当 下降到 时对应的频率, 0为中频共基电流放大倍数。三种截频的关系： f f T f f T= 0 f 2. 特征频率f T： 当 | |=1 时对应的频率。1 0f f Tf f、

12、 (dB)晶体三极管的高频截频高频截频 共射截频 f 当f=f时，0=gmrbe为低频放大系数。 特征频率fT当 f = fT 时, =1当f f时（ff ）小结：1. 在ff时， f 保持常数， f 称为 增益带宽积。 说明工作频率增加一倍， 就下降一倍。2. 特征频率fT等于增益带宽积。3. fT较容易测量，只要测量出ff时的 值，即可计算出 fT。说明：该结论同样适应于理想运算放大器。5.4 单管共射放大电路的频率响应分析放大器频响的重要指标：增益函数、带宽和高低频截频+E-ERLRsRcUsRsUsbRLcegmUbeCcCerberbbbrbbRsUsRLgmUbeCoCirbebe

13、UbeUoUi单管共射放大电路的高频响应1. 中频电压增益+E-ERLRsRcUsUiUo其中：2.高频增益和极点rbbRsUsRLgmUbeCoCirbebeUbeUoUigmUbeCoCiRLRsUs利用戴维南定理，将等效电路进一步简化。高频增益函数gmUbeCoCiRLRsUsUi=UbeUO极点：gmUbeCoCiRLRsUsUi=UbeUOrbbRsUsRLgmUbeCoCirbebeUbeUoUi高频增益函数其中极点：gmUbeCoCiRLRsUsUiUOAUs就是中频电压增益结论：1.单级CE电路具有两个极点h1和h2（即每一个独立电容都构成一个极点）。2.两个极点h1和h2分别

14、由输入、输出回路提供，其值为该回路时间常数的倒数。3.高频截频fh和 BW方法一：作波特图法，fh 近似等于最小的高频极点的频率。BW=fh-flfh高频增益函数方法二：解析法，fh 用公式来计算。高频截频fh的计算方法：由高频截频定义有：忽略高次项，经整理近似得到20lg|Aus()|h1h220lg|AUs| 只有n个高频极点，高频截频可近似为最小的高频极点.也可用公式计算: 高频增益函数A中频增益有： 零点和极点的个数相同，低频截频可近似为最大的低频极点。也可用近似公式计算。 低频增益函数A中频增益有：频响分析 高低频增益函数当零点的个数比极点的个数少即mn时，波特图如下低频增益函数单管

15、共射放大电路的低频响应CE低频等效电路C1CeC2RBRERCRLhiehfeIbU1U2U3U4IiIoIsRs分析方法：忽略结电容，保留耦合、旁路电容，据CE低频等效电路，列写四个电压节点方程，在根据节点电压与Ib和Io之间的关系，可以整理得例题：CE电路参数如下：小结：低频响应是由电路中耦合电容和旁路电容引起的。1.放大电路的耦合电容和旁路电容引起是引起低频响应的主要原因；2.三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因；3.衡量放大电路性能的一项重要指标增益带宽积；几点结论单管共基放大电路的高频等效电路上限频率由于rbe很小，所以上限频率很高。 如果放大器由多级级联而成，那么，总增益5.5 多级放大器的频率响应一、多级放大器的上限频率fH 设单级放大器的增益表达式为式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|为多级放大器中频增益。令二、多级放大器的下限频率fL 设单级放大器的低频增益为 解得多级放