放大电路的频率响应优秀PPT.ppt

放大电路的频率响应你现在浏览的是第一页，共95页知识目标1 1、掌握频率响应的基本、掌握频率响应的基本概念概念 2 2、了解频率失真的含义、了解频率失真的含义3 3、了解三极管频率参数、了解三极管频率参数的含义的含义能力目标1 1、掌握、掌握单管共射放大电路单管共射放大电路中中f fL L、f fHH的估算方法的估算方法2 2、理解波特图的意义和画、理解波特图的意义和画法法3 3、掌握多级放大电路波特、掌握多级放大电路波特图的分析图的分析教学目标教学目标你现在浏览的是第二页，共95页教学重点教学重点利用混合利用混合等效电等效电路定量分析单管路定量分析单管共射放大电路的共射放大电路的频率特性频率特性多级放大电路的多级放大电路的频率响应频率响应教学难点教学难点你现在浏览的是第三页，共95页5.1.1研究放大电路频率响应的必要性研究放大电路频率响应的必要性1 1、由于放大电路中存在电抗性元件、由于放大电路中存在电抗性元件2 2、晶体管极间电容、晶体管极间电容所所以以电电路路的的放放大大倍倍数数为为频频率率的的函函数数，这这种种关关系系称称为为频率响应或频率特性。频率响应或频率特性。f你现在浏览的是第四页，共95页放大电路对不同频率信号的放大能力放大电路对不同频率信号的放大能力耦合电耦合电容造成容造成三极管结三极管结电容造成电容造成fL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：放大倍数随频率变放大倍数随频率变化曲线化曲线幅频特幅频特性曲线性曲线ffbw=fH fL你现在浏览的是第五页，共95页 在低频段：耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信在低频段：耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。号损失，放大能力下降。高通高通电路电路低通低通电路电路 在高频段：晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散在高频段：晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。下限频率下限频率上限频率上限频率结电容结电容你现在浏览的是第六页，共95页频率响应的概念频率响应的概念频率响应频率响应幅度频率响应幅度频率响应幅度频率响应幅度频率响应相位频率响应相位频率响应相位频率响应相位频率响应放大电路幅频响应和相频响应统称放大电路幅频响应和相频响应统称放大电路的频率响应。放大电路的频率响应。的的幅值幅值与与频率频率的函数关系的函数关系幅频特性幅频特性的的相位相位与与频率频率的函数关系的函数关系 相频特性相频特性你现在浏览的是第七页，共95页 频频率率失失真真（线线性性失失真真）-由由于于放放大大电电路路对对不不同同频率信号的放大倍数不同而产生的波形失真频率信号的放大倍数不同而产生的波形失真1 1、幅幅度度失失真真：放放大大电电路路对对不不同同频频率率的的信信号号增增益益不不同同，产生的失真。产生的失真。你现在浏览的是第八页，共95页、相位失真、相位失真：放大电路对不同频率的信号产生不：放大电路对不同频率的信号产生不同的相移所造成的输出波形失真。同的相移所造成的输出波形失真。你现在浏览的是第九页，共95页该图称为该图称为波特图波特图纵轴：纵轴：dBdB横轴：对数坐标横轴：对数坐标放大电路的对数频率特性放大电路的对数频率特性将频率特性的频率坐标改用对数分度将频率特性的频率坐标改用对数分度电压放大倍数用分贝电压放大倍数用分贝(dB)(dB)为单位表示为单位表示优点优点:1:1、压缩坐标、压缩坐标,扩大视野扩大视野 2 2、将放大倍数相乘化为相加、将放大倍数相乘化为相加你现在浏览的是第十页，共95页一、一、高通电路：高通电路：信号频率越高，输出电压越接近输入电压。信号频率越高，输出电压越接近输入电压。+_+_CR图图 5.1.1（a)RC 高通电路高通电路令：令：5.1.2频率响应的基本概念频率响应的基本概念fL称为下限截止频率称为下限截止频率耦合电容耦合电容负载负载你现在浏览的是第十一页，共95页你现在浏览的是第十二页，共95页频率响应频率响应f=fL你现在浏览的是第十三页，共95页高通回路波特图高通回路波特图 40 20 6 3 0 3 20 4010010210.7070.10.011、对数幅频特性：、对数幅频特性：横轴刻度：横轴刻度：lgf纵轴刻度：纵轴刻度：单位是分贝（单位是分贝（dB）用对数坐标画放大电路的频率特性。用对数坐标画放大电路的频率特性。可以表示很宽的数据范围。可以表示很宽的数据范围。你现在浏览的是第十四页，共95页0.1 fLfL 10 fLf0 20 403dB20dB/十倍频十倍频 实际幅频特性曲线实际幅频特性曲线你现在浏览的是第十五页，共95页0.1 fLfL 10 fLf0 20 403dB20dB/十倍频十倍频近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。折线以特性。折线以截止频率截止频率fL做拐点做拐点，两段直线近似曲线。，两段直线近似曲线。当当 f fL(高频高频)，当当 f f fH H)和与横轴平行的和与横轴平行的直线直线(f f f fH H)即为幅频特性。即为幅频特性。你现在浏览的是第二十七页，共95页在相频特性的横坐标上定出在相频特性的横坐标上定出0.1 0.1 H H、H H、1010H H 三个三个点，分别对应于点，分别对应于=0=0、-45-45、-90-90，连接此三点，连接此三点(0.1(0.1 H H 10 10H H)和和=0(=0(0.1 10 10H H)的三的三条直线即为相频特性。条直线即为相频特性。你现在浏览的是第二十八页，共95页对于高通电路同理可得：对于高通电路同理可得：=RCRC=10=10 10103 3 1 1 1010-6-6=10=10-2-2S S L L=1/2=1/2=1/2=1/2 3.14 3.14 10 10-2-2 16 Hz16 Hz由此可定出波特图中有关的各点。由此可定出波特图中有关的各点。你现在浏览的是第二十九页，共95页5.2.1晶体管的混合晶体管的混合 模模 型型一、完整的混合一、完整的混合 模模型型5.2晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型(a)晶体管的结构示意图晶体管的结构示意图可从手册中查出可从手册中查出rbb：基区体电阻：基区体电阻rbe：发射结电阻：发射结电阻C：发射结电容：发射结电容re：发射区体电阻：发射区体电阻rbc：集电结电阻：集电结电阻C：集电结电容：集电结电容rc：集电区体电阻：集电区体电阻结构：由体电阻、结电阻、结电容组成。结构：由体电阻、结电阻、结电容组成。你现在浏览的是第三十页，共95页1.1.模型的建立模型的建立：由结构而建立，形状像由结构而建立，形状像，参数量纲各不相同。，参数量纲各不相同。gm为跨导，它不随信为跨导，它不随信号频率的变化而变。号频率的变化而变。阻值小阻值小阻值大阻值大连接了输入回路和连接了输入回路和输出回路输出回路你现在浏览的是第三十一页，共95页由于晶体管两个结电容的存在，使得输入电流由于晶体管两个结电容的存在，使得输入电流i ib b、输出电、输出电流流i ic c的大小和相角均与频率有关。的大小和相角均与频率有关。你现在浏览的是第三十二页，共95页2 2、混合混合模型的单向化（使信号单向传递）模型的单向化（使信号单向传递）等效变换后电流不变等效变换后电流不变你现在浏览的是第三十三页，共95页图5.2.2简化简化混合混合 模模型的型的简化简化 (b)单向化后的混合单向化后的混合 模模型型图5.2.2简化简化混合混合 模模型的型的简化简化 (C)忽略忽略C的混合的混合 模模型型因因为为C ，且且一一般般情情况况下下。的的容容抗抗远远大大于于集集电电极极总总负负载载电电阻阻R，中中的的电电流流可可忽忽略略不不计计，得得简简化化模模型型图（图（C）。）。你现在浏览的是第三十四页，共95页混合混合模型模型 与与H参数模型关系参数模型关系0为低频电为低频电流放大系数流放大系数又又从手册中查出从手册中查出低频时低频时二者等效：二者等效：简化的简化的h参数模型参数模型简化的混合简化的混合 模型模型简化的混合简化的混合 模型模型你现在浏览的是第三十五页，共95页5.2.2 5.2.2 晶体管电流放大倍数晶体管电流放大倍数的频率响应的频率响应 当信号频率发生变化时，电流放大系数当信号频率发生变化时，电流放大系数不是常量，不是常量，而是频率的函数。而是频率的函数。电流放大系数的定义：电流放大系数的定义：简化的混合简化的混合 模型模型你现在浏览的是第三十六页，共95页为什么短路？为什么短路？你现在浏览的是第三十七页，共95页共射截共射截止频率止频率你现在浏览的是第三十八页，共95页对数幅频特性对数幅频特性fTfOf 20lg 0 20dB/十倍频十倍频f0 对数相频特性对数相频特性10 f 0.1f 45 90你现在浏览的是第三十九页，共95页1.共射截止频率共射截止频率 f 值下降到值下降到 0.707 0(即即 )时的频率。时的频率。当当 f=f 时，时，值值下下降降到到中中频频时时的的 70%左左右右。或或对对数数幅幅频频特特 性下降了性下降了 3 dB。几个频率的分析几个频率的分析你现在浏览的是第四十页，共95页2.特征频率特征频率 f T 值降为值降为 1 时的时的频率。频率。f fT 时，时，三极管失去放大作用；三极管失去放大作用；f =fT 时，由式时，由式得：得：你现在浏览的是第四十一页，共95页3.共基截止频率共基截止频率 f 值下降为低频值下降为低频 0 时时 的的 0.707 时的频率。时的频率。你现在浏览的是第四十二页，共95页说明：说明：所以：所以：1.f 比比 f 高很多，等于高很多，等于 f 的的(1+0)倍；倍；2.f fT f 3.低低频频小小功功率率管管 f 值值约约为为几几十十至至几几百百千千赫赫，高高频频小小功率管的功率管的 fT 约为几十至几百兆赫。约为几十至几百兆赫。你现在浏览的是第四十三页，共95页5.3场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型场效应管各极之间存在极间电容，其高频等效模型如下场效应管各极之间存在极间电容，其高频等效模型如下图图5.3.1场效应管的高频等效模型（场效应管的高频等效模型（a)一般情况下一般情况下 rgs和和 rds比外接电阻大得多，可认为是开路比外接电阻大得多，可认为是开路 Cgd可进行等效变化，使电路单向化可进行等效变化，使电路单向化你现在浏览的是第四十四页，共95页 Cgd等效变化等效变化g-s之间的等效电容为之间的等效电容为d-s之间的等效电容为之间的等效电容为由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多，故分析由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多，故分析频率特性时可忽略的影响。频率特性时可忽略的影响。图图5.3.1场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型(b)简化模型简化模型你现在浏览的是第四十五页，共95页讨论二 电路如图。已知各电阻阻值；电路如图。已知各电阻阻值；静态工作点合适，集电极电流静态工作点合适，集电极电流ICQ2mA；晶体管的；晶体管的rbb=200，Cob=5pF，f=1MHz。试求解该电路中晶体管高频试求解该电路中晶体管高频等效模型中的各个参数。等效模型中的各个参数。你现在浏览的是第四十六页，共95页晶体管简化的高频等效电路？你现在浏览的是第四十七页，共95页清华大学 华成英 讨论二你现在浏览的是第四十八页，共95页5.45.4 放大电路的频率响应5.4.1、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应5.4.2、多级放大电路的频率响应、多级放大电路的频率响应你现在浏览的是第四十九页，共95页5.4.15.4.1、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应适用于信号频率从适用于信号频率从0的的交流等效电路交流等效电路简化的混合简化的混合 模型模型极间电极间电容容耦合电耦合电容容你现在浏览的是第五十页，共95页低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响，开路。开路。极间电容极间电容（小电容、几十（小电容、几十几百几百PF）耦合电容耦合电容（大电容、几十微法）（大电容、几十微法）低频段：相当于高通电路，存在下限截止频率低频段：相当于高通电路，存在下限截止频率f fL L。你现在浏览的是第五十一页，共95页高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 短路。短路。高频段：相当于低通电路，存在高频段：相当于低通电路，存在上限截止频率上限截止频率f fH H。极间电容极间电容（小电容、几十（小电容、几十几百几百PF）你现在浏览的是第五十二页，共95页中频段：中频段：C 短路，短路，开路。开路。你现在浏览的是第五十三页，共95页单管共射的频率响应单管共射的频率响应你现在浏览的是第五十四页，共95页阻容耦合单管共射放大电路阻容耦合单管共射放大电路的频率响应的频率响应C1RcRb+VCCC2RL+Rs+1、分别画出单管共射、分别画出单管共射放大电路的中频、低放大电路的中频、低频和高频的混合频和高频的混合等等效模型。效模型。2、分别分析单管共射、分别分析单管共射放大电路在中频、低频放大电路在中频、低频和高频的电压放大倍数和高频的电压放大倍数与频率的关系与频率的关系你现在浏览的是第五十五页，共95页C1RcRb+VCCC2RL+Rs+一、中频段一、中频段C1 和和C2可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。直可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。直流电压流电压VCC交流接地。交流接地。1.中频段等效电路中频段等效电路你现在浏览的是第五十六页，共95页结论：中频时单管共射放大电路的电压放大倍数与频结论：中频时单管共射放大电路的电压放大倍数与频率无关。率无关。1.中频段电压放大倍数中频段电压放大倍数你现在浏览的是第五十七页，共95页二、二、低频段低频段考虑考虑隔直电容隔直电容的作用的作用C与输出电阻构成一与输出电阻构成一个个RC 高通电路高通电路1.低频段等效电路低频段等效电路你现在浏览的是第五十八页，共95页2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数下限截止频率：下限截止频率：电压放大倍数：电压放大倍数：你现在浏览的是第五十九页，共95页三、高频段三、高频段考虑考虑并联在并联在极间电容极间电容的的影响影响C与与R构成一个构成一个 RC 低通电路。低通电路。1.高频段等效电路高频段等效电路R你现在浏览的是第六十页，共95页2.高频电压放大倍数高频电压放大倍数上限截止频率：上限截止频率：电压放大倍数：电压放大倍数：你现在浏览的是第六十一页，共95页耦合电耦合电容造成容造成三极管结三极管结电容造成电容造成fL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率通频带：通频带：放大倍数随频率变放大倍数随频率变化曲线化曲线幅频特幅频特性曲线性曲线ffbw=fH fL阻容耦合单管共射放大电路阻容耦合单管共射放大电路的频率响应的频率响应你现在浏览的是第六十二页，共95页二级共射放大电路的频率响应如二级共射放大电路的频率响应如何？何？多级放大电路的频率响应？多级放大电路的频率响应？讨论：你现在浏览的是第六十三页，共95页一一.中频电压放大倍数中频电压放大倍数带负载时：带负载时：空载时：空载时：电压放大倍数与频率无关电压放大倍数与频率无关,相位为相位为-180o你现在浏览的是第六十四页，共95页二二.低频电压放大倍数低频电压放大倍数:定性分析定性分析（相当于高通（相当于高通电路）电路）你现在浏览的是第六十五页，共95页二二.低频电压放大倍数低频电压放大倍数：定量分析：定量分析C所在回路的时间常数？所在回路的时间常数？高通电路高通电路你现在浏览的是第六十六页，共95页你现在浏览的是第六十七页，共95页二二.低频电压放大倍数低频电压放大倍数：低频段频率响应分析：低频段频率响应分析中频段中频段20dB/十倍频十倍频你现在浏览的是第六十八页，共95页三三.高频电压放大倍数高频电压放大倍数：定性分析：定性分析(低通电路）低通电路）+-C ecRcRLR+-b+-利用戴维南定理求得：利用戴维南定理求得：+-你现在浏览的是第六十九页，共95页戴维南定理戴维南定理你现在浏览的是第七十页，共95页+-C ecRcRLR+-b+-输入端相当于低通电路。输入端相当于低通电路。你现在浏览的是第七十一页，共95页3.3.高频电压放大倍数高频电压放大倍数：定量分析：定量分析+-C ecRcRLR+-b+-低通电路低通电路 你现在浏览的是第七十二页，共95页+-C ecRcRLR+-b+-你现在浏览的是第七十三页，共95页三三.高频电压放大倍数高频电压放大倍数：高频段频率响应分析：高频段频率响应分析你现在浏览的是第七十四页，共95页四、波特图四、波特图绘制波特图步骤：绘制波特图步骤：1.根据电路参数计算根据电路参数计算 、fL 和和 fH；2.由三段直线构成幅频特性。由三段直线构成幅频特性。中频段：中频段：对数幅值对数幅值=20lg 低频段：低频段：f=fL开始减小，作斜率为开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；十倍频直线；高频段：高频段：f=fH 开始增加，作斜率为开始增加，作斜率为 20 dB/十倍频直线。十倍频直线。3.由五段直线构成相频特性。由五段直线构成相频特性。你现在浏览的是第七十五页，共95页图图 5.4.5幅频特性幅频特性fOfL 20dB/十倍频十倍频fH20dB/十倍频十倍频 270 225 135 180相频特性相频特性 9010 fL0.1fL0.1fH10 fHfO 你现在浏览的是第七十六页，共95页-135-180-90f-225-270ffH1 fL104030201001021031041051063.2263103三、单级共射放大电路的对数幅频特性三、单级共射放大电路的对数幅频特性你现在浏览的是第七十七页，共95页5.4.2单管共源放大电路的频率响应单管共源放大电路的频率响应图图5.4.7单管共源放大电路及其等效电路单管共源放大电路及其等效电路在中频段开路，在中频段开路，C短路，中频电压放大倍数为短路，中频电压放大倍数为你现在浏览的是第七十八页，共95页在高频段，在高频段，C短路，考虑的影响，上限频率为：短路，考虑的影响，上限频率为：在低频段，开路，考虑在低频段，开路，考虑C的影响，下限频率为：的影响，下限频率为：电压放大倍数电压放大倍数你现在浏览的是第七十九页，共95页归纳：单管共射放大电路的频率响应的分析归纳：单管共射放大电路的频率响应的分析2 2、将等效电路中电容短路、开路，计算中频电压放大倍数；、将等效电路中电容短路、开路，计算中频电压放大倍数；1 1、画出信号频率从零到无穷大的交流等效电路；、画出信号频率从零到无穷大的交流等效电路；3 3、将等效电路中极间电容开路，计算下限截止频率；、将等效电路中极间电容开路，计算下限截止频率；4 4、将等效电路中耦合电容短路，计算上限截止频率；、将等效电路中耦合电容短路，计算上限截止频率；5 5、写出全频段电压放大倍数表达式；、写出全频段电压放大倍数表达式；6 6、画出波特图。、画出波特图。你现在浏览的是第八十页，共95页例例在图示电路中在图示电路中,已知已知VCC=15V,Rs=1k,Rb=20k ,Rc=RL=5k ,C=5 F；晶体管的；晶体管的UBEQ=0.7V,rbb=100,=100,f =0.5MHz,Cob=5 F试估算电路的截止频率试估算电路的截止频率f H和和f L，并画出的波特图。，并画出的波特图。解解：（：（1）求解）求解Q点点可见，放大电路的可见，放大电路的Q点合适。点合适。RbRc+VCCuIT+-+-uoRLCRsus+-你现在浏览的是第八十一页，共95页（2）求解混合）求解混合 模型模型中的参数，画适用于中的参数，画适用于信号频率从零到无穷信号频率从零到无穷大的交流等效电路。大的交流等效电路。rbb+-+-+-C becbRbRcRLCRs+-你现在浏览的是第八十二页，共95页（3）求解中频电）求解中频电 压放大倍数压放大倍数rbb+-+-+-C becbRbRcRLCRs+-你现在浏览的是第八十三页，共95页（4）求解）求解f H和和f L因为因为Rs fL1，fH fH1，频带变窄！，频带变窄！fHfL幅频特性幅频特性fOfL1fH16 dB3 dB3 dBfBW1fBW2一一 级级二二 级级 20dB/十倍频十倍频 40dB/十倍频十倍频你现在浏览的是第九十一页，共95页图图 5.5.1相频特性相频特性 270 360fL1fH1fO 540 180 450 90一一 级级二二 级级多多级级放放大大电电路路的的通通频频带带，总总是是比比组组成成它它的的每每一一级级的的通通频频带为窄。带为窄。多级放大电路的总相位移为：多级放大电路的总相位移为：你现在浏览的是第九十二页，共95页5.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算多级放大电路的上限频率和下限频率的估算若若某某级级的的下下限限频频率率远远高高于于其其它它各各级级的的下下限限频频率率，则则可可认认为为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。整个电路的下限频率就是该级的下限频率。同同理理若若某某级级的的上上限限频频率率远远低低于于其其它它各各级级的的上上限限频频率率，则则可可认认为为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。整个电路的上限频率就是该级的上限频率。你现在浏览的是第九十三页，共95页例例 已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。试求解下限、上限频率图所示。试求解下限、上限频率fL和和fH，以及电压放大倍数，以及电压放大倍数f(Hz)0208060401040102103104105210520dB/十倍频十倍频-60dB/十倍频十倍频解：由图可知解：由图可知（1）频率特性曲线的低频段只）频率特性曲线的低频段只有一个拐点，且低频段曲线斜率有一个拐点，且低频段曲线斜率为为20dB/十倍频，说明影响低频十倍频，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的特性的只有一个电容，故电路的下限频率为下限频率为10Hz。且因高频段曲线斜率为且因高频段曲线斜率为-60dB/十倍频，说明影响高频特性的有三个电容，即电路为十倍频，说明影响高频特性的有三个电容，即电路为三级放大电路。故电路的上限频率为三级放大电路。故电路的上限频率为（3）因各级均为共射电路，所以在中频段输出电压与输入电压相位相反。电压）因各级均为共射电路，所以在中频段输出电压与输入电压相位相反。电压放大倍数放大倍数（2）频率特性曲线的高频段只有一）频率特性曲线的高频段只有一个拐点，说明电路每一级的上限频率个拐点，说明电路每一级的上限频率均为均为2105Hz，你现在浏览的是第九十四页，共95页清华大学 华成英 讨论二1.该放大电路为几级放大电路该放大电路为几级放大电路?2.耦合方式耦合方式?3.在在 f 104Hz 时，增益下降多少？附加相移时，增益下降多少？附加相移？4.在在 f 105Hz 时，附加相移时，附加相移？5.画出相频特性曲线；画出相频特性曲线；6.fH？已知某放大电路的幅频特性已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论下列问题：如图所示，讨论下列问题：你现在浏览的是第九十五页，共95页