三極管放大電路的頻率響應(yīng).ppt

1,4.7.1 頻率響應(yīng)概述,在放大電路中，由于電抗元件（如電容、電感線圈等）及晶體管極間電容的存在，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過低或過高時(shí)，不但放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)變小，而且還將產(chǎn)生超前或滯后的相移。說明放大倍數(shù)是信號(hào)頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。 一、頻率失真及不失真條件 二、實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義 三、RC電路的頻率響應(yīng) 四、波特圖,2,一、頻率失真及不失真條件,1、頻率失真 我們知道，待放大的信號(hào)，如語音信號(hào)、電視信號(hào)、生物電信號(hào)等等，都不是簡單的單頻率信號(hào)，它們都是由許多不同相位、不同頻率分量組成的復(fù)雜信號(hào)，即占有一定的頻譜。由于實(shí)際的放大器中存在電抗元件（如管子的極間電容、電路的負(fù)載電容、分布電容、引線電感等），使得放大器對不同頻率信號(hào)分量的放大倍數(shù)和延遲時(shí)間不同。由此而引入的信號(hào)失其稱為頻率失真。,3,一、頻率失真及不失真條件,如圖所示，某待放大的信號(hào)是由基波（1）和三次諧波（3 1 ）所組成。,4,一、頻率失真及不失真條件,由于電抗元件的存在，使放大器對三次諧波的放大倍數(shù)小于對基波的放大倍數(shù)，那么放大后的信號(hào)各頻率分量的大小比例將不同于輸入信號(hào)。人們稱這種由于放大倍數(shù)隨頻率變化而引起的失真為振幅頻率失真。,5,一、頻率失真及不失真條件,如果放大器對各頻率分量信號(hào)的放大倍數(shù)雖然相同，但延遲時(shí)間不同（分別為td1和td3），那么放大后的合成信號(hào)也將產(chǎn)生失真。由于相位=t，延遲時(shí)間不同，意味著不與成正比。人們稱這種失真為相位頻率失真。,6,一、頻率失真及不失真條件,2、線性失真和非線性失真 振幅頻率失真和相位頻率失真都是由電路的線性電抗元件（電阻、電容、電感等）引起的，故又稱為線性失真。 線性失真和非線性失真同樣會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變，但兩者有許多不同點(diǎn)： 起因不同 線性失真由電路中的線性電抗元件引起，非線性失真由電路中的非線性元件引起（如晶體管或場效應(yīng)管的特性曲線的非線性等）。,7,一、頻率失真及不失真條件,結(jié)果不同 線性失真只會(huì)使各頻率分量信號(hào)的比例關(guān)系和時(shí)間關(guān)系發(fā)生變化，或?yàn)V掉某些頻率分量的信號(hào)，但決不產(chǎn)生輸入信號(hào)中所沒有的新的頻率分量信號(hào)。 但非線性失真卻完全不同，它的主要特征是產(chǎn)生輸入信號(hào)中所沒有的新的頻率分量。如輸入為正弦波（單一頻率信號(hào)），若產(chǎn)生非線性失真，則輸出變?yōu)榉钦也?，它不僅包含輸入信號(hào)的頻率成分（基波1），而且還產(chǎn)生許多新的諧波成分(2 1 、3 1 、)。,8,一、頻率失真及不失真條件,3、不失真條件-理想頻率響應(yīng) 綜上所述，若放大器對所有不同頻率成分的放大倍數(shù)相同，延遲時(shí)間也相同，那么就不可能產(chǎn)生頻率失真，故不產(chǎn)生頻率失真的條件為：,9,一、頻率失真及不失真條件,不產(chǎn)生線性失真的振幅頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)稱為理想頻率響應(yīng)，如下圖所示：,10,二、實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義,實(shí)際的振幅頻率特性一般如圖所示。在低頻和高頻區(qū)放大倍數(shù)有所下降，而中間一段比較平坦。為分析方便起見，人們將實(shí)際的振幅頻率響應(yīng)劃分為三個(gè)區(qū)域，即中頻區(qū)、低頻區(qū)和高頻區(qū)。并定義上限截止頻率H、下限截止頻率L以及通頻帶BW，以便定量表征頻率響應(yīng)的實(shí)際狀況。,11,二、實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義,上限截止頻率H定義為高頻區(qū)放大倍數(shù)下降為中頻區(qū)的1/2時(shí)所對應(yīng)的頻率，即： 同理，下限截止頻率L為： 通頻帶為： BW= H- L H,12,二、實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義,上、下限截止頻率所對應(yīng)的H點(diǎn)和L點(diǎn)又稱為半功率點(diǎn)（因?yàn)楣β逝c電壓平方成正比）。 若用分貝表示增益G，則： GH=20lgAuH= 20lgAum-3dB GL=20lgAuL= 20lgAum-3dB 故又稱H點(diǎn)和L點(diǎn)為-3dB點(diǎn)，BW為-3dB帶寬。,13,二、實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義,中頻區(qū)增益與通頻帶是放大器的二個(gè)重要指標(biāo)，而且這兩者往往又是一對矛盾的指標(biāo)，所以引進(jìn)增益帶寬乘積來表征放大器的性能： 人們總是希望放大器具有盡可能大的增益帶寬乘積。,14,二、實(shí)際的頻率特性及通頻帶定義,關(guān)于通頻帶的選擇，要根據(jù)信號(hào)的頻譜而定。例如，心電圖的最高頻率分量約為100Hz，那么通頻帶設(shè)計(jì)為0100Hz左右即可。語音信號(hào)的頻譜約為10Hz20KHz左右，而電視圖象信號(hào)的頻帶要求為06MHz左右。 通頻帶不是越寬越好，對給定的信號(hào)而言，通頻帶過寬不僅沒有必要，而且還會(huì)竄入更多的干擾和噪聲。,15,三、RC電路的頻率響應(yīng),在放大電路中，存在著耦合電容和半導(dǎo)體管的極間電容。 由于耦合電容的存在，對信號(hào)構(gòu)成了高通電路，即對于頻率足夠高的信號(hào)電容相當(dāng)于短路，信號(hào)幾乎毫無損失地通過；而當(dāng)信號(hào)頻率低到一定程度時(shí)，電容的容抗不可忽略，信號(hào)將在其上產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。,16,三、RC電路的頻率響應(yīng),與耦合電容相反，由于半導(dǎo)體管極間電容的存在，對信號(hào)構(gòu)成了低通電路，即對于頻率足夠低的信號(hào)相當(dāng)于開路，對電路不產(chǎn)生影響；而當(dāng)信號(hào)頻率高到一定程度時(shí)，極間電容將分流，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。 為了便于理解有關(guān)頻率響應(yīng)的基本要領(lǐng)，這里將對無源單極RC電路的頻率響應(yīng)加以分析。,17,三、RC電路的頻率響應(yīng),1、高通電路 RC高通電路如圖所示：,18,三、RC電路的頻率響應(yīng),式中為輸入信號(hào)的角頻率，RC為回路的時(shí)間常數(shù)，令：,19,三、RC電路的頻率響應(yīng),用幅值與相角表示： 稱為幅頻特性 稱為相頻特性,20,三、RC電路的頻率響應(yīng),21,三、RC電路的頻率響應(yīng),RC高通電路的頻率特性曲線如下圖，上邊為幅頻特性曲線，下邊為相頻特性曲線：,22,三、RC電路的頻率響應(yīng),2、低通電路 RC低通電路如圖所示：,23,三、RC電路的頻率響應(yīng),回路的時(shí)間常數(shù)=RC，令：,24,三、RC電路的頻率響應(yīng),用幅值與相角表示： 稱為幅頻特性 稱為相頻特性,25,三、RC電路的頻率響應(yīng),26,三、RC電路的頻率響應(yīng),RC低通電路的頻率特性曲線如下圖，上邊為幅頻特性曲線，下邊為相頻特性曲線：,27,四、波特圖,在畫放大電路的頻率特性曲線時(shí)，常采用對數(shù)坐標(biāo)，稱為波特圖。采用對數(shù)坐標(biāo)的好處是： 用對數(shù)坐標(biāo)刻度可將很寬的頻率變化范圍壓縮在較窄的頻率坐標(biāo)內(nèi)。 當(dāng)縱坐標(biāo)以分貝表示函數(shù)的幅值時(shí)，函數(shù)的乘除運(yùn)算變成了加減運(yùn)算，使用方便，符合增益的習(xí)慣表示法。 可以用漸進(jìn)線代替繪制十分麻煩的頻率特性曲線。,28,四、波特圖,（一）、RC高通電路波特圖的繪制 1、對數(shù)幅頻特性曲線的繪制 根據(jù)： 計(jì)算出f/fH為不同值時(shí)的 的值，并列成表：,29,四、波特圖,2、對數(shù)相頻特性曲線的繪制 根據(jù)相頻特性表達(dá)式計(jì)算出數(shù)據(jù)表： 根據(jù)兩個(gè)表中的數(shù)據(jù)畫出相應(yīng)的曲線如下圖。,30,四、波特圖,31,四、波特圖,從曲線看出，幅頻特性可用一條0分貝線和一條斜率為20dB/十倍頻的兩條漸進(jìn)線近似。,32,四、波特圖,從曲線看出，相頻特性可用=0， =90和中間的一條過渡線三段來近似。,33,四、波特圖,這樣近似后的誤差為：,34,四、波特圖,（二）、RC低通電路波特圖的繪制 按照同樣的步驟計(jì)算出數(shù)據(jù)表，畫出曲線，分析漸進(jìn)線近似后的誤差。,35,四、波特圖,36,四、波特圖,37,例、RC低通電路的R=1K，C=100pF；高通電路的 R=10K，C=1F，試畫出各自的波特圖。 解：先畫低通電路的波特圖，步驟如下： 計(jì)算時(shí)間常數(shù)，=RC=1103 100 10-12=10-7S H=1/2=1/2 3.14 10-71.6 106Hz 在幅頻特性的橫坐標(biāo)上定出= H 1.6 106Hz的點(diǎn)，由此點(diǎn)作斜率為-20dB/十倍頻的直線(ffH)和與橫軸平行的直線(f<fH)即為幅頻特性。,38,在相頻特性的橫坐標(biāo)上定出0.1 H （即 1.6 105Hz）、H （即1.6 106Hz）、10H （即 1.6 107Hz）三個(gè)點(diǎn)，分別對應(yīng)于=0、-45、 -90，連接此三點(diǎn)(0.1 H 10H )的三條直線即為相 頻特性。 對于高通電路同理可得： =RC=10103 1 10-6=10-2S L=1/2=1/2 3.14 10-216 Hz由此可定出波特圖中有關(guān)的各點(diǎn)。,