放大電路的頻率響應(yīng).ppt

第五章放大電路的頻率響應(yīng) 5 1頻率響應(yīng)概述 5 2晶體管的高頻等效模型 5 4單管放大電路的頻率響應(yīng) 5 5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng) 5 3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型 5 6集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)和頻率補(bǔ)償 童詩(shī)白第三版 童詩(shī)白第三版 本章重點(diǎn)和考點(diǎn) 2 單管共射放大電路混合 模型等效電路圖 頻率響應(yīng)的表達(dá)式及波特圖繪制 1 晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管的混合 模型 本章教學(xué)時(shí)數(shù) 6學(xué)時(shí) 童詩(shī)白第三版 本章討論的問(wèn)題 1 為什么要討論頻率響應(yīng) 如何制定一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng) 如何畫(huà)出頻率響應(yīng)曲線 2 晶體管與場(chǎng)效應(yīng)管的h參數(shù)等效模型在高頻下還適應(yīng)嗎 為什么 3 什么是放大電路的通頻帶 哪些因素影響通頻帶 如何確定放大電路的通頻帶 4 如果放大電路的頻率響應(yīng) 應(yīng)該怎么辦 5 對(duì)于放大電路 通頻帶愈寬愈好嗎 6 為什么集成運(yùn)放的通頻帶很窄 有辦法展寬嗎 5 1頻率響應(yīng)概述 5 1 1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性 由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容 所以電路的放大倍數(shù)為頻率的函數(shù) 這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性 小信號(hào)等效模型只適用于低頻信號(hào)的分析 本章將引入高頻等效模型 并闡明放大電路的上限頻率 下限頻率和通頻帶的求解方法 以及頻率響應(yīng)的描述方法 一 高通電路 令 5 1 2頻率響應(yīng)的基本概念 fL稱為下限截止頻率 則有 放大電路的對(duì)數(shù)頻率特性稱為波特圖 對(duì)數(shù)幅頻特性 實(shí)際幅頻特性曲線 圖5 1 3 a 幅頻特性 當(dāng)f fL 高頻 當(dāng)f fL 低頻 高通特性 且頻率愈低 的值愈小 低頻信號(hào)不能通過(guò) 最大誤差為3dB 發(fā)生在f fL處 對(duì)數(shù)相頻特性 圖5 1 3 a 相頻特性 誤差 在低頻段 高通電路產(chǎn)生0 90 的超前相移 二 RC低通電路的波特圖 圖5 1 2RC低通電路圖 令 則 fH稱為上限截止頻率 圖5 1 3 b 低通電路的波特圖 對(duì)數(shù)幅頻特性 對(duì)數(shù)相頻特性 在高頻段 低通電路產(chǎn)生0 90 的滯后相移 小結(jié) 1 電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù) 即決定了fL和fH 2 當(dāng)信號(hào)頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB 且產(chǎn)生 450或 450相移 3 近似分析中 可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性 5 2 1晶體管的混合 模型 一 完整的混合 模型 圖5 2 1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合 模型 5 2晶體管的高頻等效模型 a 晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖 二 簡(jiǎn)化的混合 模型 通常情況下 rce遠(yuǎn)大于c e間所接的負(fù)載電阻 而rb c也遠(yuǎn)大于C 的容抗 因而可認(rèn)為rce和rb c開(kāi)路 圖5 2 2混合 模型的簡(jiǎn)化 a 簡(jiǎn)化的混合 模型 C 跨接在輸入與輸出回路之間 電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜 常將C 等效在輸入回路和輸出回路 稱為單向化 單向化靠等效變換實(shí)現(xiàn) 圖5 2 2簡(jiǎn)化混合 模型的簡(jiǎn)化 b 單向化后的混合 模型 圖5 2 2簡(jiǎn)化混合 模型的簡(jiǎn)化 C 忽略C 的混合 模型 因?yàn)镃 且一般情況下 的容抗遠(yuǎn)大于集電極總負(fù)載電阻R 中的電流可忽略不計(jì) 得簡(jiǎn)化模型圖 C 密勒定理 用兩個(gè)電容來(lái)等效C 分別接在b e和c e兩端 其中 電容值分別為 等效電容的求法 圖5 2 2簡(jiǎn)化混合 模型的簡(jiǎn)化 b 單向化后的混合 模型 圖5 2 2簡(jiǎn)化混合 模型的簡(jiǎn)化 C 忽略C 的混合 模型 三 混合 模型的主要參數(shù) 將混合 模型和簡(jiǎn)化的h參數(shù)等效模型相比較 它們的電阻參數(shù)完全相同 C 可從手冊(cè)中查得Cob Cob與C 近似相等 C 數(shù)據(jù)可從手冊(cè)中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點(diǎn)求解 電流放大系數(shù)的定義 對(duì)數(shù)幅頻特性 fT 20lg 0 對(duì)數(shù)相頻特性 0 1f 1 共射截止頻率f 值下降到0 707 0 即 時(shí)的頻率 當(dāng)f f 時(shí) 值下降到中頻時(shí)的70 左右 或?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB 幾個(gè)頻率的分析 2 特征頻率fT 值降為1時(shí)的頻率 f fT時(shí) 三極管失去放大作用 f fT時(shí) 由式 得 3 共基截止頻率f 值下降為低頻 0時(shí)的0 707時(shí)的頻率 f 與f fT之間關(guān)系 因?yàn)?可得 說(shuō)明 所以 1 f 比f(wàn) 高很多 等于f 的 1 0 倍 2 f fT f 3 低頻小功率管f 值約為幾十至幾百千赫 高頻小功率管的fT約為幾十至幾百兆赫 5 3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型 場(chǎng)效應(yīng)管各極之間存在極間電容 其高頻等效模型如下 一般情況下rgs和rds比外接電阻大得多 可認(rèn)為是開(kāi)路 Cgd可進(jìn)行等效變化 使電路單向化 Cgd等效變化 g s之間的等效電容為 d s之間的等效電容為 由于輸出回路的時(shí)間常數(shù)比輸入回路的小得多 故分析頻率特性時(shí)可忽略的影響 圖5 3 1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型 b 簡(jiǎn)化模型 5 4單管放大電路的頻率響應(yīng) 5 4 1單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 中頻段 各種電抗影響忽略 Au與f無(wú)關(guān) 低頻段 隔直電容壓降增大 Au降低 與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路 高頻段 三極管極間電容并聯(lián)在電路中 Au降低 而且 構(gòu)成RC低通電路 一 中頻電壓放大倍數(shù) 耦合電容可認(rèn)為交流短路 極間電容可視為交流斷路 1 中頻段等效電路 圖5 4 2中頻段等效電路 由圖可得 2 中頻電壓放大倍數(shù) 已知 則 結(jié)論 中頻電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式 與利用簡(jiǎn)化h參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致 二 低頻電壓放大倍數(shù) 考慮隔直電容的作用 其等效電路 圖5 4 3低頻等效電路 C1與輸入電阻構(gòu)成一個(gè)RC高通電路 式中Ri Rb rbe 動(dòng)畫(huà)avi 5 2 avi 輸出電壓 低頻電壓放大倍數(shù) 低頻時(shí)間常數(shù)為 下限 3dB 頻率為 則 對(duì)數(shù)幅頻特性 對(duì)數(shù)相頻特性 因電抗元件引起的相移為附加相移 低頻段最大附加相移為 90度 三 高頻電壓放大倍數(shù) 考慮并聯(lián)在極間電容的影響 其等效電路 圖5 4 4高頻等效電路 動(dòng)畫(huà)avi 5 3 avi 圖5 4 4高頻等效電路的簡(jiǎn)化 a 由于輸出回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時(shí)間常數(shù) 故可忽略輸出回路的結(jié)電容 用戴維南定理簡(jiǎn)化圖5 4 4 b C 與R 構(gòu)成RC低通電路 高頻時(shí)間常數(shù) 上限 3dB 頻率為 的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性 高頻段最大附加相移為 90度 四 波特圖 繪制波特圖步驟 1 根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算 fL和fH 2 由三段直線構(gòu)成幅頻特性 中頻段 對(duì)數(shù)幅值 20lg 低頻段 f fL開(kāi)始減小 作斜率為20dB 十倍頻直線 高頻段 f fH開(kāi)始增加 作斜率為 20dB 十倍頻直線 3 由五段直線構(gòu)成相頻特性 圖5 4 5 幅頻特性 相頻特性 5 4 2單管共源放大電路的頻率響應(yīng) 圖5 4 7單管共源放大電路及其等效電路 在中頻段開(kāi)路 C短路 中頻電壓放大倍數(shù)為 在高頻段 C短路 考慮的影響 上限頻率為 在低頻段 開(kāi)路 考慮C的影響 下限頻率為 電壓放大倍數(shù) 5 4 3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積 1 為了改善放大電路頻率響應(yīng) 應(yīng)降低下限頻率 放大電路可采用直接耦合方式 使得fL 0 2 為了改善單管放大電路的高頻特性 應(yīng)增大上限頻率fH 問(wèn)題 fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾 3 增益帶寬積 中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積 Ri Rb rbe 假設(shè)Rb Rs Rb rbe 1 gmRc Cb c Cb e 說(shuō)明 式不很?chē)?yán)格 但從中可以看出一個(gè)大概的趨勢(shì) 即選定放大三極管后 rbb 和Cb c的值即被確定 增益帶寬積就基本上確定 此時(shí) 若將放大倍數(shù)提高若干倍 則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù) 如愈得到一個(gè)通頻帶既寬 電壓放大倍數(shù)又高的放大電路 首要的問(wèn)題是選用rbb 和Cb c均小的高頻三極管 場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積 自閱 復(fù)習(xí) 1 晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管的混合 模型 2 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 表達(dá)式 波特圖的繪制 三段直線構(gòu)成幅頻特性五段直線構(gòu)成相頻特性 5 5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng) 5 5 1多級(jí)放大電路頻率特性的定性分析 多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù) 對(duì)數(shù)幅頻特性為 在多級(jí)放大電路中含有多個(gè)放大管 因而在高頻等效電路中有多個(gè)低通電路 在阻容耦合放大電路中 如有多個(gè)耦合電容或旁路電容 則在低頻等效電路中就含有多個(gè)高通電路 多級(jí)放大電路的總相位移為 兩級(jí)放大電路的波特圖 圖5 5 1 幅頻特性 一級(jí) 二級(jí) 圖5 5 1 相頻特性 一級(jí) 二級(jí) 多級(jí)放大電路的通頻帶 總是比組成它的每一級(jí)的通頻帶為窄 5 5 2多級(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率的估算 在實(shí)際的多級(jí)放大電路中 當(dāng)各放大級(jí)的時(shí)間常數(shù)相差懸殊時(shí) 可取其主要作用的那一級(jí)作為估算的依據(jù)即 若某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級(jí)的下限頻率 則可認(rèn)為整個(gè)電路的下限頻率就是該級(jí)的下限頻率 同理若某級(jí)的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級(jí)的上限頻率 則可認(rèn)為整個(gè)電路的上限頻率就是該級(jí)的上限頻率 例5 5 1已知某電路的各級(jí)均為共射放大電路 其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖所示 求下限頻率 上限頻率和電壓放大倍數(shù) 2 高頻段只有一個(gè)拐點(diǎn) 斜率為 60dB 十倍頻程 電路中應(yīng)有三個(gè)電容 為三級(jí)放大電路 解 1 低頻段只有一個(gè)拐點(diǎn) 說(shuō)明影響低頻特性的只有一個(gè)電容 故電路的下限頻率為10Hz fH 0 52fH1 0 52 2 105 Hz 106KHz 3 電壓放大倍數(shù) 例5 5 2分別求出如圖所示Q點(diǎn)穩(wěn)定電路中C1C2和Ce所確定的下限頻率的表達(dá)式及電路上限頻率表達(dá)式 解 交流等效電路 圖5 5 3 a Q點(diǎn)穩(wěn)定電路的交流等效電路 1 考慮C1對(duì)低頻特性的影響 b C1所在回路的等效電路 2 考慮C2對(duì)低頻特性的影響 3 考慮Ce對(duì)低頻特性的影響 4 考慮結(jié)電容對(duì)高頻特性的影響 e 結(jié)電容所在回路的等效電路 比較C1 C2 Ce所在回路的時(shí)間常數(shù) 1 2 e 當(dāng)取C1 C2 Ce時(shí) e將遠(yuǎn)小于 1 2 即fLe遠(yuǎn)大于fL1和fL2因此 fLe就約為電路的下限頻率 5 6集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)和頻率補(bǔ)償 5 6 1集成運(yùn)放的頻率響應(yīng) 集成運(yùn)放有很好的低頻特性 fL 0 集成運(yùn)放直接耦合放大電路 集成運(yùn)放高頻特性較差 集成運(yùn)放AOd很大 等效電容或很大 集成運(yùn)放內(nèi)部需接補(bǔ)償電容 末加頻率補(bǔ)償集成運(yùn)放的頻率響應(yīng) 圖5 6 1末加頻率補(bǔ)償 fC 單位增益帶寬 fO 附加相移為 1800對(duì)應(yīng)的頻率 集成運(yùn)放常引入負(fù)反饋 容易產(chǎn)生自激振蕩 自激振蕩產(chǎn)生的條件 存在fO 且fO fC 如何消除自激振蕩 圖5 6 1末加頻率補(bǔ)償?shù)募蛇\(yùn)放的頻率響應(yīng) 5 6 2集成運(yùn)放的頻率補(bǔ)償 頻率補(bǔ)償 在集成運(yùn)放電路中接入不同的補(bǔ)償電路 改變集成運(yùn)放的頻率響應(yīng) 使f fO時(shí) 20lg A0d 1800 從而破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件 使電路穩(wěn)定 穩(wěn)定裕度 幅值裕度 相位裕度 一般要求Gm 10dB m 450 一 滯后補(bǔ)償 在加入補(bǔ)償電容后 使運(yùn)放的幅頻特性在大于0dB的頻率范圍內(nèi)只存在一個(gè)拐點(diǎn) 并按 20dB 十倍頻的斜率下降 即相當(dāng)于一個(gè)RC回路的頻率響應(yīng) 其附加相移為 900 1 簡(jiǎn)單電容補(bǔ)償 將一個(gè)電容并接在集成運(yùn)放時(shí)間常數(shù)最大的那一級(jí)電路中 使幅頻特性中的第一拐點(diǎn)的頻率進(jìn)一步降低 以至增益隋頻率始終按 20dB 十倍頻的斜率下降 直至0dB 設(shè)某運(yùn)放第二級(jí)放大電路輸入端等效電容所在回路的時(shí)間常數(shù)最大 圖5 6 4簡(jiǎn)單電容補(bǔ)償 加C之前 加C之后 將電容C跨接在某級(jí)放大電路的輸入端和輸出端 則折合到輸入端的等效電容C 是C的 Auk 倍 Auk 該級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù) 2 密勒效應(yīng)補(bǔ)償 圖5 6 5密勒效應(yīng)補(bǔ)償 滯后補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn) 降低了上限頻率 二 超前補(bǔ)償 略