电子线路基础第4章课件.ppt
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1、第4章 放大电路的频率响应 第4章 放大电路的频率响应 4.1 频率响应问题概述频率响应问题概述 4.2 三极管的高频等效特性三极管的高频等效特性 4.3 单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应 4.4 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性 4.5 集成运放的频率响应与相位补偿集成运放的频率响应与相位补偿 第4章 放大电路的频率响应 4.1 频率响应问题概述频率响应问题概述 4.1.1 频率响应问题的提出频率响应问题的提出 前面讨论了放大电路的直流特性和交流小信号低频特性。不仅假设输入信号为单一频率的正弦波,而且也未涉及双极型三极管和场效应管的极间电容与耦合电容。实际上在无线通信
2、、广播电视及其它多种电子系统中,输入的信号均含有许多频率成分,因此需要研究放大器对不同频率信号的响应。在放大电路中,正是由于这些电抗元件的存在(包括双极型三极管和结型场效应管的极间电容与耦合电容,甚至于电感线圈等),导致放大电路的许多参数均为频率的函数,当放大电路输入信号的频率过低或过高时,不但放大电路的增益数值受到影响,而且增益相位也将发生改变。第4章 放大电路的频率响应 因此,实际应用中,放大电路的增益是信号频率的函数,这种频率函数关系称之为频率响应,有时也可称之为频率特性。研究放大电路增益的幅度与频率的特性关系,称为放大器的幅频特性;放大电路增益的相位与频率的特性关系,称为放大器的相频特
3、性。第4章 放大电路的频率响应 4.1.2 频率响应线性失真问题频率响应线性失真问题 1.什么是频率响应线性失真什么是频率响应线性失真 在放大电路中,由于耦合电容的存在,对信号构成了高通电路,即对频率足够高的信号而言,电容相当于短路,信号几乎可以无损失地通过;而当信号频率低到一定程度时,电容带来的容抗影响不可忽略,信号将在其上产生压降,从而改变增益大小及相移。与耦合电容相反的是,由于半导体三极管极间电容的存在,对信号构成了低通电路,对低频信号相当于开路,对电路不产生影响,而对高频信号则进行分流,导致增益改变及相移变化。增益改变及相移变化均会带来失真问题,而这种失真的产生主要是来自于同一电路对不
4、同频率信号的不同放大倍数和不同相移的影响,并没有产生新的频率分量,故属于线性失真。第4章 放大电路的频率响应 表4.1结合图4-1(a)放大电路考虑耦合电容C1、C2,旁路电容Ce与晶体管极间电容Cbe,Cbc的等效电路,对放大电路的高频与低频特性作了一个定性对比分析,可有效帮助读者理解高、低频信号对各种电容的影响。第4章 放大电路的频率响应 图4-1 放大电路全电容等效电路与放大特性曲线(a)电路图;(b)特性曲线V1CbcCbeRcReCeC2RL UCCuoRbC1uiAuOf/Hz(a)(b)第4章 放大电路的频率响应 表表4.1 高、低频信号对各种电容的影响(场效管对应类似)高、低频
5、信号对各种电容的影响(场效管对应类似)第4章 放大电路的频率响应 2.线性失真的分类线性失真的分类 线性失真有两种形式:频率失真和相位失真。下面从频域说明线性失真产生的原因。一个周期信号经傅里叶级数展开后,可以分解为基波、一次谐波、二次谐波等多次谐波。假设输入波形Ui(t)仅由基波、二次谐波、三次谐波构成,它们之间的振幅比例为10 6 3,如图4-2(a)所示。该输入波形经过线性放大电路后,由于放大电路对不同频率信号的不同放大倍数,使得这些信号之间的比例发生了变化,变成了10 3 1.5,这三者累加后所得的输出信号Uo(t)如图4-2(b)所示。对比Ui(t),可见两者波形发生了很大的变化,这
6、就是线性失真的第一种形式,即频率失真频率失真。第4章 放大电路的频率响应 图 4-2 幅度失真示意图(a)输入电压;(b)输出电压 基波100二次谐波tt0Ui(t)60t三次谐波t30Uo(t)0基波100ttt30二次谐波t三次谐波1.50(a)(b)放大器Ui(t)Uo(t)第4章 放大电路的频率响应 线性失真的第二种形式如图4-3所示。设输入信号Ui(t)由基波和二次谐波组成,如图(a)所示,经过线性电路后,基波与二次谐波振幅之间的比例没有变化,但是它们之间的时间对应关系变了,叠加合成后同样引起输出波形不同于输入波形,这种线性失真称之为相位失真相位失真。第4章 放大电路的频率响应 图4
7、-3 相位失真示意图(a)输入电压;(b)输出电压 基波二次谐波OtUi(t)二次谐波OtUo(t)基波(a)(b)第4章 放大电路的频率响应 4.1.3 频率响应问题的分析方法频率响应问题的分析方法 在研究放大电路的频率响应时,输入信号常设置在几十到几百兆赫兹的频率范围内,甚至更宽,如目前CMOS工艺放大电路已经设计到了几十吉赫兹,而放大电路的增益范围也很宽。为了能在同一坐标系中表示如此宽的频率范围,由H.W.Bode首先提出了基于对数坐标的频率特性曲线的作图法,称之为波特图法。波特图由对数幅频特性与对数相频特性两部分组成,其横坐标采用对数刻度lg f,幅频特性的纵坐标采用20 lg|Au|
8、,单位为分贝(dB);相频特性的纵坐标采用,单位为角度。这样一方面扩展了表示的范围,另一方面也将增益表达式由乘除运算变成了加减运算。第4章 放大电路的频率响应 为了便于理解波特图在频率响应分析中的应用,首先不妨以无源单级RC低通滤波电路为例进行分析。如图4-4(a)所示RC低通滤波电路,增益为 RCjCjRCjUUAiou1111回路的时间常数为=RC,令H=1/,则 RCfHH21212(4-1)第4章 放大电路的频率响应 代入式(4-1)可得 HHuffjjA1111将幅值与相位分开表示为 2)/(11|HuffAHffarctan(4-4b)(4-4a)第4章 放大电路的频率响应 图4-
9、4 低通电路及其频率响应(a)低通电路;(b)频率响应|uA10.707ffHf04590RiUCoU(a)(b)/()第4章 放大电路的频率响应 用相同的研究方法分析图4-5(a)高通滤波电路,可得图4-5(b)所示高通滤波电路的频率响应曲线,图中fL称为下限截止频率。图4-5 高通电路及其频率响应(a)高通电路;(b)频率响应|uA10.707fL04590fLff0CR(a)(b)/()iUiU第4章 放大电路的频率响应 对于基本放大电路而言,电路中往往既存在上限截止频率,又存在下限截止频率,电路的上限截止频率与下限截止频率之差,称为通频带通频带fBW。fBW=fH-fL 下面利用波特图
10、法进行分析。由式(4-4)可得低通电路的对数频率特性为 21lg20|lg20HuffAHffarctan(4-6a)(4-6b)第4章 放大电路的频率响应 对式(4-6)作一个简单分析,当ffH时,20 lg|Au|-20 lg(f/fH),表明f每上升十倍,增益下降20 dB,即对数幅频特性在此区间可等效为斜率为(-20dB/十倍频)的直线。如图4-6(b)所示。在电路的近似分析中,为简化分析起见,常常将波特图中的曲线近似折线化,称近似波特图。dBAu32lg20|lg20第4章 放大电路的频率响应 图4-6 高通与低通电路的对数频率特性曲线(a)高通电路;(b)低通电路/十倍频/dB|l
11、g20uA03dB20 dB/十倍频ff459000.1f Lf L10f L4503dB/dB|lg20uA0.1fHf H10fH0459020 dB/十倍频/十倍频45ff(a)(b)/()/()第4章 放大电路的频率响应 对近似波特图画法小结:(1)首先确定增益函数极(零)点处的幅频与相频特性,一般具体画出为某一点;(2)设定输入频率远远大于该极(零)点(一般10倍以上即可),代入幅频与相频表达式并对其进行简化,然后画出该区域近似幅频与相频特性波特图;(3)设定输入频率远远小于该极(零)点(一般10倍以下即可),代入幅频与相频表达式并对其进行简化,然后画出该区域近似幅频与相频特性波特图
12、;第4章 放大电路的频率响应 (4)直线连接上述三部分图形(通常为一点与两条直线)来近似代替实际转折点处的曲线。当然,这种方法势必会引入误差,并且在转折点处,误差最大。如图4-6所示;(5)多个极点情形同上。先画出单个极点特性图,之后叠加而成。第4章 放大电路的频率响应 4.2 三极管的高频等效特性三极管的高频等效特性 4.2.1 晶体三极管的完整小信号模型晶体三极管的完整小信号模型 图4-7 晶体管中频小信号模型 ebUebrbb rbebmgUrcecbeoUiU第4章 放大电路的频率响应 图4-8 晶体管结构示意图 cb rbb rbCCcebb rrcrebce第4章 放大电路的频率响
13、应 图4-9 高频完整小信号模型 ebUebrbb rbebmgUrcecbebICcbrCcIbeUceU第4章 放大电路的频率响应 4.2.2 晶体管高频模型的简化晶体管高频模型的简化 图4-10 简化的高频模型 ebUebrbb rbebmgUcbeCCAvceULRebU第4章 放大电路的频率响应 图4-11 miller等效后的单向化模型beUebrbb rbebmgUbeCebUCC cceU第4章 放大电路的频率响应 由密勒定理可以推得图4-11中 CCCACu|)|1(4-7)一般情况下,由于输出回路中C的容抗远大于集电极总负载电阻R L,故C中电流可忽略不计,另外,将输入回路
14、中C与C合并,得 CACCu|)1(因此最终的三极管高频等效模型可以用图4-12 所示模型来等效。第4章 放大电路的频率响应 图4-12 忽略C后的等效模 ebrbb rbebmgUbeCcbeUebUceUC 第4章 放大电路的频率响应 通过上述三极管高频等效模型的单向化分析与简化,可以得出以下 4 点结论:(1)高频分析时,需要考虑三极管结电容C及密勒电容C的影响。(2)由于C及C的存在,使放大电路的输入回路与输出回路各自形成了一个RC回路。由于这两个回路的存在,对放大电路的增益方程会带来两个极点,势必影响电路增益。第4章 放大电路的频率响应 (3)由于输出回路C=C的电容值较小,容抗1/
15、C大,分流作用可忽略,在不接容性负载的情况下,一般不再考虑输出端RC回路。(4)经密勒等效后,输入回路总的等效电容如式(4-8)所示。其中Au近似用放大器中频增益代替。C为跨接于基极与集电极之间的电容,C为原基极输入电容。第4章 放大电路的频率响应 4.2.3 场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型 由于场效应管各电极之间也存在极间电容,因此高频响应与三极管相似。根据场效应管的结构,可得到如图4-13(a)所示高频等效模型。一般情况下,rgs和rds都比外电阻大得多,因而在作近似分析时,可以认为是开路而忽略。第4章 放大电路的频率响应 图4-13 场效应管等效模型(a)场效应管高频等效模
16、型;(b)简化后的模型(a)(b)gsUggsmg UsdsUgsCdsgsUgsgmg UrgsCgsCgdrdsCdsdsULRd第4章 放大电路的频率响应 同样,对于跨接于g、d之间的电容Cgd,也可用miller定理作等效变换,将其折合到输入回路和输出回路,即电路的单向化变换。这样g、s间的等效电容和d、s间的等效电容分别为 gddsdsgdugsgsCCCCACC|)|1(由于C ds容值较小,容抗1/C较大,一般视为开路而忽略,因此场效应管的高频简化模型如图4-13(b)所示。其中栅源等效电容Cgs如式(4-9)所示。(4-9)(4-10)第4章 放大电路的频率响应 4.3 单管放
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