模拟电路4 课件5综述

第五章 放大电路的频率响应,5.1 频率响应概述,5.2 晶体管的高频等效模型,5.4 单管放大电路的频率响应,5.5 多级放大电路的频率响应,5.3 场效应管的高频等效模型,5.6 集成运放的频率响应和频率补偿,5.1 频率响应概述,5.1.1 研究放大电路频率响应的必要性,由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。,小信号等效模型只适用于低频信号的分析。 本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。,第五章,一、 高通电路,令：,5.1.2 频率响应的基本概念,fL 称为下限截止频率,第五章,则有：,放大电路的对数频率特性称为波特图。,第五章,对数幅频特性：,实际幅频特性曲线：,图 5.1.3(a) 幅频特性,当 f fL(高频)， 当 f fL (低频)，,高通特性：,且频率愈低， 的值愈小，低频信号不能通过。,最大误差为 3 dB，发生在 f = fL处,第五章,对数相频特性,图 5.1.3(a) 相频特性,误差,在低频段，高通电路产生 0 90° 的超前相移。,第五章,二、 RC 低通电路的波特图,图 5.1.2 RC 低通电路图,令 ：,则：,fH 称为上限截止频率,第五章,图 5.1.3(b) 低通电路的波特图,对数幅频特性：,对数相频特性：,在高频段，低通电路产生0 90°的滞后相移。,第五章,小结,（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间 常数，即决定了fL和fH。,（2）当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降 3dB，且产生+450或-450相移。,（3）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。,第五章,5.2.1 晶体管的混合 模 型,一、完整的混合 模型,图 5.2.1晶体管结构示意图及混合 模型,5.2 晶体管的高频等效模型,(a)晶体管的结构示意图,第五章,二、简化的混合 模型,通常情况下，rce远大于c-e间所接的负载电阻，而rb/c也远大于C的容抗，因而可认为rce和rb/c开路。,图5.2.2 混合 模型的简化 (a)简化的混合 模型,第五章,C跨接在输入与输出回路之间，电路分析变得相当复杂。常将C等效在输入回路和输出回路，称为单向化。单向化靠等效变换实现。,图5.2.2 简化混合 模型的简化 (b)单向化后的混合 模型,图5.2.2 简化混合 模型的简化 (C) 忽略C的混合 模型,因为C ，且一般情况下。 的容抗远大于集电极总负载电阻R， 中的电流可忽略不计，得简化模型图（C）。,第五章,密勒定理：,用两个电容来等效 C 。分别接在 b、e 和 c、e 两端。,其中：,电容值分别为：,等效电容的求法,图5.2.2 简化混合 模型的简化 (b)单向化后的混合 模型,图5.2.2 简化混合 模型的简化 (C) 忽略C的混合 模型,第五章,三、混合 模型的主要参数,将混合 模型和简化的h参数等效模型相比较，它们的电阻参数完全相同。,C可从手册中查得Cob ， Cob与C近似相等。,C数据可从手册中给定的特征频率fT和放大电路 的Q点求解。,第五章,电流放大系数的定义：,第五章,第五章,对数幅频特性,fT,20lg 0,对数相频特性,0.1f,第五章,1.共射截止频率 f ,值下降到 0.707 0 (即 )时的频率。,当 f = f 时，,值下降到中频时的 70% 左右。或对数幅频特 性下降了 3 dB。,几个频率的分析,第五章,2.特征频率 f T,值降为 1 时的频率。,f fT 时， ，三极管失去放大作用；,f = fT 时，由式,得：,第五章,3.共基截止频率 f,值下降为低频 0 时 的 0.707 时的频率。,第五章,f 与 f 、 fT 之间关系：,因为,可得,第五章,说明：,所以：,1. f 比 f 高很多，等于 f 的 (1 + 0) 倍；,2. f fT f,3. 低频小功率管 f 值约为几十至几百千赫，高频小 功率管的 fT 约为几十至几百兆赫。,第五章,5.3 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,一般情况下 rgs和 rds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,第五章,Cgd等效变化,g-s之间的等效电容为,d-s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，故分析频率特性时可忽略 的影响。,图5.3.1场效应管的高频等效模型(b)简化模型,第五章,5.4 单管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,中频段：各种电抗影响忽略，Au 与 f 无关；,低频段： 隔直电容压降增大， Au 降低。与电路中电阻构成 RC 高通电路；,高频段：三极管极间电容并联在电路中， Au 降低。而且，构成 RC 低通电路。,第五章,一、中频电压放大倍数,耦合电容 可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。,1. 中频段等效电路,图 5.4.2 中频段等效电路,由图可得,第五章,2. 中频电压放大倍数,已知 ，则,结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化 h 参数等效电路的分析结果一致。,第五章,二、低频电压放大倍数,考虑隔直电容的作用，其等效电路：,图 5.4.3 低频等效电路,C1 与输入电阻构成一个 RC 高通电路,式中 Ri = Rb / rbe,(动画avi5-2.avi),第五章,输出电压,低频电压放大倍数,第五章,低频时间常数为：,下限(-3 dB)频率为：,则,对数幅频特性,对数相频特性,因电抗元件引起的相移为附加相移。低频段最大附加相移为+90度,第五章,三、高频电压放大倍数,考虑并联在极间电容的影响，其等效电路：,图 5.4.4高频等效电路,(动画avi5-3.avi),第五章,图 5.4.4 高频等效电路的简化(a),由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。,用戴维南定理简化图 5.4.4(b),第五章, C 与 R 构成 RC 低通电路。,第五章,高频时间常数：,上限(-3 dB)频率为：,的对数幅频特性和相频特性,高频段最大附加相移为-90度,第五章,四、波特图,绘制波特图步骤：,1. 根据电路参数计算 、fL 和 fH ；,2. 由三段直线构成幅频特性。,中频段：对数幅值 = 20lg,低频段： f = fL开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；,高频段：f = fH 开始增加，作斜率为 20 dB/十倍频直线。,3. 由五段直线构成相频特性。,第五章,图 5.4.5,幅频特性,相频特性,第五章,5.4.2 单管共源放大电路的频率响应,图5.4.7 单管共源放大电路及其等效电路,在中频段 开路，C短路，中频电压放大倍数为,第五章,在高频段，C短路，考虑 的影响，上限频率为：,在低频段， 开路，考虑C的影响，下限频率为：,电压放大倍数,第五章,5.4.3 放大电路频率响应的改善和增益带宽积,1. 为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率， 放大电路可采用直接耦合方式，使得fL 0,2. 为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限 频率fH。,问题： fH的提高与Ausm的增大 是相互矛盾。,第五章,3.增益带宽积,中频电压放大倍数与通频带的乘积。,Ri = Rb / rbe,假设 Rb Rs，Rb rbe； (1 + gmRc)Cbc Cbe,第五章,说明：,式不很严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和 Cbc 的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。,如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用 rbb 和 Cbc 均小的高频三极管。,* 场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅）,第五章,复习：,1.晶体管、场效应管的混合 模型,2.单管共射放大电路的频率响应,表达式：,波特图的绘制： 三段直线构成幅频特性 五段直线构成相频特性,第五章,5.5 多级放大电路的频率响应,5.5.1 多级放大电路频率特性的定性分析,多级放大电路的电压放大倍数：,对数幅频特性为：,在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有多个低通电路。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路。,第五章,多级放大电路的总相位移为：,两级放大电路的波特图,图 5.5.1,幅频特性,一 级,二 级,第五章,图 5.5.1,相频特性,一 级,二 级,多级放大电路的通频带，总是比组成它的每一级的通频带为窄。,第五章,5.5.2 多级放大电路的上限频率和下限频率的估算,在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据 即：若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。,第五章,例5.5.1 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。求下限频率、上限频率和电压放大倍数。,（2）高频段只有一个拐点，斜率为-60dB/十倍频程，电路中应有三个电容，为三级放大电路。,解：（1）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的下限频率为10Hz。,fH0.52fH1=(0.52×2×105)Hz=106KHz,（3）电压放大倍数,第五章,例5.5.2 分别求出如图所示Q点稳定电路中C1 C2和Ce所确定的下限频率的表达式及电路上限频率表达式。,解：交流等效电路,图5.5.3(a)Q点稳定电路的交流等效电路,第五章,1.考虑C1对低频特性的影响,(b) C1所在回路的等效电路,2.考虑C2对低频特性的影响,第五章,3.考虑Ce对低频特性的影响,4.考虑结电容对高频特性的影响,(e)结电容所在回路的等效电路,比较C1、C2、Ce所在回路的时间常数1、2、e,当取C1C2Ce时，e将远小于1,2，即fLe远大于fL1和fL2 因此，fLe就约为电路的下限频率。,第五章,5.6 集成运放的频率响应和频率补偿,5.6.1 集成运放的频率响应,集成运放有很好的低频特性（fL0）：,集成运放直接耦合放大电路,集成运放高频特性较差：,集成运放AOd很大， 等效电容 或 很大；集成运放内部需接补偿电容。,末加频率补偿集成运放 的频率响应,图5.6.1 末加频率补偿,第五章,fC 单位增益带宽,fO 附加相移为± 1800 对应的频率,集成运放常引入负反馈，容易产生自激振荡。,自激振荡产生的条件,存在fO，且fO fC,如何消除自激振荡？,图5.6.1 末加频率补偿的集成运放的频率响应,第五章,5.6.2 集成运放的频率补偿,频率补偿：在集成运放电路中接入不同的补偿电路，改变集成运放的频率响应，使f=fO时， 20lgA0d-1800 ，从而破坏产生自激振荡的条件，使电路稳定。,稳定裕度,幅值裕度,相位裕度,一般要求Gm-10dB,m450,第五章,一、滞后补偿,在加入补偿电容后，使运放的幅频特性在大于0dB的频率范围内只存在一个拐点，并按-20dB/十倍频的斜率下降，即相当于一个RC回路的频率响应。其附加相移为- 900。,1.简单电容补偿,将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级电路中，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低，以至增益隋频率始终按-20dB/十倍频的斜率下降，直至0dB。,第五章,设某运放第二级