放大电路的频率响应

放大电路的频率响应 第五章 放大电路的频率响应 在实际应用中，电子电路所处理的信号，如语音信号、电视信号等都不是简单的单一频率信号，它们都是由幅度及相位都有固定比例关系的多频率分量组合而成的复杂信号，即具有一定的频谱。如音频信号的频率范围从20Hz到20Hz，而视频信号从直流到几十兆赫。 由于放大电路中存在电抗元件(如管子的极间电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等)，使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。 如放大电路对不同频率信号的幅值放大不同，就会引起幅度失真。如放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。幅度失真和相位失真总称为频率失真，由于此失真是由电路的线性电抗元件(电阻、电容、电感等)引起的，故不称为线性失真。 为实现信号不失真放大所以要需研究放大器的频率响应。 5(1频率失真与非线性失真 频率失真和非线性同样都是使输出信号产生畸变，但两者在实质上是不同的。 具体体现以下两点: 1. 起因不同:频率失真是由电路中的线性电抗元件对不同信号频率的响应不同而引起，非线性失真由电路的非线性元件(如BJT、FET的特性曲线性等)引起的。 2. 结果不同:频率失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生变化，或滤掉某些频率分量信号。但非线失真，会将正弦波变为非正弦波，它不仅包含输入信号的频率成分(基波)，而且还产生许多新的谐波成分。 5.1.1 时间常数RC电路的频率响应 放大电路频率响应的基本概念 1. 放大电路的频率响应 频率响应表达式 表示电压放大倍数的模与频率 的关系，称为幅频响应。 表示放大器输出电压与输入电压之间的相位差 与频率的关系，称为相频响应。 2. RC耦合放大器的幅频特性 RC耦合放大器的幅频特性曲线如图所示。 中频区:在一个较宽的频率范围内，曲线是平坦的。即放大倍数不随信号频率而变。(在此频率范围内，耦合电容、射极旁路电容视为短路，极间电容视为开路)。 高频区(高于f的频率范围):当信号频率升高时，放大倍数随频H 率的升高而减少。(在此频率范围幅频特性主要受BJT的极间电容的影响)。 低频区(低于f的频率范围) L 当频率降低时，放大倍数随频率的降低而减少。(在此频率范围幅频特性主要受耦合电容和旁路电容的影响)。 通频带(BW) 当A下降到0.707A时所确定的两个 VHVH 频率f和f之间的频率范围:BW=f-f HLHL 波特图 在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽(从几赫到几百兆赫以上)，放大电路的放大倍数也很大(可达百万倍)，为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值(用dB表示)或相角采用线性刻度。这种半对数坐标特性曲线称为对数频率特性或波特图。 波特图可采用如前所述折线法近似作出。 5.1.2 RC低通电路的频率响应 放大电路高频区的频率响应可用图所示的RC低通电路来模拟。 1. 频率响应 其中 2. 幅频响应波特图 幅频响应可在波特图中用两条直线来近似描述: ?当 时 用分贝表示为: ?当 时 用分贝表示为 此直线的斜率为,20dB/十倍频程，它与零分贝线在 处相交。 近似的幅频响应如图所示。 3、相频响应 可用三条直线来近似描述: (1)当 时，得一条 的直线。 (2)当 时，得一条 的直线。 (3)当 时， 。 由于当 或 时，相应可近似 得 和 ，故在 和 之间， 可用一条斜率为 /十倍频程的直线来表示。 可画得相频响应图。 5.1.3RC高通电路的频率响应 频率响应 令 则: 幅频响应为: 幅频响应为: 采用与低通电路同样的折线似方法，可画出高通电路的幅频和相 频响应曲线图。 5(2 单级放大器的高频响应 1. BJT高频小信号建模 5(2(1模型的引出: 根据BJT的特性方程，H参数低频小信号模型不适用于高频特性分析，这是因为在高频运用的情况下，其物理过程与低频小信号比较有差异,主要表现在BJT的极间电容不可可略。 BJT的高频小信号模型如图所示。 模型中参数的获取 高频小信号模型中的元件参数可以通过实验得到，这里介绍的是它与低频小信号模型参的关系。由于高频小信号模型中的元件参数，在很宽的频率范围内与频率无关，所以模型中的电阻参数和互导g都可以通过低频小信号模型参数得到。在低频区，如果忽略m C和C影响时，可得如图1所示的低频小信号模型。将图2与b?cb?e 低频小信号模型比较，在输入回路有: 由上式得 再从输出回路比较可得如下的关系: 图1 低频小信号模型 图2 小信号模型等效电路 将图2与低频小信号模型比较，在输入回路有: 由上式得 再从输出回路比较可得如下的关系: 由于 C就是电容C，可以从手册中查到。 bcob C可通过下式计算: be 式中f为BJT的特征频率，亦可从手册中查到。 T BJT频率参数 可得其幅频特性曲线，如图所示。 特征频率f T 当 β的频响曲线以-20dB/十倍频程的斜率下降，直至增益为0dB时的某一频率f称为特征频 T 率。当 时 。f的典型值在100,1000MHzT 之间。 5(2(2单级共射放大电路的高频响应 1. 根据高频区工作特点画出高频小信号等效电路 高频区考虑 的作用，而耦合电容 C仍可视为短路，高频小信号等效电路如下图所示。 2. 频响分析 电路高频响应与低通电路的频率响应相似，可按以前的方法画出相类似的波特图。 5(2(3单级共射放大电路的低频响应 1、画出低频小信号等效电路在低频区应将 开路，而考虑C的作用， 可画出低频小信号等效电路如图所示。 2、频响分析 低频电压放大倍数用 表示 放大电路的低频响应与RC高通频响形式一样，只差一个常数倍。所以它的波特图形式与RC高通类似。 单级共射放大电路的全频域响应的综合前面我们已分别讨论了电压放大倍数在中频段、低频段和高频段的频率响应，现在把它们加以综合，就可得到完整的单级共射电路电压放大倍数的全频域响应。 将放大倍数的三个频区的频响表达式综合，可写出放大倍数 的近似式: 当 时，则上式变为 单级放大电路的带宽-增益积 增益带宽积的引入 为了使带宽增加，可设法提高上限频率，即减小 及其回路电阻。 减小 则 需减小 则 减小。 可见，f的提高与 相矛盾。 H 为了综合考察这两方面的性能，引入一个新的参数——增益带宽积。 增益-带宽积的定义:放大电路电压增益( )与通频带(f)的bw乘积。 上式表明，为了改善电路的高频特性，展宽频带，首先应选用r和C均小的高频管，并且与此同时，尽量减小 所在回路的bbob 总等效电阻。另外，还可考虑采用共基电路。 5(2(4射极偏置电路的低频响应 要分析简化电路其低频响应，首先画出它的低频小信号等效电路，如图1所示。 为便于分析对电路需作一些合理的近似，使其简化。 1、设 远大于放大电路本身的输入阻抗，以致R的影b响可以忽略; C的值足够大 e 除去RR得简化电路如图2所示。 、eb 2、把C折算到基极电路，折算后的容抗为 e 折算后的电容为 基极回路中的总电容C为 1 且一般 ，C的作用可忽略。这样可最后的简化电路图。 e 射极偏置电路的下限截止频率的确定 由图可得 设中频区电压增益为 因此 式中 如果f和f二者之间的比值在四倍以上，则可取较大的值作为L1L 放大电路的下限频率。 共基放大电路的高频响应根据共基电路的交流通路可画出其高频小信号等效电路如图所示。我们来考察BJT电容C和C以及负载b,eb,e电容C对高频响应的影响。 L 一、C的影响:由共基电路高频小信号等效电路可见，如果忽略b,e r的影响， bb, 则C直接接于输入端，输入电容C=C，不存在密勒倍增效应，b,cib,c 且与C无关。 b,c 所以，共基电路的输入电容比共射电路的小得多，f很高。理论分H1析的结果 。 二、C以及负载电容C的影响 b,cL 如果忽略r的影响， bb, 则C直接接到输 b,c 出端，也不存在密 勒倍增效应。输出回路时常数 为 ，输出回路决定的f为 H2 小结:本章主要介绍了单级放大器的频率响应。 例. 已知:R=560KΩ，R=5.1KΩ，R=R=560KΩ，R=1MΩ，bc1LV=V=12V，β=50 CC1CC2 V12VCC1I,,,21.4(,A)I,,I,1.07(mA) BCBR560K,b+VCC1 RC Rb + V,VCC1CC2R 1 V,V,(，,I)(R//R//R)+CECC1LC uo RRRL C1ui -VCC2 - - ,V,V,RI,6.54(V)CECC1CC 26mV26 r,200，(1，,),200，，1000,1.41(K,)beImA21.4E R,R//r,r,1.41(K,)R,R//R//r,R,5.19(K,)ibbebeoC1ceC -+ VCC1 VCC2 -+ RRRR,(////),1LCCRRA,,,,,,181R1 C L vrrbebe VC IC 例. 已知:R=2.9KΩ，R=2.3KΩ，R=2KΩ，R=88KΩ， c1c2e2sV=V=12V，V=|V|=0.7V，β=40，β=20，v=0时，CCEEBE1BE212s，VCC RRv=0 e2 c1 o V,VV12VREEBE1EES ,I,,,,35(A) B1RR306K,SS+ I,,I,1.57(mA)I,I,I,1.39(mA)C11B1Rc1B2C1vS + Rc2 v-o - -V EE IVC2EEI,,3.64(mA)I,,182(A),C2B2R,C22 V,V,RI,4.72(V)CE2CCe2C2 V,V，V,RI,17.42(V) CE1CCEEC1RC1 26mV26mVr,200，(1，,),644(,)r,200，(1，,),350(,) be11be22I(mA)ImAE1E2 R,r，(1，,)R,42.2(K,)i2be22e2 ,RR42.2C1i2,,v,,v,,248vv,v,，(,248)v,,227vo1iio1o1ii rR，R3.9，42.2be1C1i2 ,R2C2v,,v,355v,A,355 oo1ivRi2 注:调节R，使达到零入零出。 s 例. 已知:β=β=β=100，R=2.6KΩ 12L ，12V V=V=0.7V BE1BE2 12KΩ 91KΩ 1.5MΩ 12,0.7 + I,,5(,A)B11500，7.5，101 + vRo L vi 5.1KΩ 7.5KΩ30KΩ -- I,I,101，5,0.51(mA)C1E1 V,12,7.5，0.51,8.21(V)CE1 30V,，12,2.98(V) B291，30 26mV26mV r,200，101，,5.35(K,)r,200，101，,6.04(K,)be1be20.51mA0.45 2.98,0.7 I,I,,0.45(mA)V,12,(12，5.1)，0.45,4.37(V)C2E2CE25.1 R,1500//(5.35，101，7.5),506(K,)R,12(K,)io 5.35 R,7.5//(),53(,)R,91//30//6.04,4.76(K,)o1i2101 R i2100，(12//3.6),,,v,vv,v,v,vo1io1o1o1iv,,v,,46v,A,,46R，Roo1ivi2o16.04 +12V 例. 已知:β=β=β=100，V=V=0.7V 12BE1BE2 180KΩ 12KΩ 91KΩ 30 V,，12,2.98(V)B191，30 + +v i 2.98,0.730KΩ2.6KΩ 5.1KΩ vI,I,,0.45(mA)o 2.6KΩ C1E15.1- - V,12,(12，5.1)，0.45,4.37(V)CE1 12,0.7I,,21(A),B2180，3.6，101 I,I,101，21,2.12(mA)C2E2 V,12,3.6，2.12,4.36(V)CE2 R,91//30//6.04,4.76(K,)R,180//(1.44，101，3.6),121(K,)ii2 26mV26mVr,200，101，,6.04(K,)r,200，101，,1.44(K,)be1be20.45mA2.12 1.44，12//180 R,3.6//(),122(,)R,12(K,)oo1101 100，(12//3.6)121 ,,,v,,v,,46v,v,v,0.91v,v,,46，0.91v,,42vo1iio1o1o1oii6.04121，12 ,A,,42v 本章小结 半导体三极管是由两个PN结组成的三端有源器件。有NPN型和PNP型两大类，两者电压、电流的实际方向相反，但具有相同的结构特点，即基区宽度薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电结面积大，这一结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内部条件。 三极管是一种电流控制器件，即用基极电流或发射极电流来控 制集电极电流，故所谓放大作用，实质上是一种能量控制作用。放大作用的实现，依赖于三极管发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置这一条件的满足，以及静态工作点的合理设置。 三极管的特性曲线是指各极间电压与各极电流间的关系曲线，最常用的是输出特性曲线和输入特性曲线。它们是三极管内部载流子运动的外部表现，因而也称外部特性。 器件的参数直观地表明了器件性能的好坏和适应的工作范围，是人们选择和正确使用器件的依据。在三极管的众多参数中，电流放大系数、极间反向饱和电流和几个极限参数是三极管的主要参数，使用中应予以重视。 图解法和小信号模型分析方法是分析放大电路的两种基本方法。图解法的要领是:先根据放大电路直流通路的直流负载线方程作出直流负载线，并确定静态工作点Q，再根据交流负载线的斜率为–1/(R//R)及过Q点的特点，作出交流负载线，并对应画出输入CL 信号、输出信号(电压、电流)的波形。 小信号模型分析方法的要领是:在小信号工作条件下，用H参数小信号模型等效电路(一般只考虑三极管的输入电阻和电流放大系数)代替放大电路交流通路中的三极管，再用线性电路原理分析、计算放大电路的动态性能指标，即电压增益 、输入电阻R和输出i电阻R等。小信号模型等效电路模型只能用于电路的动态分析，不o 能用来求Q点，但其H参数值却与电路的Q点直接相关。 温度变化将引起三极管的极间反向电流、发射结电压v、电流BE放大系数b随之变化，从而导致静态电流I不稳定。因此，温度变C 化是引起放大电路静态工作点不稳定的主要原因，解决这一问题的办法之一是采用基极分压式射极偏置电路。