放大器的頻率特性.ppt

第3章 放大器的頻率特性 退出 301 目錄 3 1線性失真及其分析方法 302 3 3多級(jí)放大器的頻率響應(yīng) 385 3 4放大器的階躍響應(yīng) 393 3 2單級(jí)放大器的頻率響應(yīng) 338 退出 302 3 1線性失真及其分析方法 3 1 1線性失真 3 1 2分析方法 退出 返回 303 由于放大電路中存在電抗元件 電容 電感等 所以在放大含有豐富頻率成分的信號(hào) 如語(yǔ)音信號(hào) 脈沖信號(hào)等 時(shí) 導(dǎo)致輸出信號(hào)不能重現(xiàn)輸入信號(hào)的波形 這種在線性系統(tǒng)中產(chǎn)生的失真稱為線性失真 3 1 1線性失真 1 基本概念 豐富頻率成分的信號(hào) 電路中有電抗元件 輸出畸變 線性失真 退出 返回 304 例3 1 RC電路如圖所示 當(dāng)輸入信號(hào)為周期為1ms的方波時(shí) 試分析輸出電壓波形產(chǎn)生失真的原因 3 1 1線性失真 1 基本概念 退出 305 對(duì)輸入信號(hào)做傅里葉分解 可見輸入信號(hào)中包含豐富的頻率成分 由于電容C對(duì)于不同頻率呈現(xiàn)不同容抗 從而 使輸出波形產(chǎn)生了失真 由于RC電路是線性電路 可以用疊加原理 將輸入信號(hào)的各個(gè)頻率分量分別作用于RC電路 最后在輸出端求和 1 基本概念 退出 3 1 1線性失真 306 幅度失真 與振幅頻率特性有關(guān) 放大器對(duì)輸入信號(hào)的不同頻率分量的放大倍數(shù)大小不同 使輸出信號(hào)各個(gè)頻率分量的振幅相對(duì)比例關(guān)系發(fā)生了變化 從而導(dǎo)致輸出波形失真 2 線性失真的分類 例3 2 退出 3 1 1線性失真 307 輸入信號(hào)由基波 二次諧波和三次諧波組成 輸入信號(hào)基波 二次和三次諧波振幅比為10 6 2 輸出信號(hào)基波 二次和三次諧波振幅比為10 3 0 5 因此出現(xiàn)失真 退出 3 1 1線性失真 308 2 線性失真的分類 放大器對(duì)輸入信號(hào)的不同頻率分量滯后時(shí)間不相等而造成的輸出波形失真 相位失真 與相位頻率特性有關(guān) 退出 3 1 1線性失真 309 3 不失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件 即 從幅頻特性上看放大倍數(shù)的幅值與頻率無(wú)關(guān) 1 不產(chǎn)生幅度失真的條件 退出 3 1 1線性失真 310 3 不失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件 從相頻特性上看放大器對(duì)各頻率分量滯后時(shí)間相同 即 2 不產(chǎn)生相位失真的條件 退出 3 1 1線性失真 311 3 不失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件 對(duì)于要放大的輸入信號(hào) 其主要頻率成分總是集中在一定的頻率范圍內(nèi) 通常稱為信號(hào)帶寬 對(duì)于幅度失真 只要放大器的通頻帶略大于信號(hào)帶寬 就可以忽略幅度失真 對(duì)于相位失真 在話音通信中的中的放大器 可以不考慮相位失真 但在圖像通信中的放大器 則必須考慮 退出 3 1 1線性失真 312 4 和非線性失真的區(qū)別 產(chǎn)生原因不同線性失真是含有電抗元件的線性電路產(chǎn)生的失真 非線性失真是含有非線性元件 如晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管等 的非線性電路產(chǎn)生的失真 退出 3 1 1線性失真 313 4 和非線性失真的區(qū)別 線性失真的大小與輸入信號(hào)幅度的大小無(wú)關(guān) 而非線性失真的大小與輸入信號(hào)幅度大小密切相關(guān) 對(duì)于放大電路還與Q點(diǎn)位置有關(guān) 2 產(chǎn)生結(jié)果不同線性失真不會(huì)產(chǎn)生新的頻率成分 非線性失真產(chǎn)生了輸入信號(hào)所沒(méi)有的新的頻率成分 退出 3 1 1線性失真 314 例3 3 某放大器中頻電壓增益 下限頻率 上限頻率 最大不失真輸出電壓為10V 當(dāng)輸入信號(hào)為下列情況時(shí) 判斷輸出信號(hào)是否失真 如是 為何種失真 3 1 1線性失真 退出 315 該信號(hào)包含兩個(gè)頻率信號(hào) 1 5kHz和50kHz 均處于中頻區(qū) 故不會(huì)產(chǎn)生線性失真 但1 5kHz分量的信號(hào)幅度遠(yuǎn)大于線性區(qū)允許的輸入電壓幅度最大值 即信號(hào)的最大值為10V 故會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真 解 該信號(hào)為單頻信號(hào) 雖然該信號(hào) 放大倍數(shù)會(huì)降低 但輸出仍為單頻正弦波 不存在線性失真 線性區(qū)允許的輸入電壓的最大幅值為10 10 1V 故不會(huì)產(chǎn)生非線性失真 退出 3 1 1線性失真 316 該信號(hào)的兩個(gè)頻率分量 1 5kHz處于中頻區(qū) 150kHz處于高頻區(qū) 故會(huì)產(chǎn)生線性失真 兩個(gè)信號(hào)分量的幅度均小于允許的輸入電壓最大值 疊加之后的信號(hào)在t為處有最大值0 1V 故不產(chǎn)生非線性失真 該信號(hào)的兩個(gè)頻率分量 3Hz處于低頻區(qū) 1 5kHz處于中頻區(qū) 故產(chǎn)生線性失真 疊加后的信號(hào)在t為s有最大值為0 2V 故不產(chǎn)生非線性失真 退出 317 1 線性失真的概念 2 分類 3 不失真?zhèn)鬏敆l件 4 和非線性失真的區(qū)別 小結(jié) 退出 3 1 1線性失真 318 3 1 2分析方法 1 基本知識(shí) 設(shè)系統(tǒng)的傳輸函數(shù)為 將上式因式分解為 式中n m 退出 返回 319 1 基本知識(shí) 在式 中 分子等于零的根 零點(diǎn) 分母等于零的根 極點(diǎn) 因此一個(gè)線性系統(tǒng)的傳輸函數(shù)完全由零極點(diǎn)和比例因子決定 據(jù)此可分析線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 退出 3 1 2分析方法 320 1 基本知識(shí) 將放大器的增益函數(shù)表示為 可將上式改成標(biāo)準(zhǔn)形式 即 退出 3 1 2分析方法 321 對(duì)于正弦輸入信號(hào) 增益函數(shù)可表示為 1 基本知識(shí) 由上述的增益函數(shù)表達(dá)式可以得到用分貝表示的增益函數(shù)的幅值與頻率的關(guān)系 幅頻特性 也可得到增益函數(shù)的相位和頻率的關(guān)系 相頻特性 退出 3 1 2分析方法 322 幅頻特性 用分貝表示模值 相頻特性 退出 1 基本知識(shí) 3 1 2分析方法 323 1 基本知識(shí) 幅頻特性波特圖 橫坐標(biāo)用頻率對(duì)數(shù)刻度 縱坐標(biāo)用dB表示 描述幅頻特性曲線 相頻特性波特圖 橫坐標(biāo)用頻率對(duì)數(shù)刻度 縱坐標(biāo)用度 或弧度 表示 描述相頻特性曲線 由上式可以看出 在求增益函數(shù)的幅頻和相頻特性時(shí) 可以先分別求出單個(gè)零極點(diǎn)的貢獻(xiàn) 最后合成 退出 3 1 2分析方法 324 2 漸近線波特圖法 1 一階零點(diǎn) 設(shè)一階零點(diǎn)表達(dá)式為 幅頻特性 當(dāng)時(shí) 幅頻特性是斜率為20dB 十倍頻的斜線 在處的模值應(yīng)為3 01dB 因此實(shí)際的幅頻特性曲線如虛線所示 當(dāng)時(shí) 幅頻特性為0dB 這樣用兩線段構(gòu)成的折線就稱為漸近線波特圖 它與實(shí)際曲線存在一定的誤差 如 退出 3 1 2分析方法 325 2 漸近線波特圖法 1 一階零點(diǎn) 相頻特性為 實(shí)際上 在處和處的相角分別為5 7 和84 3 實(shí)際的相頻特性曲線如虛線所示 退出 斜率為45 十倍頻程的直線 3 1 2分析方法 326 折線誤差 幅值誤差 dB 相位誤差 0 1 0 04 5 7 0 5 1 4 0 1 3 01 0 2 1 4 0 10 0 04 5 7 退出 3 1 2分析方法 327 2 漸近線波特圖法 2 一階極點(diǎn) 設(shè)一階極點(diǎn)表達(dá)式為 幅頻特性 當(dāng)時(shí) 幅頻特性是斜率為 20dB 十倍頻的斜線 實(shí)際上 在處的模值為 3 01dB 當(dāng)時(shí) 幅頻特性為0dB 退出 3 1 2分析方法 328 2 漸近線波特圖法 2 一階極點(diǎn) 相頻特性為 退出 斜率為 45 十倍頻程的直線 3 1 2分析方法 329 幅頻特性為 相頻特性為 3 原點(diǎn)處的零點(diǎn) 表達(dá)式為 可以看出 零點(diǎn) 則 退出 2 漸近線波特圖法 3 1 2分析方法 330 幅頻特性為 相頻特性為 3 原點(diǎn)處的極點(diǎn) 表達(dá)式為 可以看出 極點(diǎn) 則 退出 2 漸近線波特圖法 3 1 2分析方法 331 試畫出其幅頻特性和相頻特性漸近線波特圖 例3 4 已知某放大器的增益函數(shù)為 解 由增益函數(shù) 可以看出 兩個(gè)一階極點(diǎn) 退出 一個(gè)原點(diǎn)處的零點(diǎn) 2 漸近線波特圖法 3 1 2分析方法 332 1 將增益函數(shù)寫成標(biāo)準(zhǔn)形式 幅頻特性為 則 相頻特性為 退出 3 1 2分析方法 333 2 畫出單個(gè)零極點(diǎn)的漸近線幅頻特性波特圖 退出 3 1 2分析方法 334 2 畫出單個(gè)零極點(diǎn)的漸近線相頻特性波特圖 退出 3 1 2分析方法 335 3 計(jì)算機(jī)輔助分析法 MATLAB語(yǔ)言 由于漸近線波特圖分析法存在誤差 因此為了精確分析放大器增益函數(shù)的幅頻特性和相頻特性曲線 可以根據(jù)增益函數(shù)的表達(dá)式 用MATLAB語(yǔ)言寫程序 例3 5 已知某放大器的增益函數(shù)為 用MATLAB編程畫出其幅頻特性和相頻特性漸近線波特圖 退出 3 1 2分析方法 336 解 變換增益函數(shù)形式為 程序如下 g tf 010e 80 110010010e 7 bode g 1 10e 7 g為增益函數(shù)的分子分母的系數(shù) bode是MATLAB中繪制系統(tǒng)波特圖的命令 退出 3 1 2分析方法 337 MATLAB語(yǔ)言 程序運(yùn)行后得到的波特圖如下圖所示 退出 3 1 2分析方法 338 3 2單級(jí)放大器的頻率響應(yīng) 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 3 2 2頻率響應(yīng)分析 3 2 3晶體管的高頻參數(shù) 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 退出 返回 339 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 1 混合 型等效電路 考慮到PN結(jié)的電容效應(yīng)及晶體管的性質(zhì) 可得到晶體管的物理模擬電路 體電阻 基區(qū)體電阻 通常為10 100 集電區(qū)體電阻 發(fā)射區(qū)體電阻 一般都小于10 退出 返回 340 折合到基極支路的發(fā)射結(jié)正向電阻 表示輸出電壓對(duì)輸入電壓的反饋?zhàn)饔?約為幾M 表示輸出電壓對(duì)輸出電流的影響 約為10 1000k 集電結(jié)電容 約為2 10pF 發(fā)射結(jié)電容 約為100 500pF 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 341 對(duì)應(yīng)于H參數(shù)等效電路 有 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 342 忽略發(fā)射區(qū)和集電區(qū)體電阻 將晶體管接成共射接法 可得到晶體管的高頻混 等效電路 由等效電路中可看出 輸入和輸出被連到一起 使得分析復(fù)雜化 因此需要簡(jiǎn)化等效電路 由于約為幾M 通常滿足所以可以將斷開 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 343 2 密勒定理 密勒定理是用來(lái)對(duì)電路進(jìn)行單向化的 1 原理電路圖 節(jié)點(diǎn)0為參考節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)1為輸入節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)2為輸出節(jié)點(diǎn) Z為跨接在輸入和輸出之間的阻抗 目的 將阻抗Z等效到輸入回路和輸出回路中 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 344 2 密勒定理 2 簡(jiǎn)化分析 令 則 即 同理 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 345 3 等效電路 根據(jù)上述分析 可以將跨接阻抗等效為一折合到輸入端的并聯(lián)阻抗Z1和輸出端的并聯(lián)阻抗Z2 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 346 例3 6如圖電路 用密勒定理將圖 a 電路等效為圖 b 求圖 b 中的C1 C2為何值 解 退出 347 例3 7某放大器的交流通路如圖所示 試用密勒定理將Rf等效 解 等效原理圖如圖 b 所示 這里 由于是CC電路 小于1 但接近于1 因此是一個(gè)絕對(duì)值很大的負(fù)電阻 通常滿足與的并聯(lián)值近似為 即可視為開路 退出 348 3 簡(jiǎn)化混合 型等效電路 根據(jù)密勒定理的結(jié)論 可得 其中 輸入端為b e端 輸出端為ce端 的容抗即為跨接在輸入輸出間的阻抗 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 349 并且其容抗和rce一般均遠(yuǎn)大于交流負(fù)載電阻 因此可忽略不計(jì) 將等效到輸入和輸出端 得到等效電路如圖所示 簡(jiǎn)化混合 型等效電路 簡(jiǎn)化混合 型等效電路也稱為單向化模型 退出 3 2 1雙極晶體管高頻混合 型等效電路 350 3 2 2頻率響應(yīng)分析 定性分析 由于要考慮電路中的電抗性元件對(duì)不同頻率成分的響應(yīng)不同 因此在分析放大器的頻率響應(yīng)時(shí)應(yīng)充分考慮電路中的每個(gè)電抗元件在不同頻率區(qū)域內(nèi)的不同影響 圖示電路為電容耦合共射電路 輸入 輸出耦合電容 旁路電容 晶體管極間電容 在分析頻率響應(yīng)時(shí) 采用分頻區(qū)分析法 即劃分成低頻 中頻和高頻三個(gè)不同的頻率區(qū)域進(jìn)行分析 通常 C1 C2和Ce的容量較大 以 F為單位 而的容量較小 以pF為單位 退出 返回 351 1 中頻區(qū)頻率響應(yīng)分析 特點(diǎn) 所有電容的影響均可忽略不計(jì) 中頻區(qū)等效電路如下 在中頻區(qū) 由于和的容量很大 即容抗很小 因此可以視為短路 而極間電容容量很小 即容抗很大 因此可以視為開路 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 352 中頻區(qū)源電壓放大倍數(shù) 其中 可見 中頻區(qū)電壓放大倍數(shù)是一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù) 因此 其幅頻特性為一條水平線 幅值 dB 為對(duì)于共射電路 其相頻特性為的一條水平直線 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 353 2 低頻區(qū)頻率響應(yīng)分析 特點(diǎn) 考慮C1 C2 Ce的作用 根據(jù)容抗的計(jì)算公式 由于頻率 降低 極間電容更可被視為開路 而耦合電容和旁路電容的容抗增大 不能再視為短路 低頻區(qū)等效電路 多數(shù)情況下 射極旁路電容Ce的容量很大 其容抗很小 所以即使在低頻區(qū)仍將其視為短路 分別位于輸入回路和輸出回路中 由于輸入回路和輸出回路之間僅有地線連接 可以將輸入回路和輸出回路分開考慮 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 354 低頻區(qū)源電壓放大倍數(shù) 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 355 3 2 2頻率響應(yīng)分析 356 式中 根據(jù)回路時(shí)間常數(shù)的概念 即 輸入回路時(shí)間常數(shù) 輸出回路時(shí)間常數(shù) 可見 只要算出有電容的回路的時(shí)間常數(shù) 即可可計(jì)算由該電容所確定的下限角頻率 當(dāng)輸入為正弦信號(hào)時(shí) 放大器總的下限角頻率 見本章第3節(jié)分析 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 357 例3 8 畫出低頻區(qū)的幅頻特性和相頻特性 解 根據(jù)原點(diǎn)處零點(diǎn)和一階極點(diǎn)的漸近線波特圖畫法 即可得到低頻區(qū)的幅頻特性和相頻特性 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 358 例3 8 低頻區(qū)的幅頻特性和相頻特性如下圖所示 幅頻特性 相頻特性 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 359 3 高頻區(qū)頻率響應(yīng)分析 特點(diǎn) 考慮電容的作用 根據(jù)容抗的計(jì)算公式 由于頻率 升高 極間電容的容抗減小 不可視為開路 而耦合電容和旁路電容的容抗減小 更可視為短路 利用簡(jiǎn)化的混 模型畫出的高頻區(qū)等效電路如下 為了簡(jiǎn)化分析 將和信號(hào)源構(gòu)成的電路做戴維寧等效 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 360 高頻區(qū)源電壓放大倍數(shù) 3 2 2頻率響應(yīng)分析 退出 361 當(dāng)輸入為正弦信號(hào)時(shí) 式中 輸入回路時(shí)間常數(shù)為 3 2 2頻率響應(yīng)分析 362 例3 9 畫出高頻區(qū)的幅頻特性和相頻特性 解 電路的高頻特性 即上限頻率是由回路的時(shí)間常數(shù)決定的 時(shí)間常數(shù)越小 則上限頻率越高 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 363 例3 9 高頻區(qū)的幅頻特性和相頻特性如下圖所示 幅頻特性 相頻特性 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 364 4 完整的幅頻特性和相頻特性曲線 將三個(gè)區(qū)域的幅頻特性和相頻特性曲線組合在一起 即可以得到完整的幅頻特性和相頻特性曲線 1 幅頻特性 稱為下限頻率 稱為上限頻率 稱為通頻帶 在放大信號(hào)時(shí) 通常要求通頻帶略大于信號(hào)帶寬 以避免使輸出信號(hào)出現(xiàn)幅度失真 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 365 2 相頻特性 以中頻區(qū)相移為參考時(shí) 低頻區(qū)相位超前中頻區(qū) 即附加相移為正 其值為 90 而高頻區(qū)相位滯后中頻區(qū) 即附加相移為負(fù) 其值為 90 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 366 計(jì)算機(jī)輔助分析法 Workbench軟件 對(duì)于具體的放大電路 可以利用Workbench仿真工具獲取放大器的幅頻特性和相頻特性波特圖 例3 10 分析如下放大電路的幅頻和相頻特性 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 367 計(jì)算機(jī)輔助分析法 對(duì)于上圖的放大電路來(lái)說(shuō) 其仿真幅頻特性波特圖和相頻特性波特圖如下所示 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 368 5 電容耦合共集放大電路 電容耦合共集放大電路的頻率特性要優(yōu)于共射放大電路 表現(xiàn)為其上限頻率高于共射放大電路 電路圖 高頻等效電路 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 369 電路特點(diǎn) 該電路沒(méi)有密勒倍增效應(yīng) 共集放大電路的電壓放大倍數(shù)近似為1 折合到輸入端的電容遠(yuǎn)小于它本身 即輸入回路時(shí)常數(shù)很小 若考慮負(fù)載電容的影響 包括輸出電容 則由于共集電路的很小 即輸出回路時(shí)間常數(shù)小 所以高頻特性好 3 2 2頻率響應(yīng)分析 退出 電路的高頻特性 即上限頻率是由回路的時(shí)間常數(shù)決定的 時(shí)間常數(shù)越小 則上限頻率越高 370 電路如下圖所示 設(shè)放大器的上限頻率由CL決定 和的影響可忽略不計(jì) 求開關(guān)S分別接A端和B端時(shí)的表達(dá)式 例3 11 解 接到A端時(shí) CE組態(tài) 接到B端時(shí) CC組態(tài) 注意 當(dāng) 與Rb無(wú)關(guān) 顯然 在考慮負(fù)載電容時(shí) CC組態(tài)的上限頻率要高于CE組態(tài) 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 371 6 電容耦合共基放大電路 電路圖 高頻等效電路 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 372 電路特點(diǎn) 若忽略的影響 則不存在密勒倍增效應(yīng) 其中 比共射接法小得多 且共基輸入電阻小 故輸入回路時(shí)間常數(shù)小 若考慮負(fù)載電容的影響 則由于共基電路和共射電路的輸出電阻相同 所以輸出回路時(shí)間常數(shù)也相同 因此由負(fù)載電容所引起的上限頻率相同 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 373 7 組合電路 相對(duì)于共射放大電路而言 為了展寬放大器的通頻帶 可以采用組合電路的方式 主要有兩種方式 共射 共基電路 共射 共集電路 1 CE CB電路 共基電路的輸入電阻很小 第一級(jí)密勒電容大大減小 從而使共射電路的上限頻率大大提高 兩級(jí)級(jí)聯(lián)后的上限頻率取決于第一級(jí)共射電路的上限頻率 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 374 2 CE CC電路 適用于容性負(fù)載 對(duì)于容性負(fù)載的共射放大器的上限頻率很低 但如果容性負(fù)載作為共集放大器的負(fù)載 則由于其輸出電阻很小 CL的影響將大大減小 兩級(jí)級(jí)聯(lián)后的上限頻率取決于第一級(jí)共射電路 無(wú) 的上限頻率 退出 3 2 2頻率響應(yīng)分析 375 3 2 3晶體管的高頻參數(shù) 低頻時(shí) 是一個(gè)實(shí)數(shù) 但隨著頻率的升高 將是個(gè)復(fù)數(shù) 并且 的模值會(huì)隨頻率的升高而下降 定義 當(dāng) 的模值下降到低頻數(shù)值的0 707倍時(shí)的頻率 稱為晶體管共射截止頻率 記為 1 共射截止頻率 根據(jù)定義 需要求出高頻時(shí) 和頻率之間的關(guān)系式 根據(jù) 的定義 共射短路電流放大系數(shù) 其等效電路如下 退出 返回 376 由 的模值可看出 1 共射截止頻率 退出 3 2 3晶體管的高頻參數(shù) 377 2 特征頻率 定義 顯見 特征頻率遠(yuǎn)大于共射截止頻率 退出 3 2 3晶體管的高頻參數(shù) 378 3 共基截止頻率 利用 和 的關(guān)系 可以得到 為了保證實(shí)際電路在高頻時(shí)仍有較大的電流放大系數(shù) 必須選擇晶體管的特征頻率為 退出 3 2 3晶體管的高頻參數(shù) 379 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 1 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路 類似于晶體管的高頻等效電路 需要考慮場(chǎng)效應(yīng)管極間電容的影響 1 JFET高頻等效電路 2 MOSFET高頻等效電路 3 MOSFET高頻等效電路 襯源短路 退出 返回 380 例3 12一JFET放大器如下圖所示 已知IDSS 8mA UGS off 4Vrds 20k Cgd 1 5pF Cds 5 5pF 試計(jì)算Aum fL以及fH 并畫出漸近線波特圖 分析 計(jì)算中頻電壓放大倍數(shù)需要求出跨導(dǎo)gm 因此需要做靜態(tài)分析 計(jì)算下限頻率需要低頻等效電路 并找到有耦合電容的回路 計(jì)算該回路的時(shí)間常數(shù) 計(jì)算上限頻率需要高頻等效電路 并找到有極間電容的回路 計(jì)算該回路的時(shí)間常數(shù) 退出 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 381 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 解 1 靜態(tài)分析由JFET的特性和電路圖可得 2 中頻電壓放大倍數(shù) 退出 382 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 3 下限頻率 低頻等效電路 有電容的回路是輸出回路 計(jì)算出該回路的時(shí)間常數(shù) 下限角頻率就是時(shí)間常數(shù)的倒數(shù) 在低頻區(qū) 極間電容可看為開路 耦合電容不能再視為短路 必須予以考慮 但在本題中 因此只考慮 退出 383 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 在高頻區(qū)等效電路中 用密勒定理對(duì)Cgd其進(jìn)行單向化 4 上限頻率 由于輸入為恒壓源 即對(duì)高頻特性沒(méi)有影響 退出 384 3 2 4場(chǎng)效應(yīng)管放大器的頻率響應(yīng) 5 幅頻特性和相頻特性曲線 退出 385 3 3多級(jí)放大器的頻率響應(yīng) 3 3 1幅頻特性和相頻特性 3 3 2多級(jí)放大器的通頻帶 退出 返回 386 3 3 1幅頻特性和相頻特性 1 多級(jí)放大器框圖 2 多級(jí)放大器幅頻特性 多級(jí)放大器的放大倍數(shù)是各級(jí)放大倍數(shù)的乘積 所以 其幅頻特性為 退出 返回 387 3 多級(jí)放大器相頻特性 結(jié)論 在繪制多級(jí)放大器的幅頻特性和相頻特性曲線時(shí) 只需要將各級(jí)的特性曲線在同一坐標(biāo)系下疊加即可 4 定性分析 例3 13 將兩個(gè)具有同樣特性的放大電路串聯(lián)起來(lái) 繪制其幅頻特性和相頻特性 由圖看出 疊加后兩級(jí)放大器的下限頻率fL提高了 而上限頻率fH下降了 導(dǎo)致通頻帶fBW變窄了 退出 3 3 1幅頻特性和相頻特性 388 3 3 2多級(jí)放大器的通頻帶 設(shè)放大器的低頻電壓增益函數(shù)與中頻電壓放大倍數(shù)之比的表達(dá)式為 對(duì)于正弦輸入 1 計(jì)算 退出 忽略高次項(xiàng) 稱為主導(dǎo)極點(diǎn) 如果滿足 則 返回 389 設(shè)放大器的高頻增益函數(shù)與中頻電壓放大倍數(shù)之比為 若某放大器 2 計(jì)算 退出 忽略高次項(xiàng) 稱為主導(dǎo)極點(diǎn) 如果滿足 則 3 3 2多級(jí)放大器的通頻帶 390 例3 14 一多級(jí)放大器的電壓增益函數(shù)為 求 中頻電壓增益 上限頻率fH和下限頻率fL 解 Au s 都趨于零 這說(shuō)明Au s 是一個(gè)全頻段增益函數(shù)表達(dá)式 將Au s 表達(dá)式中s從低頻因子 s 2 s 10 s 100 中提出 將常數(shù)從高頻因子中提出 于是得 退出 391 低頻時(shí) 有 高頻極點(diǎn)的影響可忽略 于是低頻電壓增益函數(shù)為 高頻時(shí) 有 低頻極點(diǎn)的影響可忽略 于是高頻電壓 增益函數(shù)為 退出 392 顯然 中頻電壓增益 由以上分析可知 對(duì)于中頻電壓增益實(shí)際上是把低頻零點(diǎn)和極點(diǎn)以及高頻極點(diǎn)的影響統(tǒng)統(tǒng)忽略不計(jì) 即 退出 393 3 4放大器的階躍響應(yīng) 3 4 1階躍響應(yīng)的指標(biāo) 3 4 2單級(jí)放大器的階躍響應(yīng) 3 4 3多級(jí)放大器的階躍響應(yīng) 退出 返回 394 3 4 1階躍響應(yīng)的指標(biāo) 1 預(yù)備知識(shí) 頻域法 以正弦輸入信號(hào)的頻率作為自變量 通過(guò)電路對(duì)不同頻率的響應(yīng) 來(lái)評(píng)價(jià)放大器的線性失真 該方法又稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 優(yōu)點(diǎn) 分析簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 不能直觀地確定放大器的波形失真 時(shí)域法 以階躍信號(hào)作為放大器的輸入信號(hào) 分析輸出信號(hào)波形隨時(shí)間變化的情況 該方法又稱為瞬態(tài)響應(yīng) 優(yōu)點(diǎn) 可以直觀地判斷放大器放大階躍信號(hào)的失真 缺點(diǎn) 分析復(fù)雜 退出 返回 395 2 階躍響應(yīng) 1 單位階躍電壓 表達(dá)式 波形圖 信號(hào)特點(diǎn) 既有突變部分又有不變的部分 2 輸出響應(yīng) 當(dāng)電路中存在惰性元件時(shí) 輸出電壓跟不上輸入信號(hào)的變化 3 4 1階躍響應(yīng)的指標(biāo) 退出 396 3 階躍響應(yīng)的指標(biāo) 1 上升時(shí)間tr 輸出電壓從0 1U上升到0 9U的時(shí)間 U為上升的穩(wěn)定值 2 相對(duì)平頂降落 3 超調(diào)量 在指定時(shí)間tp內(nèi) 輸出電壓U tp 比上升的穩(wěn)定值U下降的百分比 輸出電壓上升的瞬態(tài)過(guò)程中 超出U的部分 用百分比表示 3 4 1階躍響應(yīng)的指標(biāo) 退出 397 3 4 2單級(jí)放大器的階躍響應(yīng) 1 上升時(shí)間和上限頻率的關(guān)系 上升過(guò)程發(fā)生在輸入信號(hào)突變時(shí) 因此上升時(shí)間與上限頻率有關(guān) 單級(jí)放大器的高頻響應(yīng) 輸入信號(hào) 令 結(jié)論 上升時(shí)間與上限頻率成反比 即fH越高 上升響應(yīng)越快 退出 返回 398 2 相對(duì)平頂降落 與下限頻率的關(guān)系 是指放大器在輸入信號(hào)突變到某固定值以后輸出電壓的穩(wěn)定過(guò)程 所以和下限頻率有關(guān) 單級(jí)放大器的低頻響應(yīng) 輸入信號(hào) 令 3 4 2單級(jí)放大器的階躍響應(yīng) 退出 399 3 4 3多級(jí)放大器的階躍響應(yīng) 2 相對(duì)平頂降落 設(shè)各級(jí)放大器的高頻電壓增益相同 則 1 多級(jí)放大器的上升時(shí)間 若各級(jí)具有不同的高頻極點(diǎn)頻率 則 當(dāng)各級(jí)放大器的低頻增益相同時(shí) 當(dāng)各級(jí)放大器的低頻增益不同時(shí) 退出 返回