模电频率响应.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,半导体器件,2,放大器分析基础,3,频率响应,4,低频功率放大器,5,负反馈放大电路,6,集成运算放大器,7,集成运算放大器的应用,8,直流电源,*电路仿真,课程内容,56,学时,3.5,学分,1,第,3,章 频率响应,3.1,频率响应概述,3.2,晶体管的频率参数,3.3,共射放大器的频率特性,3.4,多级放大电路的频率特性,2,3.1,频率响应概述,放大电路的频率响应是在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。,把增益的大小随频率变化的特性称为,幅频特性,，根据这个特性描绘的曲线即为幅频特性曲线；把增益的相角随频率变化的特性称为,相频特性,，根据这个特性描绘的曲线即为相频特性曲线。,幅频特性和相频特性统称为频率特性，或叫做频率响应。,u,i,u,o,u,i,u,o,放大器,3,产生频率响应的原因是什么？,在放大电路中，由于电抗元件（电容、电感）及半导体管极间电容等的存在，当输入信号幅度不变而频率发生改变时，电路的放大倍数会改变，且相移也会产生变化。,I,U,R,=I*R,U,C,=I*,1,(2,f,C,),U,f,增大,X,C,减小,U,C,减小,U,R,增大,相角改变,电容、电阻,UI,关系,大小、相位,X,C,=1/(2,f,C)=1/(,C,),电压滞后电流,90,4,典型的幅频特性曲线,下限频率,上限频率,A,UM,0.707,A,UM,半功率,A,UM,dB-0.707,A,UM,dB=20*lg,A,UM,-20lg(0.707,A,UM,),=20lg,（,2,）,0.5,=10*lg2=3.010dB,带宽,BW=,f,H,-,f,L,5,1,、什么叫频率响应，它包括哪两个部分？,2,、幅频特性曲线的自变量和函数分别是什么？,3,、相频特性曲线的自变量和函数分别是什么？,6,研究频率响应的方法,用复频域分析方法，统一处理稳态分析和瞬态分析,输入激励信号的拉氏变换,输出响应信号的拉氏变换,传递函数,标尺因子,零点,极点,利用传递函数,A(S),进行稳态分析时，令,s,=,j,，则,A(,s,)=A(,j,),，它就是系统的频率特性，并据此画出系统的波特图，确定相应的上下限频率。,7,虚数符号,j,为可看作旋转因子，表示逆时针旋转（超前）,90,正弦稳态电路的相量法,在频率一定时，一个交流信号的全部信息可由其幅值和相角完全给出，因此交流放大电路中的各个参数均可以表示为复数形式。,复数形式放大倍数的模与频率的关系,幅频特性,复数形式放大倍数的幅角与频率的关系,相频特性,8,相量法举例之一,RC,高通电路,9,f,L,0.1f,L,0.01f,L,f,A,U,/,dB,0,-40,-20,20dB/,十倍频,10f,L,100f,L,.,RC,高通电路,10,f,L,0.1f,L,0.01f,L,10f,L,90,0,45,0,0,0,f,.,45,度,/,十倍频,RC,高通电路：频率越低，,衰减越大，相移越大,RC,高通电路,f,L,0.1f,L,0.01f,L,f,A,U,/,dB,0,-40,-20,20dB/,十倍频,10f,L,100f,L,.,11,相量法举例之二,RC,低通电路,12,0.1f,H,f,H,10f,H,-40,0,-20,-3dB,-20dB/,十倍频,.,A,U,/dB,低通电路的幅频特性曲线,RC,低通电路,f,13,0.1f,H,f,H,10f,H,0,0,-45,0,-90,0,.,-45,度,/,十倍频,低通电路的相频特性曲线,RC,低通电路,f,RC,低通电路：频率越高，,衰减越大，相移越大,14,波特图,采用对数坐标的幅频特性和相频特性图称为波特图。,波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成,横轴采用对数刻度,lg,f,，幅频特性的纵轴采用,20lg,|A,u,|,表示，单位是分贝,(,dB,);,相频特性的纵轴仍用,表示。,15,采用波特图的好处,1,、频率范围和放大倍数所表示的范围都大大增加。,2,、幅频特性曲线和相频特性曲线都可以用分段的直线段来近似表示。,3,、放大倍数用对数表示可以将相乘变为相加。,A,U,0.01,0.0316,0.1,0.316,0.707,1,1.414,3.16,10,31.6,100,20lg,A,U,-40,-30,-20,-10,-3.0,0,3.0,10,20,30,40,16,取对数幅频特性后，高通电路可近似为以,f,L,为拐点，频率低于,f,L,后，每下降,10,倍，增益下降,20dB,，即对数幅频特性在此区间可等效成斜率为,(20dB,十倍频,),的直线。,而高通电路的对数相频特性可近似为以,0.1,f,L,和,10,f,L,为拐点的三段直线近似，频率在两个拐点之间，每下降,10,倍，相移增加,45,，而在两个拐点之外的相移保持不变。,f,L,0.1f,L,0.01f,L,f,A,V,/,dB,0,-20,-40,-3dB,20dB/,十倍频,10f,L,90,0,45,0,0,0,100f,L,.,.,45,度,/,十倍频,高通电路,f,17,f,0.1f,H,f,H,10f,H,-40,0,-20,.,.,-3dB,-20dB/,十倍频,.,0,0,-90,0,.,A,V,/dB,-45,度,/,十倍频,低通电路,-45,0,取对数幅频特性后，低通电路可近似为以,f,H,为拐点，频率高于,f,H,后，每上升,10,倍，增益下降,20dB,，即对数幅频特性在此区间可等效成斜率为,(-20dB,十倍频,),的直线。,而低通电路的对数相频特性可近似为以,0.1,f,H,和,10,f,H,为拐点的三段直线近似，频率在两个拐点之间，每上升,10,倍，相移增加负,45,，而在两个拐点之外的相移保持不变。,f,18,波特图,波特图由哪两部分组成？,波特图横轴表示什么，单位是什么？,波特图中幅频特性曲线的纵轴是什么，单位是什么？,波特图中相频特性曲线的纵轴是什么，单位是什么？,简单,RC,低通、高通电路传递函数的形式各是怎样的？它们对应的幅频特性、相频特性波特图又是怎样近似的？,19,第,3,章 频率响应,3.1,频率响应概述,3.2,晶体管的频率参数,3.3,共射放大器的频率特性,3.4,多级放大电路的频率特性,20,3.2,晶体管的频率参数,中频时，认为晶体管电流放大倍数基本不变，但频率升高后，三极管内部电容效应不再能忽略，其放大作用下降。电流放大系数是频率的函数,21,=1,3.2,晶体管的频率参数,共射截,止频率,特征,频率,特征频率是一个重要参数，超过特征频率后，晶体管电流放大倍数小于,1,，失去放大作用。,22,晶体管的混合,型等效电路,（,P102,图）,发射结结电容,集电结结电容,频率升高后，晶体管内部电容不可忽略，这时再用,h,参数等效模型已不方便，要用混合,型等效模型。,26*,/,I,CQ,C,=,g,m,/2,f,T,g,m,=,I,CQ,/26,手册提供,23,晶体管的混合,型等效电路,（,P102,图）,r,ce,通常比,R,C,大很多可忽略，,放大状态时集电结反偏，,r,b,c,可认为断开,集电结电容,C,u,用密勒定律等效到两侧,中低频应用时，电容效应可忽略,26*,/,I,CQ,g,m,=,I,CQ,/26,24,第,3,章 频率响应,3.1,频率响应概述,3.2,晶体管的频率参数,3.3,共射放大器的频率特性,3.4,多级放大电路的频率特性,25,3.3,共射放大电路的频率特性,混合,型等效电路,C,1,为微法数量级，,C,皮法数量级；,看,C,1,能否视为短路，,C,能否视为断路。,高频等效时，,C,1,短路，,C,不,可忽略,中频应用时，,C,1,短路，,C,断路，忽略,低频应用时，,C,1,不可忽略，,C,断路，忽略,26,2025/5/13 周二,27,中频等效电路,中频等效电路放大倍数与频率无关,28,低频等效电路,低频等效电路放大倍数表达式与,RC,高通电路一致,f,L,0.1f,L,0.01f,L,10f,L,-90,0,-135,0,-180,0,f,.,f,L,0.1f,L,0.01f,L,f,0,-40,-20,-3dB,20dB/,十倍频,10f,L,100f,L,.,RC,高通电路,20lg(A/A,um,),29,高频等效电路,高频等效电路放大倍数表达式与,RC,低通电路一致,RC,低通电路,0.1f,H,f,H,10f,H,-40,0,-20,-3dB,-20dB/,十倍频,0.1f,H,f,H,10f,H,-180,0,-225,0,-270,0,.,-45,度,/,十倍频,20lg(A/A,um,),30,完整的频率特性曲线,将中频、低频和高频的放大倍数综合，可得共发射极基本放大电路在全部频率范围内放大倍数的表达式,图,3-20,共射极放大电路的幅频和相频特性曲线,作图关键点,31,【,例,3-1】,一个单管放大电路的频率特性，当,f,=5kHz,、,10kHz,、,20kHz,、,30kHz,、,40kHz,时，电压放大倍数均为,100,，而当,f,500kHz,时，电压放大倍数降为,10,。试问上限频率为多大？,解：当,f,=5kHz40kHz,时，电压放大倍数均为,100,，即中频放大倍数为,100,，,G,m,=20lg(100)=40dB,当,f,500kHz,时，电压放大倍数为,10,，,G,500k,=20lg(10)=20,，恰好比,40dB,下降了,20dB,。,单管放大电路的幅频特性在过,f,H,后，,f,每上升,10,倍，增益下降,20dB,，即对数幅频特性此区间为（,-20dB/,十倍频）的直线。,所以,f,H,=500kHz/10=50kHz,。,32,例 某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为,（,1,）中频电压放大倍数、上、下限转折频率各为多少,?,（,2,）画出幅频波特图,解：要按照标准形式变换表达式，可以使,jf,/5,变为,1,。,A,usm,=100,，,f,L,=5Hz,，,f,H,=10kHz,33,例 某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为,（,1,）中频电压放大倍数、上、下限转折频率各为多少,?,（,2,）画出波特图,解：要按照标准形式变换表达式，可以使,jf,/5,变为,1,。,A,usm,=2*10,5,，,f,H,=5Hz,，,f,L,=10kHz,变换表达式时注意要使变换后的,f,L,f,H,34,P120,题,3-5,已知某共射放大电路的波特图，试确定其放大倍数，高频转折频率、低频转折频率，写出,的表达式。,解：,40dB,，,放大倍数为,100,倍。,高频转折频率为,2.5*10,5,Hz,、,低频转折频率为,10Hz,，,1Hz,。,放大倍数表达式：,35,P113,例,3-3,某放大电路的电压放大倍数的复数表达式为,（,1,）中频电压放大倍数为多少,?,（,2,）转折频率为多少,?,解：,36,解：（,1,）中频电压放大倍数为,100,（,2,）三个转折频率：低频转折频率,1,为,2Hz,，低频转折频率,2,为,=100Hz,，高频转折频率为,10,5,Hz,，带宽为,100Hz,到,10,5,Hz,）,37,一般方法：,1,、首先将表达式进行变换得到标准式,变换时注意高低频转折频率。,2,、绘制幅频特性曲线，注意,（,1,）确定转折频率。幅频特性的转折,频率是使表达式中各因式实部与虚部系数相等时的频率值。对本例而言，其转折频率有三个。,（,2,）确定中频段。当转折频率差异较大时，取最低的,f,H,和最高的,f,L,之间的频段作为中频区段。,（,3,）计算各段的斜率，线段斜率主要由分母中的因子决定。,3,、绘制相频特性，绘制时注意,（,1,）转折频率。相频特性的转折频率是与幅频特性转折频率相差,10,倍时的值。,（,2,）中频段。相频特性可近似为的直线段。,（,3,）计算其余各段的斜率。,38,第,3,章 频率响应,3.1,频率响应概述,3.2,晶体管的频率参数,3.3,共射放大器的频率特性,3.4,多级放大电路的频率特性,39,前级的开路电压是下级的信号源电压,前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗,下级的输入阻抗是前级的负载,多级放大电路,40,2-32,两级放大电路如图,=50,r,be,=1.3k,，,计算中频区电压放大倍数。,Ri,=,R,b1,/,R,b2,/,r,be,+(1+,)*,R,4,R,L1,为,R,6,和,V,T2,的输入电阻并联,也可理解为,VT2,的输入电阻,R,L1,=,R,6,/,r,be,+(1+,)*(,R,7,/,R,8,),R,L,=,R,7,/,R,8,41,42,假定两个完全一样的电路级连,A,u,=,A,u1,*,A,u2,f,L,i,f,H,i,A,u,f,100,70.7,10000,5000,7070,f,L,f,H,84.1,当各级放大电路的,转折频率相同或很接近,时，多级放大电路的,下限频率升高,，,上限频率降低,，,总通频带变窄,。,43,当各级放大电路的,下限频率相同或很接近,时，多级放大电路的下限频率按下式计算：,当其中一级放大电路的下限频率远大于其它各级的下限频率时，则多级放大电路的下限频率近似等于该级放大电路的下限频率。,44,当各级放大电路的,上限频率相同或很接近,时，多级放大电路的上限频率按下式计算：,当其中一级放大电路的上限频率远小于其它各级的上限频率时，则多级放大电路的上限频率近似等于该级放大电路的上限频率。,45,根据以上公式，可以得到：,经过一级放大电路后，其转折频率之外增益,-20dB/,十倍频,经过两级放大电路后，其转折频率之外增益变为,-40dB/,十倍频,经过三级放大电路后，其转折频率之外增益变为,-60dB/,十倍频,多级放大电路,46,例,3-5,某电路的各级均为共发射极放大电路，其对数幅频特性如图,，试确定其放大倍数，高频转折频率、低频转折频率，写出,的表达式。,解：,80dB,，放大倍数,10000,倍。,低频转折频率为,10Hz,。,高频电路有三级，且每一级转折频率都为,2*10,5,Hz,。,三级共射放大电路，三级都对高频有影响，但仅有一级对低频有影响。,三级共射电路，中频段相移仍为,180,度,(,取负号,),。,解得高频转折频率为,105kHz,。,47,题,3-6,已知某电路的幅频特性如图，试问：（,1,）该电路的耦合方式；（,2,）该电路由几级放大电路组成；（,3,）当频率为,10,4,和,10,5,Hz,时，附加相移各为多少？,解：,(1),低频端无衰减，直接耦合,（,2,）高频端十倍频,-60dB,，三级放大。,（,3,）考虑相移,10,4,Hz,处：,-225,3=-675,=720,-675,=45,10,5,Hz,处：,-270,3=-810,=720,-810,=-90,补充：如何求该电路的带宽。,48,题,3-16,已知一个两级放大电路各级电压放大倍数分别为,（,1,）写出该放大电路的表达式；,（,2,）求出该电路的,f,L,和,f,H,各约为多少；,（,3,）画出该电路的波特图。,49,（,1,）写出该放大电路的表达式,（,2,）求出该电路的,f,L,和,f,H,各约为多少；,50,（,3,）画出该电路的波特图。,还要考虑相频特性波特图的形状,500Hz10,4,Hz,，无附加相移,50Hz,，附加相移,+45,4Hz,，附加相移为,+90,+45,=+135,0.4Hz,，附加相移,+,90,+90,=+180,10,5,Hz,，附加相移,-45*2=-90,10,6,Hz,，附加相移,-90*2=-180,51,（,3,）画出该电路的波特图。,相频特性波特图,500Hz10,4,Hz,，无附加相移,50Hz,，附加相移,+45,4Hz,，附加相移为,+90,+45,=+135,0.4Hz,，附加相移,+,90,+90,=+180,10,5,Hz,，附加相移,-45*2=-90,10,6,Hz,，附加相移,-90*2=-180,52,练习,P118 3-2,3-4,3-8,Q&A,53,2025/5/13 周二,54,