模电频率响应课件

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。uiuouiuo放大器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。IUR=I*RUC=I*［1／(2πfC)］RCURUCUIUf增大XC减小UC减小UR增大相角改变电容、电阻UI关系大小、相位XC=1/(2πfC)=1/(ωC)电压滞后电流90°典型的幅频特性曲线下限频率上限频率AUM0.707AUM半功率AUMdB-0.707AUMdB=20*lgAUM-20lg(0.707AUM)=20lg（2）0.5=10*lg2=3.010dB带宽BW=fH-fL•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？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011011)()()(bsasabsbsbsXsYsAnnnnmmmm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)())(()())(()(21210nmpspspszszszsHsA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=jω，则A(s)=A(jω)，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。jjjjzeeIUIeUeIUZiuiu)(22221221CLRXRZfLjLjXfCjCjXLCabtgbaAjbaUUAAio22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RCjCjRRUUAU1111)()()(ioRCL1令ffjjALLU1111)(相频特性幅频特性ffffffALLLUarctanarctan90)(11)(2相量法举例之一RC高通电路；用分贝表示dB0)(UA21)()(ULAffb时，当)dB(1lg20)(lg202ffALU十倍频反映到对数坐标为的下降按比例下降。随，即时，当dB20)()()(fAffAffcULUL幅频特性211)(ffALUfL0.1fL0.01fLfAU/dB0-40-2020dB/十倍频10fL100fL.1)()(ULAffa时，当；用分贝表示dB3)(UARC高通电路ffjjALLU1111)(相频特性ffLarctan)(；时，当o0)(10)(Lffa；时，当o45)()(Lffbo90)(1.0)(时，当LffcfL0.1fL0.01fL10fLφ90045000f.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ffjjALLU1111)(fL0.1fL0.01fLfAU/dB0-40-2020dB/十倍频10fL100fL.RCjCjRCjUUAU1111)()()(ioRCH1令HHUffjjA1111)(相频特性幅频特性HHUffffAarctan)(11)(2相量法举例之二RC低通电路0.1fHfH10fH-400-20-3dB-20dB/十倍频.AU/dB低通电路的幅频特性曲线dB1lg20)(lg202HUffA；时，当dB0)(1.0)(UHAffa；时，当dB3)()(UHAffb；时，当dB20)(10)(UHAffcRC低通电路；时，当dB40)(100)(UHAffdfHHUffjjA1111)(0.1fHfH10fH00-450-900.φ-45度/十倍频低通电路的相频特性曲线Hffarctan)(；时，当o0)(1.0)(Hffa；时，当o45)()(Hffbo90)(10)(时，当HffcRC低通电路fHHUffjjA1111)(RC低通电路：频率越高，衰减越大，相移越大波特图•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lgf，幅频特性的纵轴采用20lg|Au|表示，单位是分贝(dB);相频特性的纵轴仍用φ表示。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。AU0.010.03160.10.3160.70711.4143.161031.610020lgAU-40-30-20-10-3.003.010203040•取对数幅频特性后，高通电路可近似为以fL为拐点，频率低于fL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0.1fL和10fL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。fL0.1fL0.01fLfAV/dB0-20-40-3dB20dB/十倍频10fLφ90045000100fL..45度/十倍频高通电路ffjjALLU1111)(ff0.1fHfH10fH-400-20..-3dB-20dB/十倍频.00-900.φAV/dB-45度/十倍频低通电路-450•取对数幅频特性后，低通电路可近似为以fH为拐点，频率高于fH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0.1fH和10fH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HHUffjjA1111)(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？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ffj1020)(1ffffarctan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ffj1020)(1ffffarctanffT0β=13.2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。晶体管的混合π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π型等效模型。26*β/ICQCπ=gm/2πfTgm=ICQ/26手册提供晶体管的混合π型等效电路（P102图）rce通常比RC大很多可忽略，放大状态时集电结反偏，rb‘c可认为断开集电结电容Cu用密勒定律等效到两侧中低频应用时，电容效应可忽略26*β/ICQgm=ICQ/26’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3.3共射放大电路的频率特性混合π型等效电路C1为微法数量级，C’π皮法数量级；看C1能否视为短路，C’π能否视为断路。高频等效时，C1短路，C’π不可忽略中频应用时，C1短路，C’π断路，忽略低频应用时，C1不可忽略，C’π断路，忽略中频等效电路cebmoRUgUiiebbbebebpUUrrrUsisiiUrRrUscmisiscmebbbebisioURpgrRrURgrrrrRrUcmisisousmRpgrRrUUA中频等效电路放大倍数与频率无关低频等效电路ffjAAlusmusl111)(21CrRfisl低频等效电路放大倍数表达式与RC高通电路一致fL0.1fL0.01fL10fLφ-900-1350-1800f.fL0.1fL0.01fLf0-40-20-3dB20dB/十倍频10fL100fL.RC高通电路20lg(A/Aum)高频等效电路husmushffjAA11'2121RCfhh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0.1fHfH10fH-400-20-3dB-20dB/十倍频0.1fHfH10fH-1800-2250-2700.φ-45度/十倍频20lg(A/Aum)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)1)(1(hlusmusffjffjAA【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=5kHz~40kHz时，电压放大倍数均为100，即中频放大倍数为100，Gm=20lg(100)=40dB当f＝500kHz时，电压放大倍数为10，G500k=20lg(10)=20，恰好比40dB下降了20dB。单管放大电路的幅频特性在过fH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fH=500kHz/10=50kHz。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。)101()51(204fjfjjfAu)101()51(100)101()51(100)101()51(5520444fjfjfjjffjfjjfjfjfAu)1)(1(hlusmusffjffjAAA