第3章-(83)-放大电路的频率特性

3.0概述3.1频率特性的一般概念3.2三极管的频率参数3.3共e极放大电路的频率特性3.4多级放大电路的频率特性第三章放大电路的频率特性1、教育部电子技术网络课程、西安交大模拟电子技术推荐网站：概述对电容：X=XC=1/ωC。所以电抗性元件在不同频率下，它的阻抗和相移均不相同。而通常放大电路的输入信号又不是单一频率的正弦函数信号，而是由各种不同频率分量组成的复合信号。另外放大电路中的三极管本身具有电容效应(寄生电容)以及放大电路中也存在电抗元件(C1、C2、CE),这样放大电路中的电压放大倍数和相角就成了频率的函数。这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。zZjXRZ||已知，阻抗RXzarctg2beLiorRUUAv实质上，频率响应就是指放大器的增益与频率的关系。通常讲一个好的放大器，不但要有足够的放大倍数，而且要有良好的保真性能，即：放大器的非线性失真要小，放大器的频率响应要好。“好”：指放大器对不同频率的信号要有同等的放大。总结共射放大电路的电抗元件和电抗因素对放大的影响,放大器具有频率响应问题，原因有二：1.人为设置的电抗元件有C1、C2、Ce。2.客观存在的电容（寄生电容）有：晶体管电容（极间电容）和线间分布电容，即Ci（输入端等效电容）和Co（输出端等效电容）。3cbC可从器件手册中查到；并且cbebCCTmeb2fgC(估算，fT要从器件手册中查到)三极管高频率下的等效电路4本章讨论的交流放大电路，虽然都在低频（20—200KHz）范围内，但可将低频的交流信号再分成三个区：低频（fL）区、中频（fM）区和高频（fH）区。分析放大电路的频率响应时，可采用“分段频率法”。分别画出“高、中、低”频段的微变等效电路，利用中频段的等效电路，求出Au。而利用低频、高频段的等效电路，分别求出fL、fH。高、低频率的定义：在某一频率范围内，相对频率高的叫高频；反之叫低频。比如，在音频（20—20KHz）范围内：20-1KHz为低频；1K-3KHz为中频；3KHz-20KHz为高频。预备知识5次声波(头晕眼花)、超声波(蝙蝠可听到)、人对3KHz最敏感狗能听到声音的频率范围为15—20KHZ，猫是60—65KHZ，人只有20—20KHZ。声音就是人们感知到的物理的机械振动。声音的高低叫做音调。频率的高低决定声音的音调，振幅的大小决定声音的响度。但不同的物体发出的声音我们还是可以通过音色分辨不同发生体的材料、结构不同，发出声音的音色也就不同。声音是由发声的物体震动产生的，当其整体震动时发出基音，但同时其各部分也有复合的震动，这些各部分震动产生的声音组合成泛音。由于部分小于整体，所有不同的泛音都比基音的频率高，但强度都相当弱。音色是声音的特色，根据不同的音色，即使在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不同乐器或人声发出的。音色的不同取决于不同的泛音，每一种乐器、不同的人以及所有能发声的物体发出的声音，除了一个基音外，还有许多不同频率的泛音伴随，正是这些泛音决定了其不同的音色，使人能辨别出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一个人即使说话也有不同的音色，因此可以根据其声音辨别出是不同的人。音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。响度的大小主要依赖于声强，也与声音的频率有关。*声音的三要素--音量、音调、音色C调音符.1#.1.2#.2.3.4#.4.5#.5.6#.6.7频率Hz262277293311329349370392415440466494TH/TLF88BF8F2F95BF9B7FA14FA66FAB9FB03FB4AFB8FFBCFFC0BC调音符11#22#344#55#66#7频率Hz523553586621658697739783830879931987TH/TLFC43FC78FCABFCDBFD08FD33FD5BFD81FDA5FDC7FDE7FE05C调音符.1#.1.2#.2.3.4#.4.5#.5.6#.6.7频率Hz104511061171124113161393147615631658175518601971TH/TLFB21FE3CFE55FE6DFE84FE99FEADFEC0FE02FEE3FEF3FF02下面给出部分音符（三个八度音）的频率以及以单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值：*单片机中音调与频率的关系（微电子06级同学的课外作业）低音中音高音激励器是一类在音频中加入特定谐波的效果器.在说这一类效果器之前，我们得先说说基频和谐波的概念。所谓基频，就是一个声音的基础频率。它是所有音源所发出的谐波震荡中最小的那个频率。基频决定了一个音的音高.在国际标准中，规定了中央C区的A音符的基频是440Hz.*激励器比如我们拿到一个人声，发现因为设备的原因，8000Hz以上的高频部分基本没有，那么我们就可以用激励器对高频部分进行激励，以产生出一些新的高频谐波，达到改善听感的作用。而在人声处理的时候，需要极其慎重地使用激励器。用不好，添加的谐波不会让你的声音听起来更好听，反而会弄脏整个声音。*简单波形声谱示意图10*音频和合成11如果有人发了个“a”的音,我们既能听出发的是“a”,还能听出发音的人是男是女.这可以从声音信号的频谱来解释.Figure1中蓝线是“a”的频谱,可以看出这是由一个一个很密的小峰组成的,相邻小峰之间的距离就是音调.图中所示的是男生的发音,音调大概是120Hz,如果是女生发“a”,这些小峰会更密一些,因为女生音调要高些.可是只要发的音还是“a”这些小峰的包络,也就是图中的绿线,就是一样的.如果是发“b”包络又会是另一种波形.*a音的频谱12语音信号处理已经大概有20年没有什么大进展了,人可以轻松地同时听两个人说话,可目前计算机听一个人说话都很难.人们虽然能把飞船发到火星上面去,可是对于自己了解的还是太少.人耳的结构太牛了,设计得太好了,完全是大师的杰作.每一个人哪怕丑一点,笨一点,其实都是伟大作品的展示.每个人都有资格在这个世界上骄傲地生活!*人耳的结构太牛了所谓中频范围,一方面耦合电容C1、C2的容抗远小于串联电路中的其它电阻,所以可视为交流短路;另一方面极间电容的容抗又远大于并联支路的其它阻值,因此可以看成是交流开路。bebrebmUgbbrbce+RbsU~+++RcRsebmUgebUoUiU中频等效电路1C13低频区，耦合电容(串联)容抗较大，其分压作用较大，使Ub`e减小,不可忽略;极间电容(并联)容抗很大，可视为开路。高频区，耦合电容容抗较小，可视为短路;极间电容容抗很小，使Ub`e减小,不可忽略。bebrebmUgbbrbce+RbsU~+++RcRsebUoUiUC1ebmUgce+sU~++RcoUebURC高频等效电路的简化C与R构成RC低通电路。C1与输入电阻ri构成一个RC高通电路低频等效电路141C注意Ub`e电压控制器件3.1.1频率特性的概念UiRUoC(a)低频段耦合电容的影响UiRUoC(b)高频段极间电容的影响＋－＋－＋－＋－图3–1考虑频率特性时的等效电路C与R构成RC高通电路C与R构成RC低通电路3.1频率特性的一般概念教科书P20915fLfHBWAum0.707AumuAOffL：下限频率；fH：上限频率BW：通频带BW=fHfL下限频率、上限频率和通频带高低频区,由于电容的影响,致使加在放大器的净输入电压信号变小,输出电压变小,故电压放大倍数下降。结论16定义:当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍,即Auh=(1／)Aum时的频率称为上限频率fH。2)2/1(1umuAA定义:当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍,即时的频率称为下限频率fL。17分贝的引入：用分贝表示电压放大倍数，这种表示方法最初用于声学。由于人的耳朵对声音强弱的感觉符合对数规律，即电压放大倍数增大100倍，人耳只感到增加了40倍。故定义取两个音响的功率之比再取对数为贝尔，即Bel=lg。又嫌此太小，又定义为分贝，即dB=10Bel=10lg。在电网络的研究中则习惯用电压之比，故，PP21PP21dB=10Bel=10lg=PP21VVVVRR122122lg20lg10注意：如果仅取以10为底的对数，如：，则是无单位的，必须再乘以20后，电压的增益就有“分贝”单位了。UUAiOulg预备知识例如：Au=103，则对应60dB。18幅频特性fdB/lg20uAOfL20dB/十倍频fH20dB/十倍频smlg20uA270º225º135º180º相频特性90º10fL0.1fL0.1fH10fHfO图3–2共射基本放大电路的频率特性19共发射极放大电路的电压放大倍数将是一个复数,uuAA其中幅度Au和相角都是频率的函数,分别称为放大电路的幅频特性和相频特性。可用图3-2表示。我们称上、下限频率之差为通频带fbw,即fbw=fh-fl通频带的宽度,表征放大电路对不同频率的输入信号的响应能力,它是放大电路的重要技术指标之一。2021基波（和原函数同频）二次谐波（2倍频）高次谐波)cos()(110kkkmtkAAtf)cos()(1110tAAtfm)2cos(212tAm)cos(1nnmtnA周期函数展开成付里叶级数：直流分量补充:周期函数分解为傅里叶级数22t基波直流分量三次谐波五次谐波七次谐波周期性方波波形分解tt)5sin513sin31(sin22tttIIimmS补充223)5sin513sin31(sin22tttIIimmS基波直流分量三次谐波直流分量+基波直流分量+基波+三次谐波补充3直流分量+基波基波二次谐波tOuituoO(a)相频失真tOui基波uoOt基波二次谐波(b)幅频失真基波二次谐波二次谐波图3–3频率失真3.1.2线性失真（亦称频率失真）因为电容为线性元件不同频率的相移不同不同频率的放大倍数不同24下列输入信号中，有可能产生线性失真的是：c)ui=Uimsin2π102tb)ui=Uimsin2π105ta)ui=Uimsin2π102+Uimsin2π105t？25结论：幅度失真和相位失真总称为频率失真。因放大电路对不同频率成分信号的增益不同，从而使输出波形产生失真，称为幅频失真。放大电路对不同频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生失真，称为相频失真。幅频失真和相频失真是线性失真。这是因为它们都是由于线性电抗元件(耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、PN结电容、分布电感等)所引起的，所以又称为线性失真。而非线性失真则是由电路中非线性元件(电子管、铁心变压器等)引起的。信号频率不太高时（如低频、中频）→结电容容抗很大→可视为开路(因为是并联)→结电容不影响放大倍数。当频率较高时→结电容容抗减小→其分流作用增大→集电极电流ic减小→ic与ib之比下降→三极管电流放大系数β将降低→放大倍数降低。同时，由于ic与ib之间存在相位差，放大倍数还会产生附加相移。因此，信号处于低频和中频时，电流放大系数β是常数，高频时，电流放大系数β是频率f的函数，即263.2三极管的频率参数针对结电容而言计算得：三极管为f：为值下降至时的频率。0210：低频共射电流放大系数；ffj10ffffarctan120；27高频下201lg20lg20lg20ff的波特图β　3.2.1图对数幅频特性fTfdB/lg20Of20lg