模拟电子技术基础 2篇 5章2

HimiLkLknkvmvffjffjffjAA11111多级放大电路由单级放大器组成，而每级又有一个上限截止（转折）频率fH和一个下限截止（转折）频率fL，所以多级放大器的频响总表达式为:2.5.4多级放大电路频响特性一、多级放大电路的频响特性转折频率的高低与电容所在回路的时间常数相关。式中n是低频段转折频率个数，由耦合电容和射极旁路电容个数决定。m是高频段转折频率个数，由放大电路管子输入电容个数决定。如用两级频率特性相同的共射放大器组成多级时，2.1.vvAA则：212112121.2.1..)11()1()(HLLvmvvvvffjffjffjAAAAA单级两级可见增益高了，带宽窄了。多级放大器上、下限频率的估算NkLkLff11.1NkhkHff1211.11放大电路的级数越多，增益俞高，但频带越窄。二、集成运放的频率特性由于它是直耦、高增益的多级放大器，所以0Lf其上限频率很低，开环时通常为几十Hz。-3dB带宽单位增益带宽运放典型频率特性【例2.5.2】要求画出波特图，并求出放大电路的上限截止（转折）频率fH。75106.2111043.71107-fjfjAvs已知一多级放大电路的电压增益表达式为2725.)106.2(1lg20)1043.7(1lg2070lg20||lg20ffAvs)106.2()1043.7(180)(7151ftgftgfo幅频特性相频特性75106.2111043.71107-fjfjAvs解：根据电压增益复数表达式写出幅频特性和相频特性表达式7.43105HzdB37|70|lg20十倍频程/20dB2.6107Hz十倍频程/45o十倍频程/40dB十倍频程/90o上限频率为7.43×105Hz画波特图十倍频程/450上限频率为：fH7.43105Hz上限频率就是放大电路高频段电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍（-3dB）对应的频率。放大电路的计算机辅助分析举例【例2.5.3】多级放大电路如图所示，vi为5mV(幅值)的正弦交流电压，设晶体管Q2N3904的模型参数为β=132，试用PSPICE程序仿真分析下列项目：(3)当频率从10Hz变化到100MHz时，绘制输入阻抗的幅频特性；(2)电压增益的幅频特性和相频特性；(1)研究放大电路各点的波形，及输入输出电压的相位关系；(4)当频率从10Hz变化到100MHz时，绘制输出阻抗的幅频特性。(5)现有一个100μF的电容，替换电路中的哪个电容可以明显地改善电路的低频特性？解：(1)研究各点波形，输入输出电压相位关系瞬态分析(Transient)可以查看电路中各点的波形。(2)电压增益的幅频特性和相频特性交流分析(ACSweep)可以查看频率特性。下限频率fL为744Hz，上限频率fH为10MHz；中频段的电压放大倍数为128.8，即42.2dB。(3)输入阻抗的幅频特性中频段时输入电阻约为2.4kΩ。(4)求输出电阻等效电路中频段时输出电阻为22Ω。输出电阻的幅频特性(5)当Ce从10μF改为100μF电容后，下限频率fL为79Hz，比原来的下限频率有明显的降低。为什么耦合电容C1、C2等常取十几或几十微法，而旁路电容Ce则取上百微法？因为与C1、C2和C3所在回路的等效电阻相比，Ce所在回路的等效电阻要小得多，因此需要较大的电容值，才能使它们所产生的转折频率在数量级相当。Pspice仿真软件下载：ftp:10.71.21.98User：DigitalPass：DigitalPort：2021打开Download→EDASoftwareandEbook→EDASoftware→Cadence_OrCad→Cadence_OrCad_V9.22.ISO习题2.5.22.5.42.4.182.4.192.5.5负反馈放大电路的自激问题负反馈改善了放大电路的许多技术指标，但是负反馈处理得不当时，会使放大器产生自激振荡，使电路不能正常工作。自激是指：电路没有输入信号，也有输出。一、产生自激的原因和条件下面是一个电压串联负反馈电路，假若电路具有三个极点频率，其开环时电压增益表达式为：)101)(101)(1(10||12115.pppvffjffjffjA开环频率特性复数表达式十倍频程/20dB十倍频程/40dB十倍频程/60dB十倍频程/450十倍频程/900十倍频程/450)101)(101)(1(10||12115.pppvffjffjffjA画出开环幅频特性和相频特性十倍频程/20dB十倍频程/40dB十倍频程/60dB十倍频程/450十倍频程/900十倍频程/450从频率特性曲线可知，在通频带以内，即其附加相移还是小于45o,所以引入的还是负反馈。1pff十倍频程/20dB十倍频程/40dB十倍频程/60dB十倍频程/450十倍频程/900十倍频程/450而在通频带以外，如在频率上，此时的附加相移已是-180o了，即foA180f十倍频程/20dB十倍频程/40dB十倍频程/60dB十倍频程/450十倍频程/900十倍频程/450f这说明，放大器在通频带以内是负反馈，但是在通频带以外的某一频率上，原负反馈已经变成正反馈了，这导致放大器工作不稳定，可能产生自激振荡。由增益函数可知,|1|||||....FAAAf当时，0|1|..FA闭环增益变得趋向无穷大，这意味着，电路无信号输入也会有输出，即电路产生了自激振荡。所以，产生自激的幅度条件为：1..FA为此，自激振荡的幅度条件和相位条件：幅度平衡条件）(或)0||lg20(1||FAFA....（相位平衡条件）p)12(....nFAFA±负反馈放大器要产生自激振荡必须满足两个条件，幅度条件和相位条件。上述过程说明，电路在通频带以内，是负反馈，而在通频带以外，在波特图中的某一频率ƒ处，其附加相移达-180o。0....VFAVf反馈回来的信号又经放大和反馈，如此不断的循环，电路会有一定的输出。实际上，起振刚开始时环路增益，1||..FA此时的反馈信号为：SV.该信号正好代替了，SV.即使为0，使反馈回来的信号不断加强，由于器件的非线性，逐渐接近并等于1，振荡幅度达到平衡。||..FA二、稳定判据和稳定裕度一个负反馈放大器工作是否稳定，会不会产生自激振荡？可以通过产生自激的两个条件来作出判断。1.稳定判据方法：用环路增益的波特图来判断判据：幅度平衡条件）或()0||lg20(1||....FAFA（相位平衡条件）p)12(....nFAFA±具体操作：①作出环路增益波特图；①从相位条件看幅度从波特图的处，找幅频特性上的幅度是＞0dB还是＜0dB，如＞0dB则一定自激；如＜0dB则放大电路工作稳定，不会自激。oFA180..||lg20..FA说明相位满足了，还有放大量。②从幅度条件看相位从=0dB处，找相频特性上的附加相移||lg20..FAoA180，＞180o时，必定存在某一频率，满足幅度和相位条件，使放大器产生自激振荡；如果＜180o时，则不满足相位条件，放大电路工作稳定，不会产生自激。2.稳定裕度它是衡量一个放大器工作是否稳定的重要指标。裕度有两种标准：为保证负反馈放大器在各种环境下都处于稳定的工作，0||lg20..FA或在处的相位移，p)12()(nf工程上在处的回路增益，都应有一定的余量—裕度①增益裕度Gm表示环路增益的附加相移时，其对应的环路增益，即为增益裕度Gm（幅度裕度），如图所示。FA.p)12()(nf..20lg||()mffGAFdB幅度裕度（为负值）0||lg20..)(180FAGomf②相位裕度mdBFA0||lg20..表示环路增益为处时，相位裕度mm180O相移与对应的环路附加相移之差为相位裕度，如图所示。放大器的幅度裕度和相位裕度总称放大器的稳定裕度。相位裕度m幅度裕度Gm通常一个反馈放大器要求相位裕度大于45o(正值），幅度裕度（负值）—10dB以上，才能保证稳定。【例2.5.4】某负反馈放大电路中，其开环幅频和相频特性曲线如图所示。设反馈网络由纯电阻构成，试分析为防止产生自激振荡必须小于多少?||.F某放大器开环幅频特性和相频特性【解】因为，自激的幅度条件为：1||..FA所以|/1|||..FA解题思路：在开环幅频特性上作一条反馈线，然后看处的附加相移是否小于180O来决定反馈系数F的大小。0||lg20..FA1||..FAdBFAFA0||lg20||/1lg20||lg20.....A这可在的幅频特性图中作出高度为的一条水平线，称为反馈线。它与幅频特性曲线|/1|lg20.F||lg20.A的交点满足即满足的自激幅度条件。再根据该交点所对应的附加相移是否小于180°来判别电路是否稳定。)(fa在图中作出了三条反馈线，对应附加相移为90o,则有90o度的相位裕度；在反馈系数F1时的反馈线和开环电压幅频特性交点M，在反馈系数为F2时，交点为N，有45o的相位裕度；第三种反馈系数F3时，正好处在临界振荡，系统不稳定。,105.41F4210F3310F●这说明，在一定的开环增益下，反馈越深，越容易自激。,105.41F4210F3310F●说明负反馈对性能改善和稳定性应合理考虑。三、消除自激振荡的方法基本思路：具体方法：在放大电路的适当地方加阻容元件（RC元件），使环路增益的频率特性发生变化，从而相位和幅度不满足自激条件。用相位补偿来破坏产生自激振荡的两个条件；1.电容滞后补偿法将补偿电容连接在前一级的输出电阻和后一级的输入电阻都比较大的回路，如以下两个电路所示。它的目的是使上限截止频率下移。该两个电路的等效电路可以画成下面的形式。在未接补偿电容C前，其上限频率为：221)//(21iiopCRRfp接入补偿电容C后，上限频率变为：))(//(21221'CCRRfiioPp前一级输出后一级输入补偿电容C现以三级开环幅频特性为例，补偿前的频率特性复数表达式为：)1001)(101)(1(105.pppvffjffjffjA补偿后的频率特性复数表达式为：)1001)(101)(1(10'5.pppvffjffjffjA补偿后ƒp被ƒp’代替，假定补偿后ƒp’=0.1ƒpHz，则补偿前后的频率特性如粗线所示。dBA/||lg20.zHf/020406080100pfpf10pf210zHf/o0o270o180o90decdB/20decdB/40decdB/60补偿前'pf补偿后补偿后补偿前deco/45deco/45deco/90AdBA/||lg20.zHf/020406080100pfpf10pf210zHf/o0o270o180o90decdB/20decdB/40decdB/60补偿前'pf补偿后补偿后补偿前deco/45deco/45deco/90A从图可见：补偿前后若都有45o的相位裕度，补偿前只可加F=10-4的反馈系数，补偿后就可加F=10-3的反馈系数，反馈深了，性能改善多了。电容补偿的优缺点：dBA/||lg20.zHf/020406080100pfpf10pf210zHf/o0o270o180o90decdB/20decdB/40decdB/60补偿前'pf补偿后补偿后补偿前deco/45deco/45deco/90A简单，方便；但上限频率下降了，通带变窄了。2.阻容滞后补偿法（RC滞后补偿）该补偿也称零点—极点补偿，在原单接电容补偿的地方改接电阻R和电容C串联。阻容补偿阻容补偿等效电路)1001)(101)(1(105