模拟电子技术基础 2篇 5章1

前面所讨论的放大器还没有涉及对信号频率的响应问题。只是把放大信号的频率锁定在音频范围(20Hz～20kHz)-中频范围。此时，耦合电容当短路，管子的PN结电容作开路处理。第五章放大电路的频率响应与稳定性分析在放大电路中，存在耦合电容，晶体管的结电容，还会有电感等电抗元件。当输入不同频率的信号时，放大器的输出将不完全一样。2.5.1频率响应概述输入信号频率升高或降低时对输出信号影响的定性说明。一、通频带和频率失真在整个频带内，放大器电压增益的复函数为：)(|)(|)()()(....viovAVVA幅频特性相频特性低频段中频段高频段中频增益带宽下限频率上限频率HLHBWffff放大器电压增益下降为中频增益的21)707.0(倍对应频率为上、下限频率。在实际应用中，放大器的输入信号不是单一频率的信号，而是包含有多种频率成分的信号，可以表示为：NkkikitVv1)sin(2经放大器放大后的输出电压为：NkkkvkikotAVv1.)sin(||2下的电压增益k附加相移为了实现高保真的放大，必须做到NkkkvkikotAVv1.)sin(||2||.vkA常数kk和当增益不是常数时，称幅频失真附加相移不相同时，称频率失真两者都是线性失真，有时总称频率失真。注意与晶体管非线性特性引起的饱和和截止失真不同。二、一阶RC电路的频响特性分析一阶RC低通滤波电路(积分电路)输出电压和输入电压传输比为:RCjCjRCjVVAiov1111...RCfH21令Hffj11写成幅模型式:|)(11|||2.HvffA2.)(1lg20||lg20HvffA)arctan(Hff对数幅频特性相频特性将频率取三个特殊点时,可画出RC低通滤波器的频率特性曲线图2.)(1lg20||lg20HvffA)arctan(HffHff110dBAv0||lg20.HffdBAv01.3||lg20.Hff110dBAv20||lg20.of29.84)(of45)(of71.5)(Hff110dBAvH0||lg20.HffdBAvH01.3||lg20.Hff110dBAvH20||lg20.of29.84)(of45)(of71.5)(实际的幅频和相频特性曲线。说明：Hff1.0ioVV..相位同相Hff10输出电压衰减20dB输出电压滞后输入信号电压相位90o一阶RC高通滤波电路(微分电路)输出电压和输入电压传输比为:RCjRCjCjRRVVAiov11...RCfL21令LLffjffj12.)(1)(||LLvffffA写成幅模型式:对数幅频特性2.)(1lg20lg20||lg20LLvffffA)arctan(90Loff相频特性将频率取三个特殊点时,可画出RC低通滤波器的频率特性曲线图Lff110dBAv20||lg20.LffdBAv01.3||lg20.Lff110dBAv0||lg20.ooof29.8471.590)(ooof454590)(ooof71.529.8490)(2.)(1lg20lg20||lg20LLvffffA)arctan(90Loff2.5.2半导体三极管的高频小信号模型一、三极管的高频小信号电路模型前面已介绍过低频小信号模型，在低频条件下，分析时不计晶体三极管和场效应管的结电容（或极间电容）。而在高频条件下，必须考虑器件内部的结电容（或极间电容）效应，所以，高频小信号模型将从器件内部的结构着手分析。发射结正偏，结电容由扩散电容决定(约几十至一百皮法左右)；集电结反偏，结电容由势垒电容决定(几个皮法)。三极管放大状态时的物理模型集电区和发射区体电阻rc、rebceNPNbce混合π模型ebebbebmrVIVg'''0''0ebmrg'0流过产生压降，故有：bIebr'ebV'.略去re和rc体电阻下得出略rb’c和rce下的混合π模型简化的混合π模型cbcbhCCKC''1)1(cbcbhCCKKC''21略rbcrce下其中ebceVVK'.../单向化处理-用密勒定理C1hC2h其中hC2最终得出简化的高频小信号模型容量很小，略去，因为它与负载形成的时间常数也很小，具有很高的截止频率。二、场效应管的高频小信号模型gdgsgsCKCC)1('高频小信号模型其中单向化处理后2.5.3放大电路的频率特性分析分析所用的手段：将信号频率分成三个频段进行分析—即低频段、中频段和高频段如下面的单管放大电路C是耦合电容器，容量较大，通常为：f100~10一、频率特性的分频段法分析晶体管用简化高频小信号模型代入后画出共射放大电路全频段等效电路如图等效结电容Ci通常为10～100pF耦合电容C容量大容抗很小，在中频段时当短路处理；Ci容量小容抗很大，中频段时交流开路处理。★中频段：ebbbberrr''中频段电压放大倍数sovsmVVA求法与低频小信号时求法相同，因为电容C当短路，Ci开路中频段等效电路eboiebsiVVVVVV''''LmbeebisiRgrrRRR源电压增益与以前所求的低频（音频范围）电压增益是一致的。说明以前讨论的是指中频范围。其中：)26)1(//[)//(//'''EQbbbebbbbbebiIrRrrRrRR''''LmbeebisieboiebsisovsmRgrrRRRVVVVVVVVAbeLoisiLebobeebisivsmrRRRRRrrrRRRA''''信号频率降低，C容抗增大不能忽略；频率降低Ci容抗更大，交流开路。★★低频段：低频段等效电路低频段电压放大倍数输出电压对源电压的比sovsLVVA''ceoebceiebsiVVVVVVVVω1)ω1//('''CjRRCjRRgrrRRRVVVVVVVVVVALLLcmbeebisiceoebceiebsisovsLCRRjCRRjALcLcvsm)(ω1)(ωCRRjCRRjRgrrRRRLcLcLmbeebisi)(ω1)(ω'')(LcLRRCCRRfLcLL)(2121设则CRRjCRRjALcLcvsm)(ω1)(ωLLvsmvsLffjffjAA1共射放大电路低频段的电压增益复数表达式频率升高C容抗更小，可完全当作短路；频率升高Ci容抗减少，已不能忽略。★★★高频段：高频段等效电路高频段电压放大倍数其中]////['''bsbbebsRRrrRsisibeebibeebsVRRRrrVrrV'''将方框内电路进行戴维南等效后得''''ebosebsssovsHVVVVVVVVA所以，高频段的源电压增益为：'''ω11LmisibeebisiRgCjRCjrrRRRisvsmCRjA'ω11设isHCR'τ则isHHCRf'π21πτ21isiLmbeebisiCjRCjRgrrRRRω11)('''HvsmvsHffjAA11所以，有共射放大电路在高频段的源电压增益复数表达式如下：其中：中频增益为：'.'LmbeebisivSmRgrrRRRA共射放大电路全频段的电压放大倍数表达式：HLLvsmvsffjffjffjAA111在中频段，因fHffL，上式近似为vsmvsAA中频段低频段高频段HvsmvsHvsffjAAA11在高频段，因ffL，HLLvsmvsffjffjffjAA111上式近似变为在低频段，因ffH，LLvsmvsLvsffjffjAAA1HLLvsmvsffjffjffjAA111上式近似变为二、频率响应的Bode图表示横坐标采用对数频率刻度表示;波特图（BodeMap)的画法相频特性曲线的纵坐标表示放大器输出信号电压和输入信号之间的相位角;纵坐标用对数（分贝）表示幅频特性的增益幅度；波特图表示的优点：◆◆◆近似用渐近折线绘制代替了十分麻烦的频率特性曲线。◆◆增益的乘、除运算变成了坐标的加、减运算。◆把很宽的频率变化范围压缩在较窄的对数频率坐标以内。1.低频段波特图的绘制频率特性复数表达式：LLvLffjffjA1幅频特性表达式：2.)(1||LLvLffffA相频表达式]90[)(1Lofftgf幅频特性：2.1lg20lg20||lg20LLvLffffALLvLffjffjA1将幅频表达式取对数得：根据幅频表达式2)(1||LLvLffffA对数幅频特性可取以下三点来画出：Lff110dBAvL20||lg20.LffdBAvL01.3||lg20.2.1lg20lg20||lg20LLvLffffALff110dBAvL0||lg20.画幅频特性过程如图所示：Lff110dBAvL20lg20LffdBAvL01.3lg20Lff110dBAvL0lg20-20十倍频程/20dBdBAv/||lg20.]90[)(1LofftgfLff110ooof29.8471.590)(Lffooof454590)(Lff10ooof71.529.8490)(其相频特性如下：十倍频程/45o幅度最大误差在f＝fL处(误差3dB)。相移最大误差在f＝0.1fL处(误差+5.71°)及在f=10fL处(误差为-5.71°)。幅频和相频特性画在一起后：fL的定义？2.高频段波特图的绘制频率特性表达式：HvHffjA11幅频特性表达式：2.)(11||HvHffA对数幅频特性表达式：2.1lg20||lg20HvHffA-对数相频特性表达式：Lfftgf1)(HvHffjA11幅度最大误差在f＝fH处(误差3dB)。相移最大误差在f＝0.1fH处(误差为+5.71°)及在f=10fH处(误差为-5.71°)。高频段频率特性曲线如下：fH的定义？【例2.5.1】Hz1047.1115315346-6fjfjfjAvs已知某一放大电路全频段的频率响应表达式为请分别写出其对数幅频特性和相频特性的表达式，并画出相应的波特图。中频段部分低频段部分高频段部分解：其对数相频特性表达式为：262.)1047.1(1lg20)53(1lg2053lg2046lg20||lg20fffAvs)1047.1()53(90180)(611ftgftgfHz1047.1115315346-6fjfjfjAvs其对数幅频特性表达式为：262.)1047.1(1lg20)53(1lg2053lg2046lg20||lg20fffAvs)1047.1()53(90180)(611ftgftgf262.)1047.1(1lg20)53(1lg2053lg2046lg20||lg20fffAvs)1047.1()53(90180)(611ftgftgfHzfL5346lg2053lg20f2)53(1lg20f61047.1Hf26)10