模拟电子技术14放大电路的频率特性

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第八章 放大电路的频率响应 高通 研究的问题:放大电路 电路 对信号频率的适应程度, 即信号频率对放大倍数 低通 电路 的影响。 § 在低频段使放大倍数数值下降的原因:随着信号频 率逐渐降低,耦合电容、旁路电容等的容抗增大,使 动态信号损失。 f ? f ? f§ 在高频段使放大倍数数值bw 下降H 的原L 因:随着信号频率逐渐升高,晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小,使动态信号损失。 下限频率 上限频率8.1 频率响应的基本概念在放大电路的通频带中给出了频率特性的概念—— 幅度频率特性:描绘输入信号幅度固定,输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。即 ? ? ? |A|?|Uo Ui |? f(?) 相位频率特性:描绘输出信号与输入信号之间相位随频率变化而变化的规律。即 ? ? ? ?A ? ?U o ? ?U i ? f (? ) 这些统称放大电路的频率响应。 U? ( j?)A? ( j?) ? o u ? Ui ( j?) U? ( j?) ? o ?[? (?) ?? (?)] ? o i Ui ( j?) ?Au ? Au (?)??(?) U? ( j?) A (?) ? o 幅频响应 u ? Ui ( j?) ??(?) ? ?o (?) ??i (?) 相频响应幅频特性偏离中频值的现象称为幅度频率失真;相频特性偏离中频值的现象称为相位频率失真。  放大电路的幅频特性和相频特性,也称为频率响应。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,称为幅度频率失真,简称幅频失真。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,称为相位频率失真,简称相频失真。幅频失真和相频失真是线性失真。 (动画8-1)产生频率失真的原因是:1.放大电路中存在电抗性元件,例如耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等;2.三极管的?(?)是频率的函数。在研究频率特性时,三极管的低频小信号模型不再适用,而要采用高频小信号模型。8.2 RC电路的频率响应8.2.1 RC低通电路电压放大倍数(传递函数) 1 U? j?C 1 1 1 A? ? o ? ? ? ? u U? 1 1? j?RC ω f i R ? 1? j 1? j j?C ωH f H 1 1式中 ωH ?  ? 。A? 的模、上限截止频率和相角为 RC ? u 1 1 ? f ? A? ? , f ? , ? ? ?tg ?1? ? u 2 H 2?RC ? f ? ? f ? ? H ? 1? ? ? ? f H ?  由上面式子可得RC低通电路的近似频率响应曲线 1 A? ? u 2 ? f ? 1? ? ? ? f H ? ?1? f ? ? ? ?tg ? ? ? f H ? RC低通电路的频率特性曲线  幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标, fH称为上限截止频率。当f ≥ fH时,幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降,或写成 -20dB/dec。在f=fH处的误差最大,有-3dB。  当f=fH时,相频特性将滞后45°,并且具有-45?/dec的斜率。在0.1f H 和10f H 处与实际的相频特性有最大的误差,其值分别为+5.7°和-5.7°。  采用这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图,是分析放大电路频率响应的重要手段。8.2.2 RC高通电路电压放大倍数(传递函数) f j ? ? U o R 1 1 1 f L Au ? ? ? ? ? ? U? 1 1 ωL f L f i R ? 1? 1? 1? 1? j jωC jωRC jω jf f L 1 1式中 ω  ?   ? 。A? 的模、下限截止频率和相角为 L RC ? u f f 1 ? ? f ? A? ? L , f ? , ? ? 90? ? tg 1? ? u 2 L 2?RC ? f ? ? f ? ? L ? 1? ? ? ? f L ?由此可得RC高通电路的近似频率响应曲线 f f A? ? L u 2 ? f ? 1? ? ? ? f L ? ?1? f ? ? ? 90? ? tg ? ? ? f L ? RC高通电路频率特性曲线8.3 晶体管的高频小信号模型8.3.1 混合π型高频小信号模型(1) 物理模型  晶体管内部存在势垒电容和扩散电容,由于发射结正偏,基区贮存了许多非平衡载流子,因此扩散电容成分较大,记为Cb’e;集电结反偏,势垒电容起主要作用,记为Cb’c。在高频区,这些电容阻抗较小,其对电流的分流作用不可忽略,因此考虑这些极间电容影响的混合π型高频小信号模型及晶体管的物理结构如下图所示。 阻值大 Cb’c ——集电结电容,也用Cμ这一符号。 rb’c——集电结电阻 rbb‘ ——基区的体电阻,b'是假想的基区内 的一个点。阻 r ——re归算到基极回路的电阻值 b'e 发射结电阻小 re—— Cb’e ——发射结电容,也用Cπ这一符号。(2) 用gmUb’e代替βIb  根据晶体管的物理模型可以画出混合π型高频小信号模型。   gm为跨导,它不随信号频率的 变化而变。 ? ? U b'e ? ? 0 I bo ? ? 0 ? g mU b'e rb' e    反映了三极管内部,? 对流经 的电流 β 0 I b o r b‘ e 的放大作用。? 是真正具有电流放大作用的部分, I b o β0 即低频时的β。而: I? I? / I? ? g ? c ? c bo ? 0 g 称为跨导,还可写成 m ? ? ? m U b' e U b' e / I bo rb'e ?0 ?0 1 I E gm ? ? ? ? rb'e (1? ?0 )re re U T 由此可见gm是与频率无关的?0和rb’e的比值,因此gm与频 率 无 关 。 若 I E = 1 m A ,gm=1mA/26mV≈38mS。(3) 单向化  在π型小信号模型中,因存在Cb’c(C?)和rb’c,对求解不便,可通过单向化处理加以变换。  通常rb’c远大于C?的容抗,可以忽略,只剩下C?。可以用输入侧的C’?和输出侧的C”?两个电容去分别代替C?,但要求变换前后应保证相关电流不变,如下图所示。 密勒定理   密勒定理给出了网络的一种等效变换关系,它 可以将跨接在网络输入端与输出端之间的阻抗分别 等效为并接在输入端与输出端的阻抗。   如图所示,阻抗Z跨接在网络N的输入端与输出 端之间,则可分别等效到输入端和输出端 I I I I 1 Z 2 1 2+ + N + N + U U1 2 U2 U Z U2 Z U A(jω) = 1 1 A(jω) = 2 2 U U- 1 - - 1 - Z1 Z2 (a)
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