模拟电子线路课件：第四章新.ppt_163文库

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1、1第四章第四章频率响应频率响应2（1）待放大的信号不一定是单一频率的，而是有）待放大的信号不一定是单一频率的，而是有一定的频率范围。如公众电话网语音信号频带宽一定的频率范围。如公众电话网语音信号频带宽度：度：300 3400 Hz；视频信号：；视频信号：25Hz6MHz。（2）实际的放大器中存在电抗元件（管子的极间）实际的放大器中存在电抗元件（管子的极间电容：电容：Cbe，Cbc，以及电路的耦合电容，分布，以及电路的耦合电容，分布电容引线电感等）使得放大器对不同频率的信号电容引线电感等）使得放大器对不同频率的信号放大倍数和延迟时间不同。放大倍数和延迟时间不同。由此产生的失真称为由此产生的失

2、真称为频率失真频率失真。前几章的讨论中，我们把放大器的增益看作前几章的讨论中，我们把放大器的增益看作是与频率无关的参量，但实际上：是与频率无关的参量，但实际上：3频率失真频率失真属于属于线性失真线性失真。振幅频率失真：振幅频率失真：由于放大倍数随频率变化而引由于放大倍数随频率变化而引起的失真。（对不同谐波的放大能力不同）起的失真。（对不同谐波的放大能力不同）相位频率失真：相位频率失真：放大器对不同频率分量信号的放大器对不同频率分量信号的延迟不同所引起的失真。延迟不同所引起的失真。4.1 放大电路的频率响应和频率失真放大电路的频率响应和频率失真4项项目目线性失真线性失真非线性失真非线性失真不不

3、同同点点起起因因由电路中的线性电抗元件由电路中的线性电抗元件引起（如引起（如L、C）由电路中的由电路中的非线性元件非线性元件（如：三极（如：三极管）引起管）引起结结果果只会使各频率分量信号的只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生比例关系和时间关系发生变化，或滤掉某些频率分变化，或滤掉某些频率分量的信号，但量的信号，但不会产生新不会产生新的频率分量信号的频率分量信号能产生新的能产生新的频率分量的频率分量的信号信号相相同同点点使输出信号产生畸变使输出信号产生畸变线性失真与非线性失真的比较线性失真与非线性失真的比较54.1.1放大电路的幅频响应和幅频失真放大电路的幅频响应和幅频失真（a）

4、理想幅频特性）理想幅频特性（b）直接耦合放大电路的幅频特性）直接耦合放大电路的幅频特性（c）阻容耦合放大电路的幅频特性）阻容耦合放大电路的幅频特性6L 半功率点半功率点 H中频区低频区高频区0.707|AuI|AuI|理想幅频特性实际幅频特性|Au(j)|fLffHBW3dB0图图53实际的放大器幅频响应实际的放大器幅频响应上限频率上限频率fH：为高频区放大倍数下降为中频区的为高频区放大倍数下降为中频区的0.707时所对应的频率。时所对应的频率。 uIHuA.jfA7070下限频率下限频率fL：为低频区放大倍数下降为中频区的为低频区放大倍数下降为中频区的0.707时所对应的频率。时所对应的频

5、率。 uILuAjfA707. 07通频带通频带BW： BW=fH-fLfH 表征放大器的线表征放大器的线性失真许可范围内的信号频带宽度。性失真许可范围内的信号频带宽度。 dBAjfAGdBAjfAGuILuLuIHuH3lg20lg203lg20lg20L 半功率点半功率点 H中频区低频区高频区0.707|AuI|AuI|理想幅频特性实际幅频特性|Au(j )|fLffHBW3dB08HuIuIfABWABWG 增益频带积增益频带积中频区增益中频区增益AuI与通频带与通频带BW是放大器的两个是放大器的两个重要指重要指标标，希望两者越大越好，但两者往往又是一对，希望两者越大越好，但两者往往又是

6、一对矛矛盾盾的指标，所以又引进增益频带积来表征放大器的指标，所以又引进增益频带积来表征放大器的性能。的性能。L 半功率点半功率点 H中频区低频区高频区0.707|AuI|AuI|理想幅频特性实际幅频特性|Au(j)|fLffHBW3dB09 图图4.1.3 相频特性相频特性也为常数）也为常数）ddt (tj0 4.1.2 放大电路的相频响应和相频失真放大电路的相频响应和相频失真相频不失真条件：相频不失真条件：104.1.3 波特图波特图波特图波特图是一种采用对数坐标且进行折线化近是一种采用对数坐标且进行折线化近似的频率特性曲线。似的频率特性曲线。波特图由对数幅频特性和对数相频特性组成。波特图

7、由对数幅频特性和对数相频特性组成。横轴采用对数刻度横轴采用对数刻度lgf，幅频特性纵轴采用，幅频特性纵轴采用20log|Au|表示，单位是分贝（表示，单位是分贝（dB)。相频特性的纵轴用。相频特性的纵轴用表示。表示。以高通电路为例，说明波特图的画法。以高通电路为例，说明波特图的画法。11RC高通网络高通网络RCjCjRRUUAiUO /11/1 （1）频率响应表达式：）频率响应表达式：+-+uuiCoRRCf 21L 令：令：ffUUALioUj11 则：则：2)(11ffALU 幅频响应：幅频响应：)ffLarctg( 相频响应：相频响应：12RC高通网络的近似波特图高通网络的近似波特图f

9、当 Lff 0 90 时时，当当 Lff 时时，当当 100.1 LLfff 十十倍倍频频程程的的直直线线斜斜率率为为/45 可见：当频率较高时，可见：当频率较高时，AU 1，输出与输入电压之间的相，输出与输入电压之间的相位差位差=0。随着频率的降低，。随着频率的降低， AU 下降，相位差增大，且输出下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前电压是超前于输入电压的，最大超前90o。其中，其中，fL为下限截止频率。为下限截止频率。f0.01fL00.1fL fL10fL-20-40）（dB|lg20UA20dB/十倍频十倍频相频响应相频响应f0.01fL00.1fL fL10fL

10、9045 45 十十倍倍频频/45 )ffLarctg( 14低通网络低通网络RCjCjRCjUUiouA 1111（1）频率响应表达式：）频率响应表达式：RCf 21H 令：令：HiouffjUUA 11则：则：+-RuuiCo2Hu11 ffA 幅频响应：幅频响应：)ffHarctg( 相频响应：相频响应：15RC低通电路的近似波特图低通电路的近似波特图最大误差最大误差 -3dB时时，当当 ff H 1)/11|2 HUff(AdB 01lg20|lg20 UA时时，当当 ff H ffff(AHHU/)/11|2 )/lg(20|lg20ffAHU 0分贝水平线分贝水平线斜率为斜率为 -

12、输出与输入电压之间的相位差位差=0。随着频率的提高，。随着频率的提高， AU 下降，相位差增大，且输出下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。其中其中fH是上限截止频率。是上限截止频率。 )arctg(Hff f0.1fH0fH10fH100fH-20-40）（dB|lg20UA-20dB/十倍频程十倍频程f0.1fH0fH10fH100fH-45-90 十十倍倍频频/45 17结论：结论： (1)电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数。数。 (2)当信号频率等于下限频率当信号频率等于下限频率

13、fL或上限频率或上限频率fH时，放时，放大电路的增益下降大电路的增益下降3dB，且产生，且产生+45o或或- 45o相移。相移。 (3)近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。放大电路的频率特性。184.2 晶体管的高频小信号模型和高频参数晶体管的高频小信号模型和高频参数4.2.1 晶体管高频小信号模型晶体管高频小信号模型Ib.rbbrbebCbeUbe.CbcUbegmrceIc.ecb图图4.2.1 晶体管的高频小信号混合晶体管的高频小信号混合等效电路等效电路 194.2.2 晶体管的高频参数晶体管的高频参数 1.共射短路电流放大

14、系数共射短路电流放大系数(j)及其上限频率及其上限频率fIb.rbbrbebCbeUbe.CbcUbegmrceIc.ecbgmUbeIbe bebmecbcIUgIIj 短路短路、 20Ib.rbbrbebCbeUbe.CbcUbegmrceIc.ecbebebebbebebbebCrjrICjrIU 1)1( bebmecbcIUgIIj 短路短路、 ffjjCrjjebeb 111)(000)()( jj bebe bIrU 0 的上限频率的上限频率)j(Crfebeb 2121bebmecbcIUgIIj 短路短路、)( ebemrr )(g 0001 ebebebbebebbebCr

15、jrICjrIU 1)1( ffjjCrjjebeb 111)(000 ffffarctan)(120 )()( jj 的上限频率）的上限频率）)(21 jCrfebeb 22 ffjjCrjjebeb 111)(000 ffffarctan)(120 ffTf010| (j )|0.707023二二. 特征频率特征频率fT1)(1)(2 ffffjfToToTfCrffebeoT21定义：定义： |(j) |下降到下降到1所对应的频率。所对应的频率。因此：因此：24三、共基短路电流放大系数三、共基短路电流放大系数(j)及及f jjjj 1)(1)()(000001,)1( fffT25例例

16、 4.2.1 由手册查得某晶体管在工作点由手册查得某晶体管在工作点ICQ=5mA，UCEQ=6V时的参数为：时的参数为： 0=150，rbe=1k ，UA=250V，fT=350MHz，Cbc=4pF，画出该晶体管的高频混合，画出该晶体管的高频混合型模型，并标出参数值。型模型，并标出参数值。解：由解：由ICQ可以求出可以求出re2 . 5526mAmVIUIUrCQTEQTe所以所以 krreeb78. 010031500.19S0.78 10mb egr由此可得由此可得 26v又因为又因为 ebbberrr01krrbebb22. 078. 012 . 510kIUrCQAce505250

17、所以所以则：则：PFkMHzrfCeTeb4 .872 . 53502121得高频混合得高频混合型模型，如型模型，如图图4.2.4所示。所示。27Ib.rbbrbebCbeUbe.CbcUbegmrceIc.ecb4pF2200.7884.7pF50k0.19Ube图图 4.2.4 例例4.2.1的高频混合的高频混合型模型型模型284.3 晶体管放大器的频率响应晶体管放大器的频率响应4.3.1共射放大器的频率响应共射放大器的频率响应RsC1RB2RB1REC3C2RCRLUo.Us.UCC图图4.3.1 共射放大器及其高频小信号等效电路共射放大器及其高频小信号等效电路(a)电路电路一、

18、高频响应一、高频响应29(b)等效电路等效电路(设设RB1RB2R i)rbebrbbRsUsrceRCRLUo.beRLCbcCbecUbegm.4.3.1 共射放大器及其高频小信号等效电路共射放大器及其高频小信号等效电路30 二、密勒定理以及高频等效电路的单向化模型二、密勒定理以及高频等效电路的单向化模型NA(j) U1U2ZI2U2I1U1Z1Z2 图图57密勒定理及等效阻抗密勒定理及等效阻抗(a) 原电路原电路31(b)等效后的电路等效后的电路 NA(j) U1U2I2U2I1U1Z2Z1 图图57密勒定理及等效阻抗密勒定理及等效阻抗32uAZUUZZUUUIUZ 1112211111

19、 ZAAZUUUIUZuu112222233MucbuCjACjAZZ 1)1(111 MuucbuuCjAACjZAAZ 1)1(112LmebuRgUUUUA 01234)1()1(LmcbucbMRgCACC cbcbuuMCCAAC )1(rbbRsUs.rbe Cbe CMbCMRLUo.beUbe gm.c(a)单向化模型单向化模型35rbbRsUs.rbe Cbe CMbCMRLUo.beUbe gm.c(a)单向化模型单向化模型cbLmebMebiCRgCCCC )1()(bbSebsrRrR 用代维南等效进一步简化电路：用代维南等效进一步简化电路： sbesebsebbbse

20、bsUrRrUrrRrU36cbLmebMebiCRgCCCC )1( sbesebsebbbsebsUrRrUrrRrU)(bbSebsrRrR UbegmRLUo.Us.RsCiUbe.(b)进一步的简进一步的简化等效电路化等效电路用代维南等效进一步简化电路：用代维南等效进一步简化电路：37三、高频增益表达式及上限频率三、高频增益表达式及上限频率sisiLmebLmoUCjRCjRgURgU 11sisbesebLmUCRjrRrRg 11)(HuIsisbesebLmsousjACRjrRrRgUUjA 111)()(besLobesebLmuIsrRRrRrRgA isHHCRf 1

21、2 382)(1)(HuIsuffAjA )arctan(180)(Hoffj )arctan(Hff HuIsisbesebLmsousjACRjrRrRgUUjA 111)()(besLobesebLmuIsrRRrRrRgA isHHCRf 12 39|Au(j )|0.707|AuIs|AuIs|HH004590( j )|Au(j )|H0045900.01H0.1H10H402020 dB/10 倍频程倍频程(a)(b)(c)(d)(H)45图图59考虑管子极间电容影响的共射放大器频率响应考虑管子极间电容影响的共射放大器频率响应 (a)幅频特性；幅频特性；(b)相频特性；相频特性；

22、 (c)幅频特性幅频特性渐近渐近波特图；波特图； (d)相频特性相频特性渐近渐近波特图波特图 40(a)Us.RsC1RBRECEC2RCRLUCCUo.图图523电路电路二、共射放大电路的低频响应二、共射放大电路的低频响应41Us.RsC1rbbRCbRECEC2RLUo.(b)berbe.Ubegm阻容耦合共射放大器及其低频等效电路阻容耦合共射放大器及其低频等效电路低频等效电路低频等效电路42阻容耦合共射放大器及其低频等效电路阻容耦合共射放大器及其低频等效电路 RsC1rbbRCbCE/(1)C2RLUo.(c)Us.(1)REUbegm.rbe简化低频等效电路简化低频等效电路43一、一

23、、C1、E对低频特性的影响对低频特性的影响besebbbsErRrrRR )1( sbesebebUCjrRrU 1EECCCCC 11)1( LebmoRUgU 2022年1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路44E1E1)1(CCCCC sbesebebj1UCrRrU CebmosRUgU C1、E对低频特性的影响对低频特性的影响osUsUsR 1Cbb reb r)1/(E Cebm UgCR sos)j (UUAu sososoUUUU 2022年1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路45 L1besebCmbesbesebCmsosj11)(j111 rRrRg

24、CrRrRrRgUU引入的下限角频率）引入的下限角频率）、E1besL1()(1CCCrR 为输入回路时常数倒数为输入回路时常数倒数.3sbe101FRrC2L136sbe1110 Hz2()10 101 10fRrC 2022年1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路46 3. C2对低频响应的影响对低频响应的影响C2RCRL gmRCUbe.Uo.图图4.3.6 C2对低频响应影响的等效电路对低频响应影响的等效电路osU2LCLCL2LCLoso)(j111)(j1)(CRRRRRCRRRUU 2022年1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路47 L2LCLj11)( R

25、RR(C2引入的下限角频率引入的下限角频率) )(1LC2L2RRC 为输出回路时常数倒数为输出回路时常数倒数.2LCLCL2LCLoso)(j111)(j1)(CRRRRRCRRRUU 3CL21010FRRCL236CL21110Hz2()10 1010 10fRR C2022年1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路48()(1)(1)IssL1L2jjjuuAA L1besebCmos11jrRrRgUUs sosososos)j (UUUUUUAu L2LCLosoj11)( RRRUUbesebLmIsrRrRgAu (中频源增益中频源增益) 总低频增益总低频增益2022年

26、1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路4945135dB/lg20suAff 1800Islg20uA225270H1 . 0fHfH10 f图图4.3.7共射放大电路完整的频率响应波特图共射放大电路完整的频率响应波特图 10L1fL1f9003153600.1L1f0.1L2f0.1L2L1assumeff2022年1月18日星期二B0400041S 模拟电子线路50思考题思考题1.线性失真与非线性失真有何差异？线性失真与非线性失真有何差异？2.晶体管的频率参数晶体管的频率参数f、fT、f的含义如何的含义如何？三者？三者的关系如何？的关系如何？3.共射放大电路在高频区和低频区放大倍

27、数下降共射放大电路在高频区和低频区放大倍数下降的原因是什么？的原因是什么？51CrRjrRrRgUUjAbesbesebLmsous)(111)( 中频区源增益）中频区源增益）(besebLmuIsrRrRgA 低频增益模值）低频增益模值）（()(1)21 LuIsuIsAjA 1211arctan180)(11LoLuIsLuIsAjA 52低频增益相角）低频增益相角）(arctan180)(1 Loj ）（低频响应的附加相移（低频响应的附加相移 1arctan)(Lj 下限角频率）下限角频率）()(11CrRbesL 53|Au(j)|0.707|AuIs|AuIs|450L450L90(

28、a)(b)(j图图524 阻容耦合放大器阻容耦合放大器C1及及CE引入的低频响应引入的低频响应 54 二、二、C2对低频响应的影响对低频响应的影响C2RCRLgmRCUbe.Uo.图图525 C2对低频响应影响的等效电路对低频响应影响的等效电路5521)(CjRRRRUgULCLCebmo )(1112LCebLmRRCjURg sLCbesebLmURRCjrRrRg )(1112 21)(LuIssousjAUUjA 令令56besebLmuIsrRrRgA )1)(1()(21 LLuIsuIsjjAjA 总低频增益：总低频增益：(中频源增益中频源增益) (C2引入的下限角频率引入的下限

29、角频率) )(122LCLRRC 2)(1)(1221uIsLLuIsAA 令令2222221)(21()(21(CrRCrRfffLCbesLLL 则则式中：式中： 57 三、讨论三、讨论(1)C1、E、C2越大，下限频率越低，低频越大，下限频率越低，低频失真越小，附加相移也将会减小。失真越小，附加相移也将会减小。(2)因为因为CE等效到基极回路时要除以等效到基极回路时要除以(1+)，所以若要求所以若要求CE对对L1的影响与的影响与C1相同，需要求取相同，需要求取CE =(1+)C1，所以射极旁路电容的取值往往比，所以射极旁路电容的取值往往比C1要大得多。要大得多。(3)工作点越低，输入阻抗

30、越大，对改善低频工作点越低，输入阻抗越大，对改善低频响应有好处。响应有好处。58(4)RC,RL越大，对低频响应也有好处。越大，对低频响应也有好处。(5)C1、CE、C2的影响使放大器具有高通特的影响使放大器具有高通特性，在下限频率点处，附加相移为正值，说明性，在下限频率点处，附加相移为正值，说明输出电压超前输入电压。输出电压超前输入电压。(6)同时考虑低频和高频响应时，完整的频率同时考虑低频和高频响应时，完整的频率特性如图特性如图526所示。所示。59|AuIs| 45 450LH(a)(b)|AuIs|245900 45 90)(jAu)(j图图526 阻容耦合放大器完整的频率响应阻容耦合

31、放大器完整的频率响应 60510 Pspice简介与简介与EWB 一、一、Pspice1.spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）Spice是国际上公认的模拟电路通用仿真工具，是国际上公认的模拟电路通用仿真工具，20世纪世纪70年代，美国加州大学伯利分校推出，年代，美国加州大学伯利分校推出，1988年定为年定为美国国家标准。美国国家标准。由于由于spice程序很大，计算量大而精度高，因此主程序很大，计算量大而精度高，因此主要用于中、小型计算机或功能较强的工作站上。要用于中、小型计算机或功能较强的工作站上。2.Pspic

32、e1984年美国年美国Microsim公司推出的、基于公司推出的、基于Spice的微的微机版本。机版本。61 二、二、 EWB ( Electronics workbench )加拿大加拿大Interactive Image Technologies 公司公司推出的模拟电路通用仿真工具，它以推出的模拟电路通用仿真工具，它以Spice为基为基础，只是版面结构、显示方式不同。础，只是版面结构、显示方式不同。62三、三、EWB的仿真过程的仿真过程1.数据输入数据输入：采用原理图方式输入。采用原理图方式输入。2.参数设置参数设置：器件的数学模型参数。器件的数学模型参数。3.电路分析电路分析：根据用户

33、选择的分析方法，建立电路相应根据用户选择的分析方法，建立电路相应的电路方程，进行数值求解。的电路方程，进行数值求解。4.数据输出数据输出：将电路计算结果绘制成标准的、直观的波将电路计算结果绘制成标准的、直观的波形和曲线，以便用户观察、输出和存档。也可以形和曲线，以便用户观察、输出和存档。也可以从各种测试仪器（如示波器）上获得仿真结果。从各种测试仪器（如示波器）上获得仿真结果。63四、四、EWB的基本分析方法的基本分析方法1.直流工作点分析直流工作点分析：计算电路的静态工作点。直流分析是瞬态计算电路的静态工作点。直流分析是瞬态分析和交流小信号分析的基础。它决定了瞬态分析和交流小信号分析的基础。它

34、决定了瞬态分析的初始条件和交流小信号分析时电路中非分析的初始条件和交流小信号分析时电路中非线性器件的小信号模型参数。线性器件的小信号模型参数。2.交流频率分析交流频率分析：是在正弦小信号工作条件下，分析电路的频是在正弦小信号工作条件下，分析电路的频率特性。可计算出电路的幅频特性和相频特性。率特性。可计算出电路的幅频特性和相频特性。643.瞬态分析瞬态分析：计算所选定的电路节点的时域响应。在瞬计算所选定的电路节点的时域响应。在瞬态分析参数设置中，分析初始条件的缺省设置为态分析参数设置中，分析初始条件的缺省设置为直流工作点分析结果。直流工作点分析结果。4.傅里叶分析傅里叶分析：把被测节点处的时域变

35、化信号作离散傅里把被测节点处的时域变化信号作离散傅里叶变换，求出它的频域变化规律。叶变换，求出它的频域变化规律。5.失真分析失真分析：分析电路中由于多个不同频率激励源在电分析电路中由于多个不同频率激励源在电路中产生的谐波失真和内部调制失真。路中产生的谐波失真和内部调制失真。656.噪声分析噪声分析：分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。可检测电分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。可检测电路输出信号的噪声功率幅度。路输出信号的噪声功率幅度。7.高级分析功能高级分析功能：（1）参数扫描分析）参数扫描分析：（2）温度扫描分析）温度扫描分析：可观察到不同温度条件下的电路特性。可观察到不同温度条件下的电路

36、特性。可较快获得某个元件参数在一定范围内变化时对电可较快获得某个元件参数在一定范围内变化时对电路的影响。路的影响。66（3）零）零极点分析极点分析：（4）传递函数分析）传递函数分析：（5）直流和交流灵敏度分析）直流和交流灵敏度分析：可得到电路的交流线性化小信号模型的传递函数中可得到电路的交流线性化小信号模型的传递函数中的零、极点，以得到电路的稳定性分析。的零、极点，以得到电路的稳定性分析。可分析一个源（输入）与两个节点间的电压或一个可分析一个源（输入）与两个节点间的电压或一个源与一个电流输出变量之间的小信号传递函数。这样可源与一个电流输出变量之间的小信号传递函数。这样可计算电路的输入和输出阻抗

37、。计算电路的输入和输出阻抗。可得到电路中元件参数的变化引起电路中电压或电可得到电路中元件参数的变化引起电路中电压或电流变化的程度。流变化的程度。67（6）蒙特卡罗分析）蒙特卡罗分析：（7）最坏情况分析）最坏情况分析：电路中元件参数按选定的误差分布类型在一定的范电路中元件参数按选定的误差分布类型在一定的范围内变化时，对电路特性的影响。利用这些结果可预测围内变化时，对电路特性的影响。利用这些结果可预测电路在批量生产时的成品率和生产成本。电路在批量生产时的成品率和生产成本。可观察到在元件参数变化时，电路特性变化的最坏可观察到在元件参数变化时，电路特性变化的最坏可能性。可能性。6812V103k2N2712130k10501k50k10mv/600Hz/0Deg100(a)(b)10 图图528共射放大器电路和频率响应共射放大器电路和频率响应 (a)电路；电路； (b)幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 6912V12VOP071V/60 Hz/0 Deg图图529集成运算放大器集成运算放大器OP -07的对数幅频特性的对数幅频特性 70作作业业5-15-75-85-13 (1) (3)

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