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1、 电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分 第六版 第六版 2 华中科技大学 张林 电子技术基础模拟部分 1 绪论 2 运算放大器 3 二极管及其基本电路 4 场效应三极管及其放大电路 5 双极结型三极管及其放大电路 6 差分式放大与频率响应 7 模拟集成电路 8 反馈放大电路 9 功率放大电路 10 信号处理与信号产生电路 11 直流稳压电源 华中科技大学 张林 3 6 频率响应 6 1 放大电路的频率响应 6 2 单时间常数RC电路的频率响应 6 3 共源和共射放大电路的低频响应 6 4 共源和共射放大电路的高频响应 6 5 共栅和共基 共漏和共集放大电路的高频响应 6 6 扩展放大电路
2、通频带的方法 6 7 多级放大电路的频率响应 6 8 单级放大电路的瞬态响应 4 华中科技大学 张林 6 1 放大电路的频率响应 1 需要放大的信号通常都包含许许多频频率成份 如话话筒输输出的 语语音信号 20Hz 20kHz 卫卫星电视电视 信号 3 7 4 2GHz 等 2 放大电电路中含有电电抗元件或等效的电电抗元件 导导致对对不同 频频率的信号放大倍数和时时延不同 若信号中不同的频频率成份不 能被放大电电路同等地放大 包括时时延 则则会出现现失真现现象 称为线为线 性失真或频频率失真 两个现实现实 情况 5 华中科技大学 张林 6 1 放大电路的频率响应 因此 放大电电路对对不同频频
3、率的输输入信号具有不同的放大 能力 即增益是输输入信号频频率 的函数 放大电电路对对不同频频率信号产产生不同响应应的根本原因 前两章分析放大电电路的性能指标时标时 是假设电设电 路中所有耦合电电 容和旁路电电容对对信号频频率来说说都呈现现非常小的阻抗而视为视为 短路 FET或BJT的极间电间电 容 电电路中的负载电负载电 容及分布电电容对对信号频频率 来说说都呈现现非常大的阻抗而视为视为 开路 输输入 输输出放大电路 1 电电抗元件的阻抗会随信号频频率的变变化而变变化 2 放大电电路中有耦合电电容 旁路电电容和负载电负载电 容 FET或BJT也存 在PN结电结电 容 此外实际电实际电 路中还还
4、有分布电电容 6 华中科技大学 张林 6 1 放大电路的频率响应 放大电电路典型的频频率响应应曲线线 阻容耦合单级单级 共源放大 电电路的典型频频率响应应曲 线线如图图所示 其中图图a 是幅频频响应应曲线线 图图b 是相频频响应应曲线线 一般 有 fH fL 如果信号的所有频频率成 份均落在通频带频带 内 则则 基本上不会出现频现频 率失 真现现象 若已知信号的频频率成份 要设计设计 出满满足要求的放大电电路 最主要 的任务务就是设计设计 出频频率响应应的fH和fL 7 华中科技大学 张林 6 1 放大电路的频率响应 1 正弦稳态稳态 响应应是分析频频率响应应的基本方法 2 工程上常采用分段分
5、析的简简化方法 即分别别分析放大电电路的低频频响 应应 中频频 通频带频带 响应应和高频频响应应 最后合成全频频域响应应 其中通 频带频带 内的响应应与频频率无关 就是前两章放大电电路性能指标标的分析结结果 3 也可以用计计算机辅辅助分析 如Spice等 的方法 获获得放大电电路精确 的频频率响应应曲线线 频频率响应应的分析方法 研究放大电电路的动态动态 指标标 主要是增益 随信号频频率变变化时时的 响应应 具体包括 1 频频率响应应的分析方法 2 影响放大电电路频频率响应应的主要因素 3 如何设计设计 出满满足信号频带频带 要求的放大电电路 4 各种组态组态 放大电电路频频率响应应特点 本章
6、讨论讨论 的主要内容 华中科技大学 张林 8 6 2 单时间常数RC电路 的频率响应 6 2 1 RC高通电路的频率响应 6 2 2 RC低通电路的频率响应 9 华中科技大学 张林 6 2 1 RC高通电路的频率响应 1 增益的传递传递 函数 且令 又 则则 电压电压 增益的幅值值 模 幅频频响应应 电压电压 增益的相角 相频频响应应 10 华中科技大学 张林 6 2 1 RC高通电路的频率响应 2 频频率响应应曲线线描述 最大误差 3dB 0分贝水平线 幅频频响应应 11 华中科技大学 张林 6 2 1 RC高通电路的频率响应 2 频频率响应应曲线线描述 相频频响应应 低频时 输出超前输入
7、因为为 表示输输出与所以 输输入的相位差 12 华中科技大学 张林 6 2 2 RC低通电路的频率响应 幅频频响应应 相频频响应应 1 增益的传递传递 函数 13 华中科技大学 张林 6 2 2 RC低通电路的频率响应 幅频频响应应 相频频响应应 输输出滞后输输入 2 频频率响应应曲线线 华中科技大学 张林 14 6 3 共源和共射放大电路 的低频响应 6 3 1 共源放大电路的低频响应 6 3 2 共射放大电路的低频响应 15 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 低频频区内 电电路中的耦合电电容 旁路电电容的阻抗增大 不能再视为视为 短路 低频频
8、小信号等效电电路 16 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 为简为简 化分析 设设低频频区内 有 低频频小信号等效电电路 则则Rs可作开路处处理 17 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 定性讨论讨论 Cb1所在的输输入回路 构成的是RC高通电电路 Rg上的电压电压 输输入回路 18 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 定性讨论讨论 输输出回路也是高通电电路 不过过不是简单简单 的单时间单时间 常 数RC高通电电路 和 输输出回路 19 华中科技大学 张林
9、6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 由电电路可列出方程 由前两个方程得 20 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 代入第3个方程得源电压电压 增益 21 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 令 且 通带带内 中频频 增益 与频频率无 关 Cb1引起的下限截止频频率 Cs引起的下限截止频频率 Cb2引起的下限截止频频率 22 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 其中 第1项项是与频频率无关的通带带内源电压电压 增益 后三项项分别别是3
10、个与6 2节节RC高通电电路相同的低频频响应应 可见见共源放大电电路的低频频响应应是由3个RC高通电电路共同作 用的结结果 则则 为简单为简单 起见见 假设设3个下限截止频频率fL1 fL2和fL3之间间相距 较远较远 4倍以上 可以只考虑虑起主要作用的截止频频率的影响 例如有fL2 4 fL1 fL1 fL3 则则上式简简化为为 23 华中科技大学 张林 6 3 1 共源放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 2 增益的频频率响应应波特图图 水平线线不是0 dB f fL2时时 相频频响应为应为 180 反映了通带带内输输出与输输入的反相关系 24 华中科技大学 张林 6 3 1 共源
11、放大电路的低频响应 若想尽可能降低下限截止频频率 则则需要尽可能选择选择 大的 旁路电电容Cs和耦合电电容Cb1 Cb2 但这这种改善是很有限的 因 此在信号频频率很低的使用场场合 可考虑虑用直接耦合方式 25 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 低频频小信号等效电电路 Rb Rb1 Rb2 远远大于R i R i 26 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 定性讨论讨论 输输入回路构成的是RC高通电电路 输输入回路 和 输输出回路 输输出回路也是高通电电路 27 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大
12、电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 由第2个方程得 由电电路可列出方程 其中 28 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 代入第1个方程得源电压电压 增益 29 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 令 且 通带带内 中频频 增益 与频频率无 关 由Cb1和Ce引起的 下限截止频频率 Cb2引起的下限截止频频率 30 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 其中 第1项项是与频频率无关的通带带内源电压电压 增益 后两项项分别别是2个与6 2节节RC高通电电路相同的低频频响应应 可见见共
13、射放大电电路的低频频响应应是由2个RC高通电电路共同作 用的结结果 其中fL1与Cb1和Ce两个电电容有关 则则 为简单为简单 起见见 假设设2个下限截止频频率fL1和fL2之间间相距较远较远 4倍以上 可以只考虑虑起主要作用的截止频频率的影响 例如 有fL1 4 fL2 则则上式简简化为为 1 增益的传递传递 函数 31 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 1 增益的传递传递 函数 2 增益的频频率响应应波特图图 水平线线不是0 dB f fL1时时 相频频响应为应为 180 反映了通带带内输输出与输输入的反相关系 32 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频
14、响应 2 增益的频频率响应应波特图图 包含fL2的幅频频响应应 33 华中科技大学 张林 6 3 2 共射放大电路的低频响应 若想尽可能降低下限截止频频率 则则需要尽可能选择选择 大的 旁路电电容Ce和耦合电电容Cb1 Cb2 但这这种改善是很有限的 因 此在信号频频率很低的使用场场合 可考虑虑用直接耦合方式 34 华中科技大学 张林 小结 1 通过对过对 共源和共射放大电电路低频频响应应的分析看到 影响低频频响应应的主要因素是旁路电电容和耦合电电容 若想尽可能 降低放大电电路的下限截止频频率 则则尽量选选用容量较较大的旁路电电 容和耦合电电容 其它组态组态 的放大电电路有类类似的结论结论 2
15、 以上分析过过程均假设电设电 路满满足一定条件 进进行了简简 化处处理 实际实际 上通过过SPICE仿真可以得到更精确的分析结结果 3 通过选过选 用大容量电电容降低下限截止频频率的效果通常 是有限的 因此在信号频频率很低的场场合 可考虑虑采用直接耦合 的放大电电路 华中科技大学 张林 35 6 4 共源和共射放大电路 的高频响应 6 4 1 MOS管的高频小信号模型及单位增 益频率fT 6 4 2 共源放大电路的高频响应 6 4 3 BJT的高频小信号模型及频率参数 6 4 4 共射放大电路的高频响应 36 华中科技大学 张林 6 4 1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1 MO
16、S管的高频频小信号模型 Cgs 栅栅 源电电容 Cgd 栅栅 漏电电容 Csb 源 衬衬底电电容 Cdb 漏 衬衬底电电容 多数情况下 MOS管的源极和衬衬底连连在一起 此时时Csb被短路 而Cdb变为变为 Cds 当信号频频率处处于高频频区时时 FET或BJT的极间电间电 容的阻抗将减 小 不能再视为视为 开路 需考虑虑它们们 带带来的影响 37 华中科技大学 张林 其中Cgs的典型值为值为 0 1 0 5pF Cgd的典型值为值为 0 01 0 04 pF及Cds通常小 于1pF rds为为 104 106 一般可从数据手册上获获得这这些参数 Cgs 栅栅 源电电容 Cgd 栅栅 漏电电容 Cds 漏 源电电容 衬衬底与源极并接时时的高频频小 信号模型 也称为为 模型 6 4 1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1 MOS管的高频频小信号模型 38 华中科技大学 张林 2 单单位增益频频率fT fT 共源组态组态 负载负载 短路 时电时电 流增益等于1对应对应 的频频率 也称为为特征频频率 rds和Cds被短路 6 4 1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率fT 3
