放大電路的頻率響應和噪聲.ppt

1,模擬電子線路,南京郵電大學蔡祥寶E-mail:xbcai@Tel:13851630617,2,第四章放大電路的頻率響應和噪聲,3,第4章放大電路的頻率響應和噪聲,4.1放大電路的頻率響應和頻率失真,4.1.1放大電路的幅頻響應和幅頻失真,4.1.2放大電路的相頻響應和相頻失真,4.1.3波特圖,4.2晶體管的高頻小信號模型和高頻參數(shù),4.2.1晶體管的高頻小信號模型,4,二、特征頻率fT,4.3晶體管放大電路的頻率響應,4.3.1共射放大電路的頻率響應,一、共射放大電路的高頻響應,4.1.2晶體管的高頻參數(shù),二、共射放大電路的低頻響應,三、共基電流放大系數(shù)α(jf)及fα,一、共射電流放大系數(shù)β(jf)及其上限頻率fβ,4.3.2共基、共集放大器的頻率響應,5,4.4場效應管放大電路的頻率響應,4.4.1場效應管的高頻小信號等效電路,4.4.2共源放大電路的頻率響應,4.5多級放大器的頻率響應,4.5.1多級放大電路的上限頻率,4.5.2多級放大電路的下限頻率,4.6放大電路的噪聲,4.6.1電子元件的噪聲,4.6.2噪聲的度量,6,第4章放大電路的頻率響應和噪聲,（1）掌握放大電路頻率響應的有關(guān)概念，掌握放大器的低頻、中頻和高頻等效電路,（2）掌握晶體管頻率參數(shù)、共射電路頻率響應特性。,（3）了解單管放大電路頻率響應的分析方法。,（4）了解波特圖的概念及畫法。,7,1.待放大的信號，具有一定的頻率范圍。,2.放大電路的放大性能與頻率有關(guān)。,由于電抗元件的存在，使得放大器對不同頻率信號分量的放大倍數(shù)和延遲時間不同，那么放大后的信號各頻率分量的大小比例和時間相對關(guān)系將不同于輸入信號。由此產(chǎn)生的失真稱為頻率失真。,4.1放大電路的頻率響應和頻率失真,8,,,幅頻失真和相頻失真.avi,線性失真,起因,結(jié)果,線性電抗元件引起,非線性元件引起,不產(chǎn)生新的頻率分量,產(chǎn)生新的頻率分量,非線性失真,9,但實際上放大器中含有耦合、旁路電容等大電容，另外三極管、場效應管的極與極之間存在極間電容等小電容，而電容的阻抗與頻率密切相關(guān)。因而放大器的A與頻率f的關(guān)系曲線應如左圖：,,由于耦合、旁路等大電容的影響,,由于極間電容、分布電容等小電容的影響,放大器的增益A隨信號頻率的改變而改變的這種特性就是放大器的頻率特性（也稱放大器的頻率響應）。放大器的頻率特性反映了放大器對不同頻率的信號的適應能力。,在中頻段：,,A最大；放大器的輸出不會產(chǎn)生頻率失真。,在高、低頻段：,,A隨頻率改變而下降，產(chǎn)生頻率失真：在低頻段由于耦合電容等大電容的影響會產(chǎn)生低頻失真，在高頻段由于極間電容等小電容的影響會產(chǎn)生高頻失真。（帶寬B=fH-fL）,,,,,10,2.三極管的?(?)是頻率的函數(shù)。在研究頻率特性時，三極管的低頻小信號模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。,電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因素，研究頻響實際上是研究電抗元件對放大器放大倍數(shù)的影響。,產(chǎn)生頻率失真的原因是:1.放大電路中存在電抗性元件。例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、PN結(jié)電容、分布電感等;,11,即放大器的頻率特性主要表現(xiàn)在兩個方面：,一、對不同頻率信號的幅度有不同的放大倍數(shù)。,二、對不同頻率信號將產(chǎn)生不同的附加相位,,其中,,是放大器對不同頻率ω的信號幅度的放大倍數(shù)，它是頻率的函數(shù)，它與頻率之間的關(guān)系稱為幅頻特性；,是放大器對不同頻率ω的信號產(chǎn)生的相移，它也是頻率的函數(shù)，它與頻率之間的關(guān)系稱為相頻特性；,放大器頻率特性的好壞直接影響輸出信號的質(zhì)量，對放大器的穩(wěn)定性也有影響，因而必須對放大器的頻率特性給予足夠的重視。,不同用途的放大器對頻率失真具有不同的要求：,,對音頻放大器：,只需較好的幅頻特性（因為人耳對相位變化感覺遲鈍）,對圖象放大器：,要求幅頻特性、相頻特性都好（因為人眼對相位變化敏感，各分量間相位關(guān)系也重要）,一般將放大器增益A表示為：,12,因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同,從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為幅度頻率失真，簡稱幅頻失真。因放大電路對不同頻率成分信號的相移不同,從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為相位頻率失真，簡稱相頻失真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。,13,放大器的失真,放大器的失真是指輸出信號不能重現(xiàn)輸入信號波形的一種物理現(xiàn)象。,失真類型,頻率失真：,（對三極管而言）,由線性電抗元件引起，故稱線性失真。,瞬變失真：,指放大脈沖信號時，電抗元件上的電壓或電流不能突變而引起的失真。,非線性失真：,注意：線性失真不產(chǎn)生新的頻率成份。,進入管子的非線性區(qū)域，會產(chǎn)生新的頻率分量,14,線性失真和非線性失真比較,1.起因不同,2.結(jié)果不同,線性失真由電路中的線性電抗元件（電感、電容），引起。,非線性失真由電路中的非線性元件引起(如晶體管或場效應管的特性曲線的非線性等)。,線性失真不產(chǎn)生輸入信號中所沒有的新的頻率分量信號。,非線性失真產(chǎn)生輸入信號中所沒有的新的頻率分量信號。,15,不失真條件——理想頻率響應,,若放大器對所有不同頻率分量信號的放大倍數(shù)相同，延遲時間也相同，那么就不可能產(chǎn)生頻率失真，故不產(chǎn)生頻率失真的條件為,16,,,,,,|,A,u,(j,ω,)|,K,ω,0,(,a,),,,,,φ(j,ω,),ω,0,(,b,),,φ∝ω,圖4―2理想頻率響應(a)理想振幅頻率響應；(b)理想相位頻率響應,17,,4.1.1放大電路的幅頻響應和幅頻失真,圖4.1.2幅頻特性,,(a)理想幅頻特性,,,,(c)阻容耦合放大電路幅頻特性,中頻區(qū),低頻區(qū),高頻區(qū),上限頻率,下限頻率,通頻帶,增益頻帶積,中頻增益,18,,圖4.1.3相頻特性,(a)理想相頻特性,4.1.2放大電路的相頻響應和相頻失真,(c)阻容耦合放大電路的相頻特性,19,4.1.3波特圖,波特圖就是一種采用對數(shù)坐標的頻率特性曲線。,圖4.1.4高通電路的頻率響應及其波特圖,（a）高通電路,（b）頻率響應,20,,,,,,圖4.1.4高通電路的頻率響應及其波特圖,（c）波特圖,,,,,,,,,,,,,,,,,（b）頻率響應,,,,,,線性刻度,對數(shù)刻度,對數(shù)刻度,對數(shù)刻度,,21,(高通)電路的時間常數(shù)τ,下限角頻率,下限頻率,極限情況,22,,,,,,圖4.1.4高通電路的頻率響應及其波特圖,（c）波特圖,,,,,,,,,,,,,,,,,（b）頻率響應,,,,,,線性刻度,對數(shù)刻度,對數(shù)刻度,對數(shù)刻度,,23,,,,,,,,,,,,C,R,+,_,+,_,(低通)電路的時間常數(shù)τ,上限角頻率,,上限頻率,極限情況,24,極限情況,25,普遍意義的結(jié)論,(1)電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)。,(2)當f=fL時，增益下降3dB，且產(chǎn)生+45o相移。,(4)近似分析中，可用近似波特圖表示放大電路的頻率特性。,(3)當f=fH時，增益下降3dB，且產(chǎn)生-45o相移。,26,波特圖及畫波特圖的方法,放大器的頻率特性可用頻率特性圖來表示：,A、?都是頻率的函數(shù)，一個頻率f必定對應一個A和?；頻率的變化范圍很寬：幾Hz~幾MHz，而增益的變化范圍為：幾~幾百甚至幾千；若按常規(guī)畫法，要一一對應畫在坐標上是不可能的。為了縮短坐標，拓展視野，幅頻特性圖和相頻特性圖可分別畫在兩張半對數(shù)坐標紙上，,,合稱為頻率特性圖,用半對數(shù)坐標畫出的頻率特性圖稱為波特圖：,,,將增益的dB數(shù)作縱坐標,將頻率的對數(shù)作橫坐標,將頻率的對數(shù)作橫坐標,將相位等刻度作縱坐標,,作幅頻特性波特圖,,作相頻特性波特圖,這樣處理后，f>1和f>rbe),,,,,,,,,,,,,,,r,be,′,,,,,,,,,,b,′,,,r,bb,′,,,,,R,s,U,s,,,,,,r,ce,,,,,,R,C,,,,,,R,L,,,＋,－,U,o,b,e,,R,L,′,C,bc,′,,C,be,′,c,U,be,′,g,m,圖4.3.1共射放大器及其高頻小信號等效電路,,,I,1,,,I,2,′,45,r,bb,′,,,,,,,,R,s,U,s,＋,－,,,,,,,,r,be,′,,,,C,be,′,,,,,,,,,,C,M,b,′,,,,,,,,,,,,,C,M,′,,,,,,,,′,R,L,＋,－,U,o,b,e,U,be,′,g,m,c,,,I,1,密勒等效電容,圖4.3.2(a)密勒等效后的單向化等效電路,,,,46,r,bb,′,,,,,,,,R,s,U,s,.,＋,－,,,,,,,,r,be,′,,,,C,be,′,,,,,,,,,,C,M,b,′,,,,,,,,,,,,,C,M,′,,,,,,,,′,R,L,＋,－,U,o,.,b,e,U,be,′,g,m,.,c,圖4.3.2(a)密勒等效后的單向化等效電路,I,2,,,,47,圖4.3.2(b)進一步的簡化等效電路,,,,,,,,,U,be,′,g,m,,,,,,,,′,R,L,＋,－,U,o,,,,,,,,,,,U,s,＋,－,′,R,s,C,i,,,,,U,be,′,′,48,2.高頻增益表達式及上限頻率,,49,圖4.3.3共射放大電路的高頻響應(a)幅頻特性；(b)相頻特性；(c)幅頻特性近似波特圖；(d)相頻特性近似波特圖,50,二、共射放大電路的低頻響應,(a)電路,圖4.3.4共射放大電路及其低頻等效電路,1.共射放大器的低頻等效電路,51,低頻等效電路,圖4.3.4共射放大電路及其低頻等效電路,52,簡化低頻等效電路,圖4.3.4共射放大電路及其低頻等效電路,′,53,2.C1、ＣE對低頻特性的影響,54,,55,3.C2對低頻響應的影響,圖4.3.6C2對低頻響應影響的等效電路,56,(C2引入的下限角頻率),,57,(中頻源增益),58,,,,,,,,,圖4.3.7共射放大電路完整的頻率響應波特圖,59,4.3.2共基、共集放大器的頻率響應,共基放大器中沒有共射放大器中的密勒倍增效應，而且，共基放大器為理想的電流接續(xù)器，能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)(f<f?)將輸入電流接續(xù)到輸出端，因此，共基放大器的上限頻率遠遠高于共射放大器的上限頻率。,60,同樣，在共集放大器中也沒有共射放大器中的密勒倍增效應，而且，共集放大器為理想的電壓跟隨器，也就是反饋系數(shù)是百分之百的電壓串聯(lián)負反饋放大器(第六章將詳細討論)，因此，共集放大器的上限頻率也遠遠高于共射放大器的上限頻率。,61,作業(yè),4.4,62,4.4場效應管放大電路的頻率響應,場效應管放大器的頻率響應與雙極型晶體管放大器的分析方法是相似的，其結(jié)果也相似。,4.4.1場效應管的高頻小信號等效電路,圖4.4.1場效應管的高頻等效電路,63,圖4.4.1場效應管的高頻等效電路,圖中，Cgs表示柵、源間的極間電容，Cgd表示柵、漏間的極間電容，Cds表示漏、源間的極間電容。在MOS管中，襯底與源極相連，所以柵極與襯底間的電容可以歸納Cgs中，漏極與襯底間的電容也可歸納到Cds中。這三個極間電容對場效應管放大器的高頻響應將產(chǎn)生不良影響。,64,4.4.2共源放大電路的頻率響應,一、共源放大電路的高頻響應,圖4.4.2共源放大電路及其高頻等效電路,（a）電路,典型的場效應管共源放大電路如圖4.4.2(a)所示,65,圖4.4.2共源放大電路及其高頻等效電路,（b）高頻等效電路,高頻小信號等效電路如圖4.4.2(b)所示,66,圖4.4.3共源放大電路單向化電路,Cgd是跨接在放大器輸入端和輸出端之間的電容。應用密勒定理作單向化處理，可將Cgd分別等效到輸入端(用CM表示)和輸出端(用CM′表示)，如圖4.4.3所示。,67,,由于輸出回路電容CL’遠小于輸入回路電容Ci，故分析頻率特性時可忽略CL’的影響。因此可得簡化電路如圖4.4.4。,68,圖4.4.4場效應管共源放大電路單向化簡化電路,69,根據(jù)簡化電路得到電壓放大倍數(shù)的高頻表達式,,,,則上限頻率為：,,式中,70,圖4.4.4場效應管共源放大電路單向化簡化電路,71,二、共源放大電路的低頻響應,對于圖4.4.2（a）電路，在低頻區(qū)，Cgs、Cgd和Cds開路，考慮耦合電容CD。得到低頻等效電路如圖4.4.5。,圖4.4.5共源放大電路低頻等效電路,72,圖中CD對場效應管放大電路低頻特性的影響與4.3.2小節(jié)中C2的影響相似，因此可得,其中,73,4.5多級放大器的頻率響應,在多級放大電路中含有多個放大管，因而在高頻等效電路中就含有多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。如果放大器由多級級聯(lián)而成，那么總增益,74,取對數(shù)，幅頻特性為,,相頻特性為,,75,4.5.1多級放大電路的上限頻率,設(shè)單級放大器的增益表達式為,,則多級放大電路的增益為,,76,取模值為,,相角,,式中，|AuI|=|AuI1||AuI2|…|AuIn|為多級放大器中頻增益。,令,,77,則,,解該方程，忽略高次項，可得多級放大電路的上限角頻率的近似表達式,若各級上限頻率相等，即,則根據(jù)式4.5.9得,(4.5.9),78,4.5.2多級放大電路的下限頻率,設(shè)單級放大器的低頻增益為,則多級放大電路的低頻增益為,,79,解得多級放大器的下限角頻率近似式為,若各級下限角頻率相等，即ωL1=ωL2=…=ωLn,則,得,80,通過以上分析可以得出下述結(jié)論：,(2)在設(shè)計多級放大器時，必須保證每一級的通頻帶都比總的通頻帶寬。例如一個四級放大器的總通頻帶要求為300Hz-3.4kHz(電話傳輸所需帶寬)，若每級通頻帶都相同，則每級放大器的上限頻率為,(1)多級放大器總的上限頻率fH比其中任何一級的上限頻率fHk都要低，而下限頻率fL比其中任何一級的下限頻率fLk都要高。也就是說，多級放大器總的放大倍數(shù)增大了，但總的通頻帶(fH－fL)變窄了。,81,而下限頻率應為,(3)如果各級通頻帶不同，則總的上限頻率基本上取決于最低的一級，而總的下限頻率取決于最高的一級。所以要增大總的上限頻率fH，尤其要注意提高上限頻率最低的那一級fHk，因為它對總fH起了主導作用。,82,思考題,1.線性失真與非線性失真有何差異？,2.晶體管的頻率參數(shù)fβ、fT、fα的含義如何？三者的關(guān)系如何？,3.共射放大電路在高頻區(qū)和低頻區(qū)放大倍數(shù)下降的原因是什么？,83,作業(yè),4.6,84,85,圖5―28共射放大器電路,86,圖5―28共射放大器電路的幅頻特性,87,元、器件輸入示意圖,88,Multisim中的“分析方法”,89,MP3播放器的音頻頻率范圍為20Hz-20kHz。,FM廣播的音頻頻率范圍為200Hz-15kHz。,AM廣播的音頻頻率范圍為200Hz-4.5kHz。,常見音頻系統(tǒng)（設(shè)備）的通頻帶,90,音階的劃分是在頻率的對數(shù)坐標(20log)上取等分而得,91,使用分貝做單位的主要優(yōu)點,(1)數(shù)值變小，讀寫方便。,一架收音機從天線收到的信號至送入喇叭放音輸出，一共要放大2萬倍左右。,(2)運算方便。,若某功放前級是100倍(20dB)，后級是20倍(13dB)，那么總功率放大倍數(shù)是10020=2000倍，總增益為20dB＋13dB=33dB。,92,(3)能如實地反映人對聲音的感覺。,電功率從0.1瓦增到1.1瓦，聽到的聲音響了很多；,從1瓦增強到2瓦，響度差不多；,從10瓦增強到11瓦，沒人能聽出響度差別。,10.4dB,3dB,0.4dB,0.1W→1.1W,1W→2W,10W→11W,Hi－Fi功放的音量旋鈕刻度單位為分貝。,人耳聽覺與聲音功率分貝數(shù)成正比。,蚊子叫聲與大炮響聲相差100萬倍，但人的感覺僅有60倍的差異，而100萬倍恰是60dB。,93,常用的0dB基準,dBFS——以滿刻度的量值為0dB，常用于各種特性曲線上；,dBm——在600Ω負載上產(chǎn)生1mW功率(或0.775V電壓)為0dB，常用于交流電平測量儀表上；,dBV——以1伏為0dB；,dBW——以1瓦為0dB。,