《模拟电子线路》第5章

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1、 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第5 5章章第第5章章 频率响应频率响应 5.0 引言引言 所有放大器的增益都是输入信号频率的函数所有放大器的增益都是输入信号频率的函数.这些增益这些增益包括包括:电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益.迄今为止迄今为止, 在线性放大器的分析中在线性放大器的分析中,我们我们假设所有信号频率足够大假设所有信号频率足够大,从而从而能保证耦合电容和旁路电容呈交流短路能保证耦合电容和旁路电容呈交流短路;同时同时又假设所有信又假设所有信号频率都足够低号频率都足够低,能保证寄生电容、负载电容和晶体管电容呈能保证寄生电容、负载电容

2、和晶体管电容呈交流开路交流开路.这一章将研究放大器在整个频率范围内的响应这一章将研究放大器在整个频率范围内的响应,主主要目的是确定由于电路电容和晶体管内部电容引起的放大器要目的是确定由于电路电容和晶体管内部电容引起的放大器的频率响应的频率响应.5.0 引言引言 首先首先,利用复频率利用复频率s,导出几个无源电路的传递函数导出几个无源电路的传递函数,熟悉熟悉一下基本频率响应的问题一下基本频率响应的问题.以下将介绍增益的幅度及其相位以下将介绍增益的幅度及其相位Bode图和时间常数法图和时间常数法,用它们来确定电路响应的拐点频率或用它们来确定电路响应的拐点频率或3dB频率频率.当影响放大器频率响应的

3、电容不止一个时当影响放大器频率响应的电容不止一个时,用计算用计算机仿真来确定频率响应就更具有吸引力机仿真来确定频率响应就更具有吸引力. 本章将学习如何确定放大器的带宽本章将学习如何确定放大器的带宽,还将确定影响其低还将确定影响其低频截止和高频截止特性的参数频截止和高频截止特性的参数,这些参数对设计特定频响特这些参数对设计特定频响特性的放大器尤为重要性的放大器尤为重要.5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念一、频率失真及不失真条件一、频率失真及不失真条件 1、频率失真、频率失真 待放大的信号待放大的信号,如语音信号、电视信号、生物电信号等如语音信号、电视信号、生物电信号等等等,都不是简单的

4、单频信号都不是简单的单频信号,它们都是由许多不同相位、不同它们都是由许多不同相位、不同频率分量组成的复杂信号频率分量组成的复杂信号,即占有一定的频谱即占有一定的频谱.由于实际的放由于实际的放大器中存在电抗元件大器中存在电抗元件(如管子的极间电容、电路的耦合电容、如管子的极间电容、电路的耦合电容、负载电容、分布电容、引线电感等负载电容、分布电容、引线电感等),使得放大电路对不同使得放大电路对不同频率信号分量的放大倍数和延迟时间不同频率信号分量的放大倍数和延迟时间不同.由此而引入的信由此而引入的信号失真称为号失真称为频率失真频率失真.5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念 频率失真频率失真又

5、分振幅频率失真和相位频率失真又分振幅频率失真和相位频率失真,它们都是它们都是由电路中的线性电抗元件引起的由电路中的线性电抗元件引起的,所以所以又称为线性失真又称为线性失真.0vit131(a) 待放大信号待放大信号 (b) 振幅频率失真振幅频率失真vo0t(c) 相位频率失真相位频率失真0vot图图 5.1 频率失真现象频率失真现象5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念2、线性失真与非线性失真、线性失真与非线性失真 (1) 起因不同起因不同:线性失真是由于线性电抗元件引起的线性失真是由于线性电抗元件引起的;非线非线性失真是由电路中的非线性元件引起的性失真是由电路中的非线性元件引起的. (

6、2) 结果不同结果不同:线性失真线性失真只会使各频率分量信号的比例关只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生变化系和时间关系发生变化,或滤掉某些频率分量的信号或滤掉某些频率分量的信号,但输出但输出中中不会产生输入信号中所没有的新的频率分量不会产生输入信号中所没有的新的频率分量;非线性失真非线性失真则会产生输入信号中所没有的新的频率分量则会产生输入信号中所没有的新的频率分量.3、不失真条件、不失真条件理想频率响应理想频率响应A(j) = A(j) (j)(5-1)5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念不产生频率失真的条件为不产生频率失真的条件为: A(j)= K (常数)(5-2)不产

7、生频率失真的理想频率响应如下图所示不产生频率失真的理想频率响应如下图所示.(a) 理想的振幅频率响应理想的振幅频率响应0A(j)K(b) 理想的相位频率响应理想的相位频率响应图图 5.2 (j) =td (td为常数)0 (j)5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念图图 5.3 二、实际放大电路的频率特性二、实际放大电路的频率特性3dBO20lgAvdB3dBfHfLf/Hz带宽带宽中频范围中频范围低频范围低频范围高频范围高频范围三、放大电路的频响分析三、放大电路的频响分析 放大电路中的每个电容只对频谱的一端影响大放大电路中的每个电容只对频谱的一端影响大.因此因此,可可5.1 频率响应的

8、基本概念频率响应的基本概念以开发特定的等效电路以开发特定的等效电路,分别应用于低频、中频、高频放大分别应用于低频、中频、高频放大电路的分析电路的分析.中频中频:耦合电容和旁路电容在这一频率范围内视为短路耦合电容和旁路电容在这一频率范围内视为短路,而而杂散电容和晶体管电容视为开路杂散电容和晶体管电容视为开路,等效电路中没有电容等效电路中没有电容.低频低频:在这一频率范围内在这一频率范围内,耦合电容和旁路电容必须包含在耦合电容和旁路电容必须包含在等效电路中等效电路中,杂散电容和晶体管电容仍视为开路杂散电容和晶体管电容仍视为开路,此时求得的此时求得的增益表达式增益表达式,当频率趋于中频时当频率趋于中

9、频时,应趋于中频增益表达式应趋于中频增益表达式.高频高频:高频时的等效电路中高频时的等效电路中,必须考虑晶体管电容、寄生电必须考虑晶体管电容、寄生电容和负载电容容和负载电容,耦合电容和旁路电容应视为短路耦合电容和旁路电容应视为短路,此时求得的此时求得的增益表达式增益表达式,当频率趋于中频时当频率趋于中频时,应趋于中频增益表达式应趋于中频增益表达式.5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念 当当fHfL时时,利用三个等效电路和近似技术就可得到利用三个等效电路和近似技术就可得到有用的结果有用的结果,从而避免了用一个完整电路求解复杂的传递函从而避免了用一个完整电路求解复杂的传递函数数.我们研究的

10、许多电路都满足这个条件我们研究的许多电路都满足这个条件. PSpice这类的计算机仿真软件这类的计算机仿真软件,可用于分析包含所有电可用于分析包含所有电容的频率响应容的频率响应,由此得到的频率响应曲线比手算结果更精确由此得到的频率响应曲线比手算结果更精确.不过不过,计算机分析结果不能提供任何对特殊结果的物理认识计算机分析结果不能提供任何对特殊结果的物理认识,也不能提出任何建议来改变设计也不能提出任何建议来改变设计,以提供特定的频率响应以提供特定的频率响应.手手算分析可提供对特定响应的了解算分析可提供对特定响应的了解,有助于更好地设计电路有助于更好地设计电路. 下面我们从两个简单的电路开始对频率

11、进行分析研究下面我们从两个简单的电路开始对频率进行分析研究.5.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念 首先推导出与信号频率有关的输出电压比输入电压首先推导出与信号频率有关的输出电压比输入电压(传传递函数递函数)的数学表达式的数学表达式.并由此画出幅频特性及相频特性曲并由此画出幅频特性及相频特性曲线线.然后再引入一种能方便地绘制频响曲线的技术然后再引入一种能方便地绘制频响曲线的技术Bode图图,这种技术不需要借助于对传递函数的总体分析这种技术不需要借助于对传递函数的总体分析,并有利于对并有利于对电路频响的全面理解电路频响的全面理解.5.2 系统传递函数系统传递函数 电路的频率响应常用复频率电