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第五章 放大电路的频率响应
5.1 频率响应概述
5.2 晶体管的高频等效模型
5.4 单管放大电路的频率响应
5.5 多级放大电路的频率响应
5.3 场效应管的高频等效模型
5.6 集成运放的频率响应和频率补偿
5.1 频率响应概述
5.1.1 研究放大电路频率响应的必要性
由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容,所以电路的放大倍数为频率的函数,这种关系称为频率响应或频率特性。
小信号等效模型只适用于低频信号的分析。
本章将引入高频等效模型,并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法,以及频率响应的描述方法。
5.1.2 频率响应的基本概念
在放大电路中,耦合电容(容值大)对高频信号相当于短路,而对于低频信号会在其上产生压降,导致放大倍数的数值减小且产生相移。
半导体的极间电容(容值小),对低频信号开路;对高频信号极间电容会分流,导致电压放大倍数数值减小且产生相移。
一、 高通电路
令:
fL 称为下限截止频率
无源单级RC电路的频率相应
幅频特性
相频特性
在放大电路中,
输入信号的频率范围:几赫到几百兆赫
放大倍数范围:几倍到几十万倍
为了在同一坐标系中表示如此宽的变化围,在画频率特性曲线时常采用对数坐标。
扩大了视野且将放大倍数的乘法运算转换成加法。
则有:
放大电路的对数频率特性称为波特图。
对数幅频特性:
实际幅频特性曲线:
图 5.1.3(a) 幅频特性
高通特性:
最大误差为 3 dB,发生在 f = fL处
对数相频特性
图 5.1.3(a) 相频特性
误差
在低频段,高通电路产生 0 ~ 90° 的超前相移。
二、 RC 低通电路的波特图
图 5.1.2 RC 低通电路图
令 :
则:
fH 称为上限截止频率
图 5.1.3(b) 低通电路的波特图
对数幅频特性:
对数相频特性:
在高频段,低通电路产生0~ 90°的滞后相移。
小结
(1)电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数τ,即决定了fL和fH。
(2)当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降3dB,且产生+450或-450相移。
(3)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。
7.4 有源滤波电路
7.4.1 滤波电路的基础知识
作用:选频。
一、滤波电路的种类:
低通滤波器LPF
高通滤波器HPF
带通滤波器BPF
带阻滤波器BEF
图 7.4.1
二、滤波器的幅频特性
低通滤波器的实际幅频特性中,在通带和阻带之间存在着过渡带。
过渡带愈窄,电路的选择性愈好,滤波特性愈理想。
滤波电路的分类:
无源滤波电路:仅有无源元件(R、C、L)组成
有源滤波电路:有无源元件和有源元件(双击型晶体管、单级型管、集成运放)共同组成
1.无源低通滤波器:
信号频率从0到无穷大时的电压放大倍数为:
信号频率趋于零时,电容容抗趋于无穷大(开路),通带放大倍数:
如图7.3.3实线所示
当RC低通滤波电路带上负载RL后,输入信号频率趋于零时,电容容抗趋于无穷大(开路),通带放大倍数:
输入信号频率从0到无穷大时的电压放大倍数为:
带负载后电路缺点: 减小, 升高,即二者都会随负载而变化,不符合信号处理要求。
解决办法:利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。
2. 有源滤波电路
无源滤波电路受负载影响很大,滤波特性较差。
为了提高滤波特性,可使用有源滤波电路。
组成电路时,应选用带宽合适的集成运放
拉氏变换是将时间函数f(t)变换为复变函数F(s),或作相反变换。
?时域(t)变量t是实数,?复频域F(s)变量s是复数。变量s又称“复频率”。?
拉氏变换建立了时域与复频域(s域)之间的联系。?
s=jw,当中的j是复数单位,所以使用的是复频域。通俗的解释方法是,因为系统中有电感X=jwL、电容X=1/jwC,物理意义是,系统H(s)对不同的频率分量有不同的衰减,即这种衰减是发生在频域的,所以为了与时域区别,引入复数的运算。
在复频域计算的形式仍然满足欧姆定理、KCL、KVL、叠加法。
四、有源滤波电路的传递函数
输出量的象函数与输入量的象函数之比
通过”拉氏变换“ ,将电压电流变换成像函数U(S),I(S)。R(S)=R,ZC(S)=1/Sc,ZL(S)=sL
分母中s的最高次幂称为滤波器的阶数
7.4.2 低通滤波器
一、同相输入低通滤波器
1. 一阶电路
用jω取代s,且令f0=1/(2πRC),得出电压放大倍数
f0 称为特征频率
——通带电压放大倍数
可见:一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带截止频率相同;但通带电压放大倍数得到提高。
缺点:一阶低通有源滤波器在 f f 0 时,滤波特性不理想。对数幅频特性下降速
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