第五章 放大器的频率响应

58
第第第 第第第第第第第第 第第第第第第第第第 第第第 第第第第第第第第 第第第 第第第第第第第第 第第第 第第第第第第第第第第 第第第 第第第第第第第第第第第

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第五章 放大器的频率响应. 第一节 频率响应的分析方法 第二节 晶体三极管的高频运用 第三节 放大器的频响分析 第四节 放大器展宽频带的方法 第五节 多级放大器的闭环稳定性. 图 1 CE 接法基本放大电路. 第一节 频率响应的分析方法. ( 1 )用公式表示:. 一、频率响应 : 把放大器的幅频特性与相频特性统称为频率响应。 1 、幅频特性与相频特性:(对基本放大电路). 频率响应 :. 其中 : A u (f) —— 为幅频响应 φ(f) —— 为相频响应. A(jf ). A V. 0.707A V. f. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 第五章  放大器的频率响应

第五章 放大器的频率响应第一节 频率响应的分析方法第二节 晶体三极管的高频运用第三节 放大器的频响分析第四节 放大器展宽频带的方法第五节 多级放大器的闭环稳定性

Page 2: 第五章  放大器的频率响应

一、频率响应:把放大器的幅频特性与相频特性统称为频率响应。 1 、幅频特性与相频特性:(对基本放大电路)

)(/ fAA UU

其中 : Au(f) —— 为幅频响应 φ(f) —— 为相频响应

第一节 频率响应的分析方法

频率响应 :

( 1 )用公式表示:

图 1 CE 接法基本放大电路

Page 3: 第五章  放大器的频率响应

•图中将中频增益的 0.707A 处,所对应的频率称为低频截频(下限 )fL 和高频截频 ( 高截 )fH 。

( 2 )用曲线表示(频率特性) :

fL fH

0.707AVAV

图 2 频率响应曲线-180°-90°

-270°

A(jf)

(jf)f

f

•幅度频率特性:•AU(j) 或 AU(jf)

•相位频率特性:(j) 或 (jf)

Page 4: 第五章  放大器的频率响应

BW 是放大器的重要指标之一,根据放大器的用途不同,对频带宽度有不同的要求。•音频:一般要求频率范围在 20HZ ~~ 20KHZ (耳朵 的灵敏度)。•视频: fL 在几十 HZ 以下, fH 几十兆 HZ ,用于通信、 电子仪器和设备中。

2. 频带宽度:• BW = fH - fL ≈ fH , 称带宽。

高频截频

低频截频

Page 5: 第五章  放大器的频率响应

• 幅频特性偏离中频值的现象称为幅度频率失真 ;

•相频特性偏离中频值的现象称为相位频率失真。•产生频率失真的原因 :(1). 放大电路中存在电抗性元件,例如 耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等 ;(2). 三极管的 () 是频率的函数。 在研究频率特性时,三极管的低频小信号模型不再适用,而要采用高频小信号模型。

3. 频率失真: 幅度频率失真和相位频率失真统称为频率失真。

Page 6: 第五章  放大器的频率响应

① 引起低频增益下降的主要原因是: 耦合电容、旁路电容。② 引起高频增益下降的主要原因是: 结电容 Cc 和 Ce.

3. 影响放大器截频的主要原因:

Page 7: 第五章  放大器的频率响应

(一)线性系统的分析:时域 复频域拉氏变换拉氏逆变换

自变量: t 自变量: s=+j

二、传输函数

利用拉氏变换

•将独立变量 t 换成 S =σ+jω, 即将时域分析变为复频域分析。

即 : F(S)= L[f(t)] Y(S)= L[y(t)]

输入函数(激励)输出函数(响应)

频域 H ( S )

f(t)→ →y(t)↓↑ ↓↑

F(S)→ →Y(T)

Page 8: 第五章  放大器的频率响应

•线性系统的传递函数 H(S):定义为初始条件为零时(零状态);输出函数(响应)的拉氏变换,与输入函数(激励)的拉氏变换之比。传递函数

))...()(())...()((

)()()(

21

210

n

m

PSPSPSZSZSZSH

SFSYSH

)()()(

SFSYSH

•利用拉氏变换可将线性集中参数的传递函数表示成 :

零状态响应即:

非标准式

•线性系统的输出函数、输入函数的关系可由常系数微分方程来描述。

Page 9: 第五章  放大器的频率响应

)1)(1(

)1)(1('

)())(()())(()(

21

210

21

210

ps

ps

zs

zs

H

pspspszszszsHsH

n

m

标准式

H0 = a 0 /b 0 —— 称标尺因子(函数) Z1 , Z2 ,…, Zm —— 为零点(即 S=Z1 或 S=Z2 时, H ( S )= 0 ) P1 , P2 ,…, Pn —— 为极点(即 S=P1 或 S=Pn 时, H ( S )→∞H0 ’= H0( Z1 Z2… Zm / P1 P2 … Pn )

Page 10: 第五章  放大器的频率响应

例:求如图所示 RC 耦合电路的电压传递函数,并画出它的 极点——零点图。

解:电路的复频域方程式:

* 传递函数 H ( S )具有一个极点 P1 ,一个零点 Z1=0。

)()(

1)( 12 SUSCR

RSU

)(11)(

)()(1

2

RCSS

RSCRSC

SUSUSH

1

)(PS

SSH

RC

P 11

传递函数(电压)

式中:

U2

+

-

U1

+

-

C

R

虚)(j

实)(

01 Z

RCp 1

1

RC 高通电路

Page 11: 第五章  放大器的频率响应

•该方程式反映了电路的频率特性。

11

2

pjj

)(jU)(jU)H(j

11

2U pj

j)(jU)(jU)(jA

ωω

ωωω

•要分析其频率响应: 令 S= jω

则:

•电压增益:

Page 12: 第五章  放大器的频率响应

•频率响应曲线常用对数直角坐标的波特图来描绘。(如图)1 、求电压增益函数:

•式中常数项 AU=1 ,零点 ω1=0 ;极点 ω2=1 / RC 。

RCA 1j

j)(jU)(jU)(j

1

0U

2

1)()(

jjAj U

UA

•将上式写成零、极点的形式 :

三、频率响应的描绘——波特图:

U2

+

-

U1

+

-

C

R

RC 高通电路

Page 13: 第五章  放大器的频率响应

•幅频特性曲线:指 |AU ( jω ) | 与 ω 的关系。

⑵ 横坐标代表角频率 ω( 或 f) ,实际取对数刻度,并取相对比 值 lg(ω/ω2)刻度,为读数方便以比值 ω/ω2 读数。

2

2

1)(

2

jj

jjjUA

2

22

1lg20lg20

)(lg20

jAU

其模用 dB 表示:

2 、画波特图的幅频特性:

图 6 RC 高通电路的近似频率特性曲线

波特图

⑴ 纵坐标代表幅值,用 dB 表示:

Page 14: 第五章  放大器的频率响应

⑶ 用逐点法作幅频特性时可取若干点:

dBjAU 201.01lg201.0lg20)(lg20 2

dBjAU 311lg201lg20)(lg20 2

dBjAU 0101lg2010lg20)(lg20 2

ω= 0.1ω2:

ω= ω2:

ω= 10ω2:

•当ω=ω2 ,即 ω/ω2 =1 时,增益比中频增益下降 3dB ∴角频率为截止频率。

0.1 1 10 100

0

-20

-40

dB)(lg20 jAu

2

lg

幅频特性

2

22

1lg20lg20)(lg20

j

UA

Page 15: 第五章  放大器的频率响应

3 、画波特图的相频特性: 相频特性是相角 argAu(jω) 与 ω 的关系曲线。作图方法如下:⑴ 相—— 纵坐标代表相移Φ( ω )

2

0

22

arctan90)1arg(arg)arg()(

jjj

⑵ 横坐标代表角频率,它的刻度方法与幅频特性相同;⑶ 用逐点法:ω=0 时, Φ(ω)= 90

o- 0 o = 90

o ω=ω2 时,Φ(ω)= 90

o- 45 o = 45

o

ω= ∞时,Φ(ω)= 90 o- 90

o= 0 o 0.1 1 10 100

090045

0

2

lg

Φ ( ω )

相频特性

Page 16: 第五章  放大器的频率响应

•实际应用时常采用近似描绘。若典型传递函数为:

)1)(1)(1()1(

)(432

1

jjj

jAjjA

))()(()()(

432

11

jjj

jjAjA

432

11

AA式中:

四、幅频特性的近似描绘:

•将上式写成波特图的作图形式 ( 标准型式 ) :

Page 17: 第五章  放大器的频率响应

一阶因子( 1+jω/ω1 )用 dB 表示幅值为: 2

111lg201lg20

j

db01lg201lg20 2

1

•当 ω<<ω1 时:(∵横坐标为对数分度)

•当 ω>>ω1 时:

11lg201lg20 2

* (是一条斜率为:每十倍频上升 20db 的斜线)

如图: 0 — ω1段)(1lg20

1dBj

11

lg

十倍频/20dB

1 、一阶零点的渐近线幅频特性:

一阶零点的幅频特性

Page 18: 第五章  放大器的频率响应

•一阶因子( 1+jω/ω1 ) -1 用 dB 表示幅值为:

*当 ω>>ω2 是一条( -20dB/ 十倍频)斜线。3 、一阶零点、极点的校正:(零)在 ω=ω1 处:幅值

222

1lg201lg20

j

dbdb 301.31lg20 2

1

db31lg20 2

2

当 ω<<ω2 是一条 0dB水平线;

1在 处校正 +3d

b(极)在 ω=ω2 处:幅值2在 处校正 +3db

2)(1lg20

2dBj

2

lg

十倍频/20dB

2 、一阶极点的渐近线幅频特性:

Page 19: 第五章  放大器的频率响应

① 在零点 Z= ( S-0 ),它对幅频特性 的贡献相当于基本因子 jω 。

* 这是一条通过 ω=ω0=1 ,斜率为 +20dB / 十倍频的直线

100

jj

xdby 20lg20)(0

如上图实线

0lg20)(

dby

② 同理,对极点 P= ( S-0 ) , 相当于基本因子 jω-1 :

• 是一条通过ω=ω0=1 ,斜率为 -20dB/十倍频的直线。

零点

极点

0

lg

40

20

0

-20

-40

1 10

)(lg200

dBj 4 、位于 S平面原点处的零点和极点:

Page 20: 第五章  放大器的频率响应

图 7 频率特性曲线

0.1 1 1 101

0.1 1 1 101

lg

lg

5 、相频特性的渐近线画法:(一)一阶零、极点的渐近线:

当 0.1 1 时, y=0当 = 1 时, y=±3dB当 10 1 时, y=±20dB

当 0.1 1 时, ()=0当 = 1 时, ()= ±45°当 101 时, ()= ±90°

2 、相频特性: ()= )(1

1

tg

20dB/dec

-20dB/dec

-45/dec

45/dec

1 、幅频特性:1

1lg20j

2

1

)(1lg20

=

Page 21: 第五章  放大器的频率响应

0.1 1 1 101

0.1 1 1 101

lg

lg

图 8 频率特性曲线

零点

极点零点

极点

(二)位于 S平面原点处的一阶零、极点 的渐近线1

1

)(

j

1 、幅频特性:1

lg20j = 2

1

)(lg20

当 0.1 1 时, y=20dB当 = 1 时, y=0当 10 1 时, y=±20dB

2 、相频特性: ()= ±90°

-20dB/dec

20dB/dec

无误差 , 不需要修正

Page 22: 第五章  放大器的频率响应

波特图 画波特图的一般步骤: 1 、写出标准式:找常数项 2 、画出各个零、极点的渐近线 3 、合成波形例 1:

)10

j1)(10

j1)(10

j1(

10

764

5

jA

解: 1. A=105

20lgA=20lg105 =100dB

2. 存在三个极点 104 、 106 和 107 ,分别画出三个极点的渐近线3. 合成波形,进行斜率累加。

将零点与极点的影响累加起来,即可得到总的幅频特性 经过一个零点,斜率增加 20dB/ 十倍频 经过一个极点,斜率减小 20dB/ 十倍频

Page 23: 第五章  放大器的频率响应

20lg|A(j)|(dB)

lg 102 103 104 105 106 107 108

20406080

100 -20dB/dec

-40dB/dec

-60dB/dec

lg -450

-900

-1350

-1800

-2250

()

-2700

波特图

Page 24: 第五章  放大器的频率响应

例 2 :)10)(100)(20(

)10(102)( 4

6

jjjjjjA

解: 1. 标准式:

)10

1)(100

1)(20

1(

)10

1()(

4

jjj

jjjA

常数项: A=1 , 20lgA=0dB

2. 存在两个零点 0 、 10 和三个极点 20 、 100 和 104 , 分别画出零、极点的渐近线

3. 合成波形

波特图

Page 25: 第五章  放大器的频率响应

20lg|A(j)|(dB)

lg 1 10 102 103 104 105 106

20406080

100

20dB/dec

40dB/dec -20dB/dec20dB/dec0dB/dec

放大器的低频截频—由低频段最大的低频极点决定。 l=102

放大器的高频截频—由高频段最小的高频极点决定。 h=104

3dB

3dB 带宽 3dB= h- l≈ h

波特图M N

Page 26: 第五章  放大器的频率响应

--- 发射区体电阻 r’e

第二节 晶体三极管的高频运用

rb'e---发射结电阻

---发射结电容Ce

--- 集电结电阻rb’c

--- 集电结电容 Cc

rbb’ --- 基区的体电阻, b’ 是假想的基区内的一个点。

图 11 双极型三极管物理模型

一、混合型等效电路1 、晶体三极管高频物理模型

Page 27: 第五章  放大器的频率响应

• 根据物理模型可以画出混合 π 高频模型,如图 12 所示。

图 12 高频混合 π 模型电路

2 、 晶体三极管混合模型rb’c 可忽略

Page 28: 第五章  放大器的频率响应

图 13 简化混合 π 模型

•gm—— 为跨导反映输入电压对输出电流的控制, gm 与频率无关。

ebmbfe

ebbbie

VgIhrrh

'

''

T

EQ

efe

fe

beb

bfe

eb

bfe

UI

rrhh

IrIh

VIh

g

1)1( e

''m

Ce = hfe/(Trb’ e)-CC = (gm / T)-Cc

特征角频率 可从手册中查到

rb’e =(1+ hfe )re

• 混合 π 高频模型参数的确定:

Page 29: 第五章  放大器的频率响应

二、单向近似模型电路•设放大倍数 : K=U2/U1

)1(

)1()( 11

21

211

KZ

UZ

UUU

ZUUI

•同理求 Z2 :1

11 Z

UI K

ZZ

11

ZK

KZ12

Z1 Z2U1 U2

I1 I2

• 若 Z 为电容,则 CCK

KCCKC

1,)1( 21

•求 Z1 :ZI1 I2

U1 U2

(一)米勒原理 :

Page 30: 第五章  放大器的频率响应

(二)单向近似模型 :

CLm

Lm

Lm

LmCo

CLme

ei

Lmeb

ce

CRg

RgRg

RgCC

CRgCCCC

RgUUK

'1'

'1'

)'1(

'

1

'

图 14 高频单向模型电路

图 13 简化混合 π 模型将 Cc 的影响分解到输入、输出端。

CKC )1(1

Page 31: 第五章  放大器的频率响应

三、晶体三极管的高频截频: 根据电路连接组态的不同,管子的高频截频分为三种:

(一)共射截频 f :当 下降到 时对应的频率 , 0 为中频共射电流放大倍数。20

20(三)共基截频 f :当 下降到 时对应的频率 , 0 为中频共基电流放大倍数。

(二) 特征频率 f T : 当 | |=1 时对应的频率。

•三种截频的关系: f f T f

f T= 0 f

1

0

f f T f

图 15 三种截频的关系

Page 32: 第五章  放大器的频率响应

1 、求 :共射交流短路电流放大系数 β 。

ffj

CCrjrg

b

c

II

1

)(1

0

ceeb'

eb'm.

.

.

e b'

.

m

.

c

ee be b'

..

b )](+)/1[(

VgI

CCjrVI c

•由此可做出 β 的幅频特性和相频特性曲线,如图 16 所示。

图 13 简化混合 π 模型

ebmrg '0

)(21

ceeb' CCrf

0 为中频共射电流放大倍数。

Page 33: 第五章  放大器的频率响应

图 16 三极管 β 的幅频特性和相频特性曲线

当 20lg|β| 下降 3dB 时 , 频率 f称为共发射极接法的截止频率当 |β=1| 时对应的频率称为特征频率 fT ,且有 fT≈β0f

当 f = fT 时 , 有:

因 fT>> f , 所以 ,

fT ≈β0 f

2 、 特征频率 fT 可由下式推出:

1)(1

)(2

0

..

ff

fT

T

•即 fT 为幅频特性交于横轴时所对应的频率。

Page 34: 第五章  放大器的频率响应

第三节、放大器的频响分析 一、共射放大电路的高频响应

图 17 CE接法基本放大电路US

U0

图 18 高频段微变等效电路

US

U0Ui Ub’e

gmUb’e

Page 35: 第五章  放大器的频率响应

图 18 高频段微变等效电路

US

U0Ui Ub’e

gmUb’e

步骤:1、中频电压增益: (根据第二章的结论 )

LcLies

Lfe

ie

Lfe

ies

ie

s

oUS RRR

hRRh

hRh

hRh

UUA //',

''

ebbbss

sebbbs

ebs

rrRR

UrrR

rU

''

''

'

//)('

'

2 、求极点:利用戴维南定理,将下图化简 :

,'1

1is

h CR )'1( LmCei RgCCC

,'1

2oL

h CR

CLm

Lmo C

RgRgC

''1

3 、写出高频增益函数 :)1)(1(

)(

21 hh

USUS

jj

AjA

Page 36: 第五章  放大器的频率响应

图 19 共源放大器

步骤:1、中频电压增益:

LdD

dmGg

GUS

RRR

RgRR

RA

//'

),'(

二、共源放大电路的高频响应

Page 37: 第五章  放大器的频率响应

图 20 高频段微变等效电路

2 、求极点: ,)//(

11

iGgh CRR )'1( Lmgdgsi RgCCC

,)////(

12

oLDdsh CRRr

gdLm

Lmdso C

RgRgCC

''1

3 、写出高频增益函数 :)1)(1(

)(

21 hh

USUS

jj

AjA

Page 38: 第五章  放大器的频率响应

只有 n 个高频极点,高频截频可近似为最小的高频极点。也可用公式计算:

零点和极点的个数相同,低频截频可近似为最大的低频极点。也可用近似公式计算:

高频增益函数

)ωωj(1)

ωωj)(1

ωωj(1

AωjA

hnh2h1

低频增益函数

)p(j)p)(jp(j)A(jωjA

21 n

n

222

21 nPPP

l

2hn

2h2

2h1

hω1/ω1/ω1/

Page 39: 第五章  放大器的频率响应

高低频增益函数

)p(j)p)(jp(j)(j)(j)(jA

ωjA21

21

n

mzzz

零点的个数比极点的个数少即 m<n

)10)(j100)(j20(j

)10(j)(j10ωjA 3

5

例:该增益函数有两个零点和三个极点,因此是高低频增益函数中频电压增益为: 105/103=100 即 40dB低频截频 : 100/2πf l 高频截频 : π/210f 3

h

Page 40: 第五章  放大器的频率响应

1. 放大电路的耦合电容是引起低频响应的主要原因;2. 三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因;3.衡量放大电路性能的一项重要指标——增益带宽积。4.CB组态放大电路由于输入电容小,所以 CB组态放大电路的上限截止频率比 CE组态要高许多( f f T f )。

几点结论

Page 41: 第五章  放大器的频率响应

第四节、 放大器展宽带宽的方法主要有以下三种方法:

1 、补偿电路法2 、负反馈法3 、组合电路法

一、补偿电路法:提升高频截频

CjRZ

hZRh

Aie

CfeU

1//,

高频时, Z , AU ,使 fH提高,频带适当展宽。

Page 42: 第五章  放大器的频率响应

二、负反馈法 放大电路加入负反馈后,增益下降,但通频带却加宽了,如图 21 所示。

20lg A

020406080

/dB

10 10 10 10 10 10 101 2 3 4 5 6 7 f /Hz

图 21 负反馈对通频带的影响• 通频带 BW= f H- fL

Page 43: 第五章  放大器的频率响应

H

j1)j(

A

A

)j1/(1

)j1/(

)j(1)j()j(

H

Hf

BA

A

BAAA ω

fH

f

H j1)1(j1)1/(

ωω

ABAω/ω

BAA

•有反馈时:Af=A/(1+AB) ; f hf = f h(1+AB) ,BWf f hf = (1+AB)BW

•开环增益:

•闭环增益:

有反馈时的放大电路高频段的增益为:

使带宽增加

Page 44: 第五章  放大器的频率响应

三、 组合电路法:改变时间常数•以单级共射级为例:

)1)(1()(

21 hh

VSVS

jj

AjA

,'1

1is

h CR )//('),'1( '' SbbebSLmCei RrrRRgCCC

,'1

2oL

h CR

LCLCLm

Lmo RRRC

RgRgC //',

''1

分析: RS RS’ h1

RL C i h1

RL’ h2

•减小 RS 可提升 h1 故在输入插入低输出的共 c ,即共 C—共 e组合。

•减小 RL 可提升 h2 、 h1故可在输出插入低输入的共 b ,即共 e—共 b组合。

Page 45: 第五章  放大器的频率响应

第五节 多级放大器的闭环稳定性

一、多极点闭环系统的自激现象 (一)什么是自激?

当 Ui=0 时, Uo0

•负反馈可以改善放大电路的性能指标,但负反馈引入不当,会引起放大电路的自激。•为使放大电路正常工作,必须研究放大电路产生自激的原因和消除自激的有效方法。

(二)产生自激的原因 :•在中频:共射放大电路有 180 的相移。•在其它频段:电路中出现附加相移,且达到 180 ,使总的

相移为 360 ,负反馈变为正反馈,产生自激。

Page 46: 第五章  放大器的频率响应

(三)自激的条件

根据反馈的基本方程,可知当 时,增益无穷大,也就是不需要输入放大电路就有输出,放大电路产生了自激。

1 AB. .= 0

又可写为 幅度条件 1||

..BA

相位条件 AB =

A+B= (2n+1)

n=0,1,2,3…

将1 A B. .=0 改写为 1BA

BAAA

1

=f闭环增益:

Page 47: 第五章  放大器的频率响应

分析: 加入负反馈后,增益降低,频带展宽,设反馈系数 F1

=10-4 ,闭环波特图与开环的波特图交 P 点,对应的附加相移 A=- 90

,不满足相位条件,不自激。

Page 48: 第五章  放大器的频率响应

进一步加大负反馈量,设反馈系数 F2=10-3 ,闭环波特图与开环的波特图交 P' 点,对应的附加相移 A= - 135

,不满足相位条件,不自激。

此时 A虽不是- 180 ,但反馈信号的矢量方向已经基本与输入信号相同,已进入正反馈的范畴,因此当信号频率接近 106Hz

时,即 P‘ 点时,增益就有所提高。

Page 49: 第五章  放大器的频率响应

再进一步加大反馈量,设反馈系数 F3=10-2 ,闭环波特图与开环的波特图交 P" 点,对应的附加相移 A= - 180 。当放大电路的工作频率提高到对应 P" 点处的频率时,满足自激的相位条件。

此时放大电路有 40 dB 的 增 益,AB=100×10-2=1 ,正好满足放大电路自激的幅度条件,放大电路产生自激。

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(一)由环路增益判别 :

20lgAB=20lgA+20lgB=20lgA - 20lg1/B对于幅度条件 AB=1

20lgAB=20lgA - 20lg1/B=0dB 在以 20lg|A| 为 Y 坐标的波特图上减去 20lg1/B ,即可得

到环路增益 20lgAB 的波特图了。如图 22 所示。

由于负反馈的自激条件是 ,所以将以 20lg|A| 为 Y坐标的波特图改变为以 20lg|AB| 为 Y 坐标的波特图,用于分析放大电路的自激更为方便。由于

1..

BA

二、闭环稳定性的判别 :

Page 51: 第五章  放大器的频率响应

•根据以上讨论,可将环路增益波特图分为三种情况,

(a) 稳定 :fc>f0 ,Gm<0dB (b)自激 : fc<f0 ,Gm>0dB (c)临界状态 : fc=f0, Gm=0dB

f 0 — 增益交界频率:满足幅值条件 AB=1=0dB 时的频率f c — 相位交界频率 :满足相位条件 =±180 时的频率幅度裕量:

相位裕量: Cffm ABG

lg20

)(180 0fm

图 22 由环路增益判别自激

说明幅值条件满足时相位条件不满足说明幅值条件满足时相位条件早已满足说明幅值条件满足时相位条件同时满足

Page 52: 第五章  放大器的频率响应

•判断自激的条件归纳如下:

fc>f0 ,Gm<0dB 。从 A=- 180 出发,得到的 Gm<0dB ,即 AB<1 ,不满足幅度条件。fc<f0 ,Gm>0dB 。从 A=- 180 出发,得到的 Gm>0dB ,即 AB>1 ,满足幅度条件。fc=f0 ,Gm=0dB 。从 A=- 180 出发,得到的 Gm=0dB ,即 AB=1 。

稳定状态:

自激状态:

临界状态:( 动画10-2)

20lg AF /dB

0 f /Hzf0

fcfc f0>

Gm

20lg AF /dB

0 f /Hzf0fcfc f0<

Gm

fc

20lg AF /dB

0 f /Hzf0

fc

f0=

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)10

fj)(110

fj)(110

fj(1

10)(A

654

4

U

f

试分析放大电路的闭环稳定性?解: 1. 先作出幅频特性曲线和相频特性曲线, 中频电压增益 AU=104 即 80dB.

有三个高频极点 fp1=104 、 fp2=105 、 fp3=106

由开环增益判别 稳定性判别例:有一负反馈放大电路的频率特性表达式如下

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20lg|A(j)|(dB)

lgf102 103 104 105 106 107 108

20406080

100 -20dB/dec

-40dB/dec

-60dB/dec

fp1

fp2

fp3

-450

-1350

-2250

-1800 临界增益曲线fc

2. 由 =-1800作出临界特性曲线 引入负反馈后,闭环增益 Auf 将下降,当 Auf 下降到临界增益曲线 40dB 以下时,就可能产生自激振荡。3. 检验幅度条件是否满足,并求最大反馈系数 深度反馈情况下, AUf=1/B

为保证系统稳定,临界的反馈系数 Bmax=1/100=0.01

20lgAB=20lgA - 20lg1/B=40-40=0dB

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20lg|A(j)|(dB)

lgf102 103 104 105 106 107 108

20406080

100 fp1

fp2

fp3

-450

-1350

-2250

-1800 临界增益曲线fc

如引入反馈后,使闭环增益下降到 60dB ,系统稳定。 幅度裕度 Gm=20dB 相位裕度 m=450

工程设计中,应留有余量。一般 Gm>10dB m450

Page 56: 第五章  放大器的频率响应

小 结 放大器的增益与频率有关,称幅频特性;放大器的相移也与频率有关,称相频特性,两者统称为频率响应。高频响应—由晶体管的结电容引起的。低频响应—由电路中耦合电容和旁路电容引起的 分析放大器的高频响应借助于晶体管的高频模型即混合

模型,具体分析步骤:1. 画出放大器的交流通路;2. 用混合模型代替晶体管画出放大器的高频等效电路3. 求出中频增益4. 根据高频等效电路确定高频极点。5.写出高频传输函数,确定高频截频及带宽

Page 57: 第五章  放大器的频率响应

小 结 扩展放大器的带宽方法有三种:补偿电路法、负反馈法、组合电路法。掌握展宽带宽的原理 多极点闭环系统引入负反馈时,应严格分析是否会出现自激振荡现象。可由环路增益进行判别,也可通过开环增益的波特图进行判别。产生自激振荡的条件:

幅度条件: 1|AB|

相位条件: 0180arg jBjA

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重点:频响的分析方法(主要是高频截频的分析 方法)。难点: 1.波特图的绘制; 2. 多级负反馈放大器的闭环稳定性分析;

重点难点