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假面骑士鸡翅 Lv4

晶体管放大电路的频率响应

容抗和感抗

在电路中学过电容的容抗和电感的感抗,回顾表达式:

它们不消耗功率,在电路中同电阻一样,起到了阻碍电流的作用。低频段,电容容抗大,电感感抗小。

在实际中,任何一个实体元件都存在寄生杂散(杂散电容或者杂散电感),它们在信号频率很高时呈现出来,是由于器件本身固有形状、尺寸、介质等产生的。

任何一根导线,都存在电感,任何两个导体之间都存在电容。因此,寄生电感串联于宿主,寄生电容并联于宿主。

对于晶体管来说,三个管脚之间存在寄生电容,晶体管PN结也存在寄生电容,一般情况下,外部寄生电容远小于内部寄生电容。

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在频率较低时,一般不会影响放大电路性能。但在频率较高时,对放大电路影响明显。

放大电路的频率响应

放大电路对不同频率的交流输入信号表现出不同的性能:1.幅频特性 2.相频特性

频率特性图

幅频特性与相频特性

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中频区:不考虑电容、电感存在时的,增益相对较为平坦的频率范围,增益用Am表示。(低频段、高频段都不是一个确定的范围,都只是相对而言)

上限截止频率fH:从中频区开始向右,增益随着频率上升下降到中频区Am的0.707倍时,此时的频率用fH表示。

下限截止频率fL:从中频区开始向左,增益随着频率上升下降到中频区Am的0.707倍时,此时的频率用fL表示。

用dB表示时,截止频率在Am下降3dB处:
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阻容基本单元的频率响应

低通基本单元

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输入输出关系如下:

其中增益是一个复数,其中时增益的模,是幅角,表示输入输出相位差。

,为特征角频率,则有:

仿真曲线如下:

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根据上述定义我们可以知道,当时,衰减0.707,所以就是上限截止频率。

高通基本单元

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同理我们分析可得:

就是下限截止频率

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两极判断法

第一极:0Hz时,求此时电路增益用A0表示。
第二极:频率为∞时,求解此时电路增益用A

判断规则:

  1. 如果A0为有限值,A为0,则一定是一个低通滤波器

  2. 如果A为有限值,A0为0,则一定是高通滤波器

  3. 除此之外什么都不是,既不是低通也不是高通

低通变形

第一种:
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这种电路可以把两个电阻串联起来,就与低通基本单元一样,因为决定上限截止频率是表达式的分子和分母的结构,这两种电路的分母分子结构一样。截止频率不变。

第二种:
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分析类似第一种,增益模值不同,但是上线截止频率相等。

结论: 在一个电压源阻容串联回路中,如果从任何一个电容两端电压为输出,他一定是一个低通电路,上限截止频率为1/2πRC,R为串联电阻之和,C为电路中电容串联。

第三种:
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可以利用戴维宁定理或者电路分析里面电流源等效电压源转换成上述电路。

高通变形

与低通分析类似,略。

基本单元串联

将多个低通模块串联,最终仍是低通效果。将多个高通模块串联,最终仍是高通效果。中频段增益

截止频率就复杂一点,简化处理:

  • 低通串联中

  • 高通串联中

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    细致分析:


    串联级数 K最小值 K最大值
    2 1 1.099
    3 1 1.133
    4 1 1.148
    5 1 1.159
  • 低通串高通
    fH>fL,最后表现为一个带通环节。

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晶体管放大电路非杂散频率响应

看回最简单的NPN单管共射极放大电路

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图中这三个电容会影响放大电路频率响应,C1和C2作用是阻低频通高频,这是下限截止频率fL,CL通高频导致输出端高频信号减小,这是上限截止频率fH

这是非杂散电容对电路的影响,我们还没有考虑晶体管内部和管脚上的杂散电容,在晶体管高频等效模型中,存在3个结电容,会降低放大电路增益。再加上考虑到管脚上的寄生电容,信号频率升高增益会成倍数降低。这里暂时先不考虑。

下限截止频率

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可以看出等效电路分成三个模块,三个模块级联关系如下图:

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其中

因此,求解电路整体的下限截止频率,需要知道每个模块的下限截止频率,这样就可以利用上面的结论。

单独分析每个模块

  • 模块1:

    这个电路是基本高通单元的变形,可以写出表达式

  • 模块2:
    就是一个电流放大器,它不受频率影响,因此下限截止频率为0。

  • 模块3:
    使用电压源串联电阻代替电流源并联电阻(戴维宁等效),上面的高通电路变形。

上限截止频率

分析上限截止频率时,C1和C2看做短路,电路如图所示。

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类比低通电路变体,可得:

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