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频率特性
频率特性的基本概念和分析方法
在设计模拟集成电路时,所要处理的信号是在某一段频率内的,即是所谓的带宽。
对于放大电路而言,一般都存在电抗元件,由于它们在各种频率下的电抗值不同,因而使放大器对不同频率信号的放大效果不完全一致,信号在放大过程中会产生失真,所以要考虑放大器的频率特性。
频率特性是指放大器对不同频率的正弦信号的稳态响应特性。
基本概念
1、频率特性和通频带
放大器的频率特性定义为电路的电压增益与频率间的关系:

式中AV(f)反映的是电压增益的模与频率之间的关系,称之为幅频特性;而则为放大器输出电压与输入电压间的相位差
与频率的关系,称为相频特性。
所以放大器的频率特性由幅频特性与相频特性来表述。
低频区:在这一频率范围内,MOS管的电容可视为开路,此时放大器的电压增益为最大。当频率高于该频率时,放大器的电压增益将会下降。
上限频率:当频率增大使电压增益下降到低频区电压增益的1/ 时的频率。
高频区:频率高于中频区的上限频率的区域。
基本概念
2 幅度失真与相位失真
因为放大器的输入信号包含有丰富的频率成分,若放大器的频带不够宽,则不同的信号频率的增益不同,因而产生失真,称之为频率失真。
频率失真反映在两个方面:
幅度失真:信号的幅度产生的失真
相位失真:不同频率产生了不同的相移,引起输出波形的失真。
由于线性电抗元件引起的频率失真又称为线性失真。
而由于非线性元件(三极管等)的特性曲线的非线性所引起,称为非线性失真。
基本概念
3 用分贝表示放大倍数
增益一般以分贝表示时,可以有两种形式,即:
功率放大倍数:

电压放大倍数:
基本概念
4 对数频率特性
频率采用对数分度,而幅值(以分贝表示的电压增益)或相角采用线性分度来表示放大器的频率特性,这种以对数频率特性表示的两条频率特性曲线,就称为对数频率特性,也称为波特图。
对数频率特性一般是用折线近似表示的。
研究方法
对频率特性的研究一般是基于网络系统的传输函数的零极点的研究。
由信号与系统的理论可知传输函数的零点决定了系统的稳定程度,而传输函数的极点所对应的就是系统的转折频率。
因此频率特性的研究主要是通过等效电路推导出电路的传输函数,进而求出零、极点以确定电路的频率特性。
研究方法
考虑如图所示的简单级联放大电路,A1与A2是理想电压放大器,R1与R2为每一级的输出电阻模型,代表每一级输入电容,CL代表负载电容。
研究方法
总的传输函数为:

该电路有三个极点,每一个极点是由从该节点看进去的总的到地的电容与总的到地的电阻的乘积。
因此,电路的极点一一对应于电路的节点,即ωj=τj-1,其中τj是从节点j看进去的电容与电阻的乘积。因此可以认为电路的每一个节点提供给传输函数的一个极点。
研究方法
以上的方法的实际应用比较困难,例如在如图所示的电路中,极点的位置很难计算,因为R3与C3在X与Y相互交接。
然而在许多单极点电路
中每一个节点提供一个
直观的方法估算传输函
数:把总的等效电容与
总的累加电阻相乘(有效
的节点到地),因此得到
等效时间常数和一个极点频率。