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放大器带宽

时间:2023-05-12 17:56:25 作者:博纳德 点击:

一、控制带宽

理想情况下,任何放大器都应具有适合其要放大的频率范围的带宽,带宽太窄会导致某些信号频率丢失,带宽太宽会引入不需要的信号,在这种情况下例如音频放大器,这些将包括低频嗡嗡声和可能的机械噪音,以及高频,可听到的嘶嘶声。

二、普通发射极放大器中的交流组件

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图 1

图 1 中所示的 A 类共发射极放大器电路具有(放大器增益和dB)中讨论的直流偏置组件和添加的交流组件(电容器 C1 至 C4),这些组件对于使用交流信号以及实现对增益的控制是必需的和带宽。

信号从输入传输到输出时,必须通过输入和输出耦合电容器 C1 和 C2。这些电容器的主要功能是为前后电路中的电压提供直流隔离。然而,由于电容器的作用与频率相关,因此它们也会对放大器的带宽产生影响。

C1 与 R1、R2 和晶体管的输入电阻一起构成高通滤波器,而 C1 通常具有相当大的电容值,使滤波器的转角频率非常低。然而,在低于该点的频率下,放大器增益将降低。

C2 将以类似的方式作用于任何后续电路的输入阻抗,也会导致低频增益下降。

三、发射极去耦

连接在发射极稳定电阻器 R 4两端的发射极去耦电容器 C3 旨在防止任何交流信号出现在发射极上,否则它会作为负反馈,严重降低放大器的增益。C3 的相对较大的值几乎完全消除了发射器的任何交流电,但它在最低频率时会有一些电抗,因此允许一些非常低频的信号出现在发射器上,(假设这些频率没有被消除) C1 和 C2 的作用,如上所述),虽然 C3 有助于在大部分带宽上获得更高的增益,但在极低频率下的增益可能不会得到改善。

因此,选择 C 1、C 2和 C 3的值以在带宽的低频端提供所需的增益衰减。

四、高频效应

在高频下,由于电路布线和元件内存在少量感抗(随频率增加),放大器增益往往会在一定程度上降低,但主要是杂散电容。这些不一定是可识别的电容器组件,但可能是电路布线和组件本身内不可避免的电容效应。

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图 2

CMOS 和双极晶体管都在其结点处具有电容。如图 2 所示, 由于基极两侧的(绝缘)耗尽层,双极晶体管的基极 - 集电极和基极 - 发射极结实际上形成非常小的电容器。在非常高的频率下,通常在数百 MHz,这些微小的“电容器”将通过在集电极和基极之间馈送反相信号以及在基极 - 发射极结之间馈送同相信号来形成负反馈路径。

因此,每个晶体管对其高频电流增益都有一个限制,这通常在晶体管数据表中列为截止频率 f T。这是小信号电流增益 h fe降至 1 时的频率。当增益在达到 f T之前开始以每倍频程 6 dB(频率加倍)下降时,晶体管需要在相当低的频率下工作比 f T。由于晶体管中频率和增益之间的关系,f T通常也被列为“增益带宽积”。

紧密排列的布线和元件之间的杂散电容也会降低高频增益,并引起其他问题,例如不稳定和振荡,因此放大器的实际操作上限受多种原因的影响。然而,在许多实际的放大器电路中,这些极高的频率限制是不会被接近的;设计一个在高于所需最高信号频率的频率下具有可观增益的放大器是没有意义的。这样做意味着在该区域放大器将主要放大高频噪声(例如音频放大器中的嘶嘶声。

五、音频谐波

但是限制高频在20kHz左右(人的听觉理论极限)是假设要放大的信号是纯正弦波;在实践中,需要在足够宽的带宽来处理所有需要的信号和足够低的高频限制以限制不需要的噪声之间进行权衡。

大多数音频信号都是复杂的波形,具有许多不同且不断变化的形状。音频信号是复杂的交流波,其基频范围为 20Hz 至 20kHz,但也包含许多更高频率的谐波。为了保持信号的原始形状(即不引入失真),重要的是至少要保留这些谐波中的一些。因此,不建议在任意 20kHz 处急剧切断高频,而是允许对明显听不见的谐波频率进行一定程度的放大,这将导致可听波的形状复杂,尤其是在这些信号包含突然变化(快速瞬态),需要高频成分的存在来维持其波形。

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图 3

有几种方法可以确保高频截止发生在适当的频率,从而降低噪声和不稳定性,同时保留音频放大器中的重要谐波。在多级放大器中,一种这样的方法是在其中一个放大器级中使用低通滤波器。例如,在图1中,C4 与 R3 一起有效地充当低通滤波器(请记住,就交流信号而言,连接到正电源 (+Vcc) 的 R3 的顶端是与地面相同的点)防止不需要的高频放大。其作用是限制高频增益,如图3所示。

六、调谐射频放大器

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图 4

在设计用于放大射频 (RF) 信号的电路中,负载电阻由LC 并联谐振电路(图 4)或某种形式的陶瓷或晶体滤波器代替。这些滤波器的设计或 L 和 C 的值使得负载电路产生共振,并在放大频带的中心有效地变成高电阻。这可以给出一个频率响应曲线,该曲线在称为通带的窄带频率上尖锐地达到峰值,高于和低于该频带的频率被拒绝。

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图 5

在现代设计中,陶瓷滤波器和表面声波(SAW) 滤波器的使用允许设计具有相当复杂的频率响应曲线(图 5),而无需(与 LC 电路一样)需要手动调整。它们通常用于手机等系统,也用于模拟电视接收器,其中不同频率的声音和视觉信号在同一放大器中被放大不同的量。放大器响应还设计为在特定频率下具有低增益,以抑制相邻信道上其他传输的信号。