细说频率响应

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       放大器或滤波器的频率响应显示了输出增益如何响应不同频率下的输入信号。放大器和滤波器是被广泛使用的电子电路,具有放大和滤波的特性,因此也被称为电子电路。

 

       放大器产生增益,而滤波器则根据其频率改变电信号的幅度和/或相位特性。由于这些放大器和滤波器在其设计中使用电阻器,电感器或电容器网络(RLC),因此在这些电抗组件的使用与电路频率响应特性之间存在重要的关系。

 

       在处理交流电路时,假定它们以固定频率运行,例如50 Hz或60 Hz。但是,线性AC电路的响应也可以用恒定幅度但频率变化的AC或正弦输入信号来检查,例如在放大器和滤波器电路中发现的频率。然后,这允许使用频率响应分析来研究此类电路。

 

       电路或电子电路的频率响应使我们可以准确地看到输出增益(称为幅度响应)和相位(称为相位响应)在特定的单个频率或整个不同频率范围内如何变化。 0Hz(dc)至数千兆赫兹(MHz),具体取决于电路的设计特性。

 

       通常,通过绘制电路或系统的增益(即其输出信号相对于其输入信号输出/输入的大小)对电路或系统的频率响应分析,将其与预期在电路或系统上工作的频率范围进行比较。然后,通过了解电路在每个频率点的增益(或损耗),可以帮助我们了解电路在区分不同频率的信号方面有多好(或多差)。

 

       给定频率相关电路的频率响应可以显示为幅度(增益)相对于频率(ƒ)的图形草图。水平频率轴通常以对数标度绘制,而代表电压输出或增益的垂直轴通常以十进制除以线性标度绘制。由于系统增益既可以是正值也可以是负值,因此y轴可以同时具有正值和负值。

 

       在电子产品中,对数(简称对数)定义为必须增加基数才能获得该数字的幂。然后在一个Bode曲线,对数x轴刻度在毕业日志10个分割,所以频率的每十年(例如,0.01,0.1,1,10,100,1000,等)等间隔向x轴。与对数相反的是对数或“对数”。

 

       频率响应曲线的图形表示称为Bode图,因此通常将Bode图称为半对数图,因为一个标度(x轴)是对数的,而另一个标度(y轴)是线性的(log-lin图) ) 如图所示。

 

       频率响应曲线

 

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       然后我们可以看到,任何给定电路的频率响应都是其行为随输入信号频率变化的变化,因为它显示了在其上输出(和增益)保持相当恒定的频率范围。频率之间任一或大或小的范围ƒ 大号和ƒ ħ被称为电路的带宽。因此,我们可以一眼确定给定频率范围内任何正弦输入的电压增益(以dB为单位)。

 

       如上所述,波特图是频率响应的对数表示。如上所示,大多数现代音频放大器在20 Hz至20 kHz的整个音频范围内具有平坦的频率响应。对于音频放大器,此频率范围称为其带宽(BW),主要由电路的频率响应确定。

 

       频点ƒ 大号和ƒ ħ涉及的下角或截止频率和上角或截止频率点分别进行电路增益在高频和低频脱落。频率响应曲线上的这些点通常称为-3dB(分贝)点。因此,带宽简单地表示为:

 

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       分贝,(分贝),其是1/10 第一个BEL(B)的,是一种常见的非线性单元,用于测量增益并且被定义为20log 10(A) ,其中阿是小数增益,被绘制在y -轴。零分贝(0dB)对应于单位幅度的函数,给出最大输出。换句话说,当Vout = Vin时出现0dB,因为在该频率水平上没有衰减,并给出为:

 

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       从上面的波德图可以看出,在两个拐角或截止频率点处,输出从0dB下降至-3dB,并继续以固定速率下降。增益的下降或降低通常被称为频率响应曲线的滚降区域。在所有基本的单阶放大器和滤波器电路中,此衰减率定义为20dB /十倍频程,等效于6dB /倍频程。这些值乘以电路的阶数。

 

       这些-3dB转折频率点定义了将输出增益降低至最大值的70.71%的频率。然后我们可以正确地说,-3dB点也是系统增益减小到最大值的0.707的频率。

 

       频率响应-3dB点

 

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       -3dB点也称为半功率点,因为在此转折频率处的输出功率将是其最大0dB值的一半,如图所示。

 

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       因此,输送到负载的输出功率量在截止频率处有效地“减半”,因此,频率响应曲线的带宽(BW)也可以定义为这两个半功率点之间的频率范围。

 

       虽然电压增益,我们使用20log 10(AV)和电流增益20log 10(AI) ,功率增益,我们使用10log 10(AP) 。注意,乘数20并不意味着它是功率比的单位,而不是实际功率水平的度量,即分贝的10倍。同样,以dB为单位的增益可以为正或负,其中正值表示增益,而负值表示衰减。

 

       然后,我们可以在下表中介绍电压,电流和功率增益之间的关系。

 

       分贝增益等效

 

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       运算放大器的开环电压增益(  A VO  )可能超过1,000,000或100dB。

 

       分贝示例1

 

       如果在施加12mV信号时电子系统产生24mV输出电压,请计算系统输出电压的分贝值。

 

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       分贝示例2

 

       如果音频放大器的输出功率在信号频率为1kHz时为10W,而在信号频率为10kHz时为1W。计算功率的dB变化。

 

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       频率响应摘要

 

       在本文中,我们已经看到了电子电路工作的频率范围是如何由其频率响应确定的。器件或电路的频率响应通过显示其增益或允许通过的信号量随频率变化的方式来描述其在指定信号频率范围内的操作。

 

       波特图是电路频率响应特性的图形表示,因此可用于解决设计问题。通常,电路的增益幅度和相位函数在x轴上使用对数频率标度显示在单独的图形上。

 

       带宽是电路在其最高和较低截止频率点之间工作的频率范围。这些截止或转折频率点表示与输出相关的功率降至其最大值一半的频率。这些半功率点对应于相对于其最大dB值的3dB(0.7071)的增益下降。

 

       大多数放大器和滤波器具有平坦的频率响应特性,其中电路的带宽或通带部分在很宽的频率范围内是平坦且恒定的。谐振电路设计为通过一定范围的频率,并阻止其他频率。他们正在使用电阻器,电感器和电容器,其电抗随着频率而变化构成,它们的频率响应曲线可以看起来像的急剧上升或点作为它们的带宽是由共振的影响依赖于Q的电路,作为一个高Q提供较窄的带宽。

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放大器或滤波器的频率响应显示了输出增益如何响应不同频率下的输入信号。放大器和滤波器是被广泛使用的电子电路,具有放大和滤波的特性,因此也被称为电子电路。放大器产生增益,而滤波器则根据其频率改变电信号的幅度和/或相位特性。由于这些放大器和滤波器在其设计中使用电阻器,电感器或电容器网络(RLC),因此在这些电抗组件的使用与电路频率响应特性之间存在重要的关系。