第三章 放大電路的頻率響應(yīng)

1、3.1 頻率響應(yīng)的一般概念3.2 三極管的頻率參數(shù)3.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 3.4 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng) 3.13.1問題提出： Au=Uo/Ui 當(dāng)Ui 一定，f變化引起Uo變化，即放大變化，因此Au與f有關(guān).頻率響應(yīng)(頻率特性)： 放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系。其中， ：幅頻響應(yīng)；)( |fAU ：相頻響應(yīng)。)( f3.1.1 3.1.1 幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性)(| )(|)(ffAfAUU放大電路的頻率特性包括兩部分：幅度頻率特性和相位頻率特性描繪輸入信號(hào)幅度固定，輸出信號(hào)的幅度隨頻率變化而變化的規(guī)律。描繪輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間相位差隨頻率變化而變化的規(guī)律

2、幅頻特性偏離中頻值的現(xiàn)象稱為幅度頻率失真；相頻特性偏離中頻值的現(xiàn)象稱為相位頻率失真。因放大電路對(duì)不同頻率成分信號(hào)的增益不同,從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為幅度頻率失真，簡稱幅頻失真。因放大電路對(duì)不同頻率成分信號(hào)的相移不同,從而使輸出波形產(chǎn)生失真，稱為相位頻率失真，簡稱相頻失真。幅頻失真和相頻失真是線性失真。2.三極管的()是頻率的函數(shù)。 在研究頻率特性時(shí)，三極管的低頻小信號(hào)模型不再適用，而要采用高頻小信號(hào)模型。電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因素，研究頻響實(shí)際上是研究電抗元件對(duì)放大器放大倍數(shù)的影響。當(dāng)f低時(shí)，主要是耦合電容、旁路電容起作用.當(dāng)f高時(shí)，主要是PN結(jié)電容起作用。產(chǎn)生頻率失真的原因

3、是:1.放大電路中存在電抗性元件。 例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、PN結(jié)電容、分布電感等;3.1.2 3.1.2 上限頻率、上限頻率和通頻帶上限頻率、上限頻率和通頻帶fAAm0.7AmfL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：fbw=fHfL放大倍數(shù)隨頻率變化曲線-幅頻特性曲線帶寬BW對(duì)共射放大電路，在中頻段，相角大致等于-1800,而當(dāng)頻率降低或升高時(shí)，電壓放大倍都將減少，同時(shí)產(chǎn)生超前或滯后的附加相位移。隔直耦合電容等影響極間電容等影響3.1.3 3.1.3 頻率失真頻率失真輸入信號(hào)包含多次諧波時(shí)，經(jīng)過放大以后，由于放大器對(duì)不同頻率成分放大倍數(shù)不一致，輸出波形將產(chǎn)生頻率失真。3.1

4、.4 3.1.4 波特圖波特圖在實(shí)際工和中，常用對(duì)數(shù)頻度特性，又稱為波特圖。因多級(jí)放大器總放大倍數(shù)是各級(jí)放大倍數(shù)乘積，縱坐標(biāo)(放大倍數(shù))取對(duì)數(shù)，故對(duì)數(shù)幅頻特性只需將各級(jí)對(duì)數(shù)增益相加即可；多級(jí)放大器總相移等于各級(jí)相移之和，縱坐標(biāo)(相角)不再取對(duì)數(shù)。以最簡單的RC高通和低通為例，說明波特圖的畫法。1. RC高通電路的波特圖電壓放大倍數(shù)：) 3 . 1 . 3(1111RCjCjRRUUAiou解得：)4 . 1 . 3(2121RCfLL時(shí)間常數(shù)：RCL)5 . 1 . 3(11111ffjjALLu式(3.1.5)可分別用模和相角表示如下：)6 . 1 . 3()(11|2ffALu)7 . 1

5、 . 3()arctan(ffL為了畫對(duì)數(shù)幅頻特性，對(duì)式(3.1.6)取對(duì)數(shù)得：)8 . 1 . 3()(1lg20|lg202ffALudB0|A|20lgffuL)ff20lg()ff-20lg(|A|20lgffLLuLdB32-20lg|A|20lgffuL折線近似法：ffL，用零分貝即橫坐標(biāo)表示；f10fL， 00 ；f0.1fL， 900 ；0.1fLf10fL， 450。根據(jù)式(3.1.7)可畫出如圖實(shí)線。兩畫法的最大誤差為5.710，發(fā)生在f=0.1fL和f=10fL處。對(duì)數(shù)相頻特性高通電路結(jié)論：高通電路結(jié)論：當(dāng)ffL時(shí)，|Au|1，通！當(dāng)ffL時(shí)，頻度越低，|Au|值越小，不

6、通！fL稱為高通電路的下限(-3dB)頻率。在低頻段，高通電路還將產(chǎn)生一個(gè)0900的超前相位移。解得：)10. 1 . 3(2121RCfHH時(shí)間常數(shù)：RCL)11. 1 . 3(1111HHuffjjA2. RC低通電路的波特圖RC+-io.VV電壓放大倍數(shù)：)9 . 1 . 3(1111RCjCjRCjUUAiou為了畫對(duì)數(shù)幅頻特性，對(duì)式(3.1.12)取對(duì)數(shù)得：)14. 1 . 3()(1lg20|lg202HuffAdB0|A|20lgffuH)ff-20lg(|A|20lgffHuHdB32-20lg|A|20lgffuH式(3.1.11)可分別用模和相角表示如下：)12. 1 .

7、3()(11|2HuffA)14. 1 . 3()arctan(Hff折線近似法：FfH，用斜率為-20dB每十倍頻直線表示。根據(jù)式(3.1.14)可畫出如圖實(shí)線。兩畫法的最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fH處。對(duì)數(shù)幅頻特性折線近似法：F10fH，-900；01.fHffT時(shí)， 值將小于1,表示此時(shí)三極管已失去和大作用,所以不允許三極管工作在如此高的頻度范圍.|將f=fT和 代入式(3.2.2)，則得：|20)(11ffTffT0通常1ffT3.2.3 3.2.3 共基截止頻率共基截止頻率)6 . 2 . 3(10ffj當(dāng) 時(shí)的頻率稱為三極管的共基截止頻率,用f表示。0707. 0|)7 . 2

8、. 3(1)8 . 2 . 3()1 (11/11/100000ffjfjffjf將式(3.2.1)代入上式得：)9 . 2 . 3(1000a)10. 2 . 3()1 (0ffafffT比較式(3.2.8)和(3.2.6)可得：三極管三個(gè)頻率關(guān)系：3.1 頻率響應(yīng)的一般概念3.2 三極管的頻率參數(shù)3.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 3.4 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng) 3.33.3中頻段：各種容抗忽略不計(jì)；低頻段：隔直耦合電容的影響使電壓放大倍數(shù)降低，同時(shí)隔直電容與電阻構(gòu)成RC高通電路，產(chǎn)生0900的超前相位差；高頻段：三極管極間電容的影響使電壓放大倍數(shù)降低，同時(shí)與電阻構(gòu)成RC低通電路，產(chǎn)生0-

9、900的滯后相位差。3.3.1 3.3.1 混合混合型等效電路型等效電路1.模型混合型高頻小信號(hào)模型是通過三極管的物理模型而建立的。rbb -基區(qū)的體電阻rbe-發(fā)射結(jié)電阻+ecbbbcberCbcbeCrrbbcergmube b是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。Cbe-發(fā)射結(jié)電容rbc-集電結(jié)電阻Cbc-集電結(jié)電容eb.mUg-受控電流源，代替了.bI 特點(diǎn)特點(diǎn): (1)體現(xiàn)了三極管的電容效應(yīng)； (2)用 代替了 。因?yàn)楸旧砭团c頻率有關(guān)，而gm與頻率無關(guān)。eb.mUg.bI 2.BJT的混合等效電路+ecbbbcberCbcbeCrrbbcergmube+CbccbeCreg+bbbbcmubber

10、bcruberceube+uce+icibrbc很大，可以忽略。rce很大，也可以忽略。3.簡化的混合等效電路+c+ui+beiubcubeCbecerubmbgebc+bbrcCbeb低頻時(shí)，忽略電容，混合模型與H參數(shù)模型等效EebmV26)1 (Ir所以：EbebbmV26Irr4.混合參數(shù)的估算+bebbceurm+gurbibcbeebei+cbeub+uebbbberrr由：+iubcc+bbe+ircebeueib又ebbebriubebmiugTmeb2 fgC從手冊(cè)中查出 TcbfC和mV26EebmIrg+bebbceurm+gurbibcbeebei+cbeub+u+iub

11、cc+bbe+ircebeueib 右圖所示的共射放大電路，分低、中、高三個(gè)頻段加以研究。1 .中頻段 所有的電容均可忽略?？捎们懊嬷v的h參數(shù)等效電路分析。 180 +TVCb2u+b1RCRoCC-Rb1cLS+-R-+SuuibeLiSirRRRRuuA SOusm中頻電壓放大倍數(shù)：3.3.2 3.3.2 阻容耦合單管共射放大電路的頻度響應(yīng)阻容耦合單管共射放大電路的頻度響應(yīng)2. 低頻段 在低頻段，三極管的極間電容可視為開路，耦合電容C1、C2不能忽略。 為方便分析，現(xiàn)在只考慮C1，將C2歸入第二級(jí)。畫出低頻等效電路如圖所示?？赏瞥龅皖l電壓放大倍數(shù)ffjAUUALusmsousL1 1L/(

12、21CRrRfSbeb）該電路有 一個(gè)RC高通環(huán)節(jié)。有下限截止頻率：+S-u+iS+R-uubiLRr-beiiobbbRcc+ReCCb1共射放大電路低頻段的波特圖幅頻響應(yīng) ： 2LusmusL)(11lg20|lg20|lg20ffAA相頻響應(yīng) ： )arctg(180Lfff0.01fL-1800.1fL fL10fL-90-135 十倍頻/45f0.01fL0.1fL fL10fL）（dB|lg20UA20dB/十倍頻|lg20usmA 在高頻段，耦合電容C1、C2可以可視為短路，三極管的極間電容不能忽略。用混合等效電路，畫出高頻等效電路如圖所示。3. 高頻段用“密勒定理”將集電結(jié)電容

13、單向化。RsUsRbrbeCUbeUbegmLiUebbcUorbb+Cbc.+RcRicbibe用“密勒定理”將集電結(jié)電容單向化：其中：c bLmM) 1 (CRgCc bc bLmN)11 (CCRgCRsUsRbrbeCbeUbeUbegmLiUebbcUorbb+.+RcRicibCMCN用戴維南定理將C左端的電路進(jìn)行變換：忽略CN,并將兩個(gè)電容合并成一個(gè)電容: 得簡化的高頻等效電路。MebCCCbbeRbbUc+br+mbergU.bi.oebcc.UCi.UbeRsLURsR+iLU.oU.be.g+U+cC.+RmUbeRRsse bbbe bisi sUrrrRRRU)/(/s

14、bbbe bRRrrR其中：可推出高頻電壓放大倍數(shù)：HffjAVVA1usmSOusH其中：Lme bbbe bisiusmRgrrrRRRAbeLiSirRRRRRCf21H該電路有 一個(gè)RC低通環(huán)節(jié)。有上限截止頻率：其中：MebCCC)/(/sbbbe bRRrrRLU.oU.be.g+U+cC.+RmUbeRRs共射放大電路高頻段的波特圖幅頻響應(yīng) ： 2HusmusH)(11lg20|lg20|lg20ffAA 相頻響應(yīng) ： )arctg(180Hff f0.1fH-180fH10fH100fH-225-270十倍頻/45 f0.1fHfH10fH100fH）（dB|lg20UA-20d

15、B/十倍頻程|lg20usmA4. 完整的共射放大電路的頻率響應(yīng))j1 (1)j1 (1HLusmusffffAAf-180fHfL-225-270 ffHfL）（dB|lg20UA-20dB/十倍頻程|lg20usmA-135-90十倍頻/45 20dB/十倍頻程十倍頻/45 (2)帶寬-增益積：fbwAumBJT一旦確定，帶寬增益積基本為常數(shù)。(1)通頻帶：HLHbwffff 兩個(gè)頻率響應(yīng)指標(biāo)：兩個(gè)頻率響應(yīng)指標(biāo)：f f-180-180f fH Hf fL L-225-225-270-270 f ff fH Hf fL L）（dB|lg20UA-20dB/十倍頻程|lg20usmA-135-

16、135-90-90十十倍倍頻頻/45 20dB/十倍頻程十十倍倍頻頻/45 所以低頻段放大倍數(shù)沒降低，且也不產(chǎn)生附加相移。因低頻段放大倍數(shù)降低主要是因?yàn)轳詈想娙菔剐盘?hào)衰減而造成。3.3.3 3.3.3 直接耦合單管共射放大電路的頻度響應(yīng)直接耦合單管共射放大電路的頻度響應(yīng)沒有隔直電容高頻段放大倍數(shù)降低主要是因?yàn)闃O間電容引起，故高頻電壓放大倍數(shù)仍將下降，同時(shí)產(chǎn)生0900的滯后附加相移。3.4.1 3.4.1 多級(jí)放大電路的幅頻特性和相頻特性多級(jí)放大電路的幅頻特性和相頻特性u(píng)nuuuAAAA21|lg20|lg20|lg20|lg2021unuuuAAAAknkn121總電壓放大倍數(shù)是各級(jí)電壓放大倍

17、數(shù)的乘積：總對(duì)數(shù)增益是各級(jí)對(duì)數(shù)增益的代數(shù)和：總相位移是各級(jí)相位移的代數(shù)和：繪制多級(jí)放大電路總的幅頻特性和相頻特性時(shí)，只要將各放大電路的對(duì)數(shù)年增益和相位移在同一橫坐標(biāo)下分別疊加就行。多級(jí)放大倍數(shù)增加了，但通頻帶卻比任一級(jí)都窄。因帶寬帶寬增益積基本為常數(shù)增益積基本為常數(shù)，故放大倍數(shù)的變化量與通頻帶寬的變化量成反比。3.4.2 3.4.2 多級(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率多級(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率222211111 . 11HnHHHffff222211 . 1LnLLLffff總上限頻率：總下限頻率：當(dāng)其中第級(jí)的上限頻率fHK比其它各級(jí)小得多時(shí)，可近似認(rèn)為總的fHfHK；當(dāng)其中第級(jí)的下限頻率fLK比其它各級(jí)大得多時(shí)，可近似認(rèn)為總的fLfLK。本章小結(jié)本章小結(jié)1.由于放大器件存在極間電容，以及電路中的電抗性元件，因此