第五章 放大電路的頻率特性(new)

1、05 放大電路的頻率特性 在放大電路的通頻帶中給出了頻率特性的概念在放大電路的通頻帶中給出了頻率特性的概念- 幅度頻率特性幅度頻率特性 相位頻率特性相位頻率特性 幅頻特性是描繪輸入信號幅度幅頻特性是描繪輸入信號幅度固定，輸出信號的幅度隨頻率變化固定，輸出信號的幅度隨頻率變化而變化的規(guī)律。即而變化的規(guī)律。即 = =Aio/VVf () 相頻特性是描繪輸出信號與輸入相頻特性是描繪輸出信號與輸入信號之間相位差隨頻率變化而變化信號之間相位差隨頻率變化而變化的規(guī)律。即的規(guī)律。即)(iofVVA這些統(tǒng)稱放大電路的頻率響應。這些統(tǒng)稱放大電路的頻率響應。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

2、中頻值的現(xiàn)象稱為相位頻率失真。 放大電路的幅頻特性和相頻特性，也稱為頻率響應。因放大電路對不同頻率成分信號的增益不同，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。放大電路對不同頻率成分信號的相移不同，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。 產(chǎn)生頻率失真的原因是產(chǎn)生頻率失真的原因是: :1.1.放大電路中存在電抗性元件，放大電路中存在電抗性元件，例如例如 耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓 器、分布電感等器、分布電感等; ; 2.2.三極管的三極管的 ( ( ) )是頻率的函數(shù)。是頻率的函數(shù)。 在研究頻

3、率特性時，三極管的低頻小信號在研究頻率特性時，三極管的低頻小信號模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。這些統(tǒng)稱放大電路的頻率響應。這些統(tǒng)稱放大電路的頻率響應。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。5.1 RC電路的頻率響應 5.2 雙極型三極管的高頻小 信號模型 5.3 共發(fā)射極接法放大電路 的頻率特性 5.4 場效應三極管的高頻小 信號模型5.1 RC電路的頻率響應 5.1.1 RC低通電路 5.1.2 RC高通電路5.1.1 RC低通電路 RC低通電路如圖05. 01所示。 2H)(11ffAv ffRC

4、012H arctg(Hff) 式中011RC。vA的模、上限截止頻率和相角分別為0ioj11j11RCVVvA=RC+-io.VV圖05.01RC低通電路其電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為 由以上公式可做出如圖05.02所示的RC低通電路的近似頻率特性曲線： 2H)(11ffAv arctg(Hff)圖05.02 RC低通電路的頻率特性曲線 幅頻特性的X軸和Y軸都是采用對數(shù)坐標,稱為上限截止頻率上限截止頻率。當 時，幅頻特性將以十倍頻20dB的斜率下降，或寫成-20dB/dec。在 處的誤差最大，有3dB。 ffH f =fH fH fH f =fH 當 時，相頻特性將滯后45，并具有 -45/d

5、ec的斜率。在0.1 和10 處與實際的相頻特性有最大的誤差，其值分別為+5.7和5.7。 這種折線化畫出的頻率特性曲線稱為波特圖，是分析放大電路頻率響應的重要手段。 fH)arctg(90Loff5.1.2 RC高通電路 其電壓放大倍數(shù) 為：vARCff21L02LL)(1/ffffAvLLLLio/j1/j/j1/jffffVVvA=L11RC。式中 下限截止頻率、模和相角分別為 RC高通電路如圖05.03所示。圖 05.03 RC 高通電路 由此可做出如圖05.04所示的RC高通電路的近似頻率特性曲線。2LL)(1/ffffAv)arctg(90Loff圖05.04 RC高通電路的近似頻

6、率特性曲線5.2 雙極型三極管的高頻小信號模型5.2.1.5.2.1.混合混合型高頻小信號模型型高頻小信號模型5.2.2 5.2.2 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)的頻響的頻響5.2.15.2.1混合混合型高頻小信號模型高頻小信號模型型 混合型高頻小信號模型是通過三極管的物理模型而建立的，三極管的物理結構如圖05.05所示。rbe- re歸算到基極回路的電阻 -發(fā)射結電容，也用C這一符號Cbe-集電結電阻rbc -集電結電容，也用C這一符號 Cbc rbb -基區(qū)的體電阻，b是假想的基區(qū)內的一個點。圖05.05 雙極型三極管 物理模型（1）物理模型 - 發(fā)射結電阻 re 根據(jù)這一物理模型可以畫出混合

7、型高頻小信號模型，如圖05.06所示。圖05.06高頻混合型小信號模型電路 這一模型中用 代替 ，這是因為本身就與頻率有關，而gm與頻率無關。推導如下: eb.mVg.b0I（2）用 代替eb.mVg.bIebme beb0bo0VgrVI 由此可見gm是與頻率無關的0和rbe的比，因此gm與頻率無關。若IE=1mA，gm=1mA/26mV38mS。gm稱為跨導，還可寫成TEee00eb0m1)1 (VIrrrg 0反映了三極管內部，對流經(jīng)rbe的電流 的放大作用。 是真正具有電流放大作用的部分，0 即低頻時的。而boIboI 在型小信號模型中，因存在Cbc 和rbc,對求解不便，可通過單向化

8、處理加以變換。首先因rbc很大，可以忽略，只剩下Cbc 。可以用輸入側的C和輸出側的C兩個電容去分別代替Cbc ，但要求變換前后應保證相關電流不變，如圖05.07所示。（3）單向化圖05.07高頻混合型小信號電路C=(1+K)CC“= Ck/(1+k)5.2.2 電流放大系數(shù)的頻響 從物理概念可以解釋隨著頻率的增高,將下降。因為 0bcceVII圖05.09 的等效電路 V.ce 00.ceV 是指在VCE一定的條件下,在等效電路中可將CE間交流短路，于是可作出圖05.09的等效電路。由此可求出共射接法交流短路電流放大系數(shù)?？捎上率酵瞥?(211)(1cbebeb0cbebebebmCCrff

9、fjCCrjrge bmc be be bmce be bb)(+)/1(VgCjVVgICCjrVI 由此可做出的幅頻特性和相頻特性曲線，如05.10圖所示。 圖05.10 三極管的幅頻特性和相頻特性曲線當=1時對應的頻率稱為特征頻率fT，且有fT0f 當20lg下降3dB時,頻率f稱為共發(fā)射極接法的截止頻率 fT0 f可由下式推出ffjCCrjrg1)(10c be be be bm當 f = fT 時, 有1)(1)(1)(2T02c be be be bmTffCCrrgf因fT f ,所以, fT 0 f5.3 共發(fā)射極接法放大電路的頻率特性5.3.1 全頻段小信號模型5.3.2 高

10、頻段小信號微變等效電路5.3.3 低頻段小信號微變等效電路5.3.1 全頻段小信號模型 對于圖05.11所示的共發(fā)射極接法的基本放大電路，分析其頻率響應，需畫出放大電路從低頻到高頻的全頻段小信號模型，如圖05.12所示。然后分低、中、高三個頻段加以研究。圖05.11 CE接法基本放大電路圖05.12 全頻段微變等效電路顯然這是一個RC低通環(huán)節(jié)，其時間常數(shù) H=(Rs /Rb)+rbb /rbeC于是上限截止頻率fH=1/2H 。5.3.2 高頻段小信號微變等效電路 將全頻段小信號模型中的C1、C2和Ce短路，即可獲得高頻段小信號模型微變等效電路，如圖05.13所示。 設放大電路的中頻電壓放大倍

11、數(shù)為AvsM，其頻率特性曲線與RC低通電路相似。只不過其幅頻特性在Y軸方向上上移了20lg AvsM(dB)。相頻特性則在Y軸方向上向下移180，以反映單級放大電路倒相的關系。圖05.13 高頻段微變等效電路5.3.3 低頻段小信號微變等效電路 低頻段的微變等效電路如圖05.14所示，C1、C2和Ce被保留，C被忽略。顯然，該電路有 三個RC電路環(huán)節(jié)。當信號頻率提高時，它們的作用相同，都有利于放大倍數(shù)的提高，相當于高通環(huán)節(jié)，有下限截止頻率。 L1=(Rb /rbe)+RSC1 L2=(Rc +RL)C2 L3=Re / (RS+rbe)/1+Ce 式中RS = RS/ Rb 圖05.14 低頻

12、段微變等效電路 在波特圖上可確定fL1、fL2和fL3，分別做出三條曲線，然后相加。 如果 L在數(shù)值上較小的一個與其它兩個相差較大，有45倍之多，可將最大的fL作為下限截止頻率，然后做波特圖。 當Rb較大，并且Re1/Ce時。為簡單起見，將Ce歸算到基極回路后與C1串聯(lián)，設Ce =Ce /1+。同時在輸出回路用戴文寧定理變換，得到簡化的微變等效電路，如圖05.15所示。所以輸入回路的低頻時間常數(shù)為 L1=(C1 /Ce)( Rb +rbe)圖05.15 簡化后的低頻段等效電路 圖05.14 低頻段微變等效電路 在此簡化條件下，低頻段的電壓放大倍數(shù)的復數(shù)形式為L2L2L1L1sMsLLC2LC2beSe1beSe1beSLSOsL/1/1/)(1)()( /(1)( /(fjffjffjffjfAARRCjRRCjrRCCjrRCCjrRRVVAvvv總電壓放大倍數(shù)的復數(shù)形式為beSLsMHL2L2L1L1sMs/11/1/1/rRRAfjffjffjffjffjfAAvvv 設fL1fL2，可以畫出單級基本放大電路的波特圖，如圖05.16所示。圖05.16 單級基本放大電路的波特圖幾點結論：1.放大電路的耦合電容是引起低頻響應的主要原因，下限截止頻率主要由低頻時間常數(shù)中較小的一個決定；2.三