第6章放大電路頻率響應(yīng)

1、第六章 放大電路的頻率響應(yīng)6.1 放大電路頻率響應(yīng)概述6.3 晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型6.4 單管放大電路的頻率響應(yīng)作業(yè)： 習(xí)題 6-16.2 RC電路的頻率響應(yīng)6.1 頻率響應(yīng)概述6.1.1 頻率響應(yīng)產(chǎn)生的原因 由于晶體管各極之間均存在極間電容，在晶體管放大電路中還存在耦合電容、旁路電容和分布電容等電抗元件。它們的容抗均隨著信號(hào)頻率的變化而變化，使放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大效果不完全相同。 放大電路的電壓放大倍數(shù)（增益）是頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系叫做“頻率響應(yīng)”或者“頻率特性”。中頻段： 耦合電容、旁路電容的容抗很小，可以認(rèn)為短路。同時(shí)，晶體管結(jié)電容的容抗又很大，可以看作開(kāi)路。因此可

2、以不考慮放大電路的頻率特性。低頻段： 雖然晶體管結(jié)電容的容抗比中頻時(shí)還大，可以認(rèn)為是開(kāi)路。但是，耦合電容和旁路電容的容抗增大，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)淖饔貌豢珊雎?。?huì)使增益的幅值減小，同時(shí)產(chǎn)生附加相位移。6.1.1 頻率響應(yīng)產(chǎn)生的原因高頻段： 耦合電容和旁路電容的容抗很小，可以看作短路，但晶體管結(jié)電容和電路分布電容的容抗很小，對(duì)電流的并聯(lián)分流作用不可忽略。同樣會(huì)使增益的幅值減小，同時(shí)產(chǎn)生附加相位移。 6.1.1 頻率響應(yīng)產(chǎn)生的原因6.1.2 頻率響應(yīng)的表示方法 電路的頻率特性包括： 幅頻特性 相頻特性 幅頻特性：指電壓增益的幅值和頻率的關(guān)系。相頻特性：指輸出電壓與輸入電壓之間的相位差 和頻率的關(guān)系。 通常

3、把中頻段的電壓增益用 表示。當(dāng)電壓增益在高頻段和低頻段下降到0.707 時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率點(diǎn)叫做放大電路的“截止頻率”。umAumA下限截下限截止頻率止頻率上限截上限截止頻率止頻率放大電路的幅頻特性和相頻特性1. 低通電路及頻率響應(yīng)6.2 RC電路的頻率響應(yīng) 當(dāng)頻率為0時(shí)，電容元件容抗無(wú)窮大。隨著頻率升高，電抗不斷下降，電壓傳輸系數(shù)將不斷下降。 可以看出，只有當(dāng)頻率很低或者直流時(shí)，輸入信號(hào)才能傳輸?shù)捷敵龆?，所以叫做“低通電路”?. 低通電路及頻率響應(yīng)6.2 RC電路的頻率響應(yīng)1122HfRC11ouiUUj RCA11HRC1111/uHj RCjffA211(/)uHAff幅頻特性：arc

4、tan(/)Hff 相頻特性：1. 低通電路及頻率響應(yīng)6.2 RC電路的頻率響應(yīng)6.2.1 RC低通電路的頻率響應(yīng)RC低通電路的波特圖圖6-3 RC低通電路的波特圖3分貝分貝0.7075.71211(/)uHAff幅頻特性：arctan(/)Hff 相頻特性：6.2.1 RC低通電路的頻率響應(yīng)RC低通電路的波特圖 根據(jù)幅頻特性，當(dāng) ， ；當(dāng) 時(shí)， 。可知， 是低通電路的“上限截止頻率”，電路的“通頻帶”為從0到 的頻率范圍，即 。當(dāng) 。 Hff1uAHff2/1uAHfHfHfHff456.2 RC電路的頻率響應(yīng)2. 高通電路及頻率響應(yīng) 當(dāng)頻率為0時(shí)，電容元件容抗無(wú)窮大。隨著頻率升高，電抗不斷

5、下降，電壓傳輸系數(shù)將不斷增大。 可以看出，只有當(dāng)頻率升高時(shí)，輸入信號(hào)才能傳輸?shù)捷敵龆?，所以叫做“高通電路”?. 高通電路及頻率響應(yīng)6.2 RC電路的頻率響應(yīng)1122LfRC11 1/ouiUUj RCA11LRC1/11/LuLjffj RCjffA2/1(/)LuLffAff幅頻特性：90arctan(/)Lff相頻特性：6.2 RC電路的頻率響應(yīng)2. 高通電路及頻率響應(yīng)RC高通電路的波特圖圖6-5 RC高通電路的波特圖3分貝分貝0.7075.712/1(/)LuLffAff幅頻特性：90arctan(/)Lff相頻特性：3.RC高通電路的波特圖 根據(jù)幅頻特性，當(dāng) ， ；當(dāng) 時(shí)， ?？芍?，

6、 是低通電路的“下限截止頻率”，電路的“通頻帶”為從 。當(dāng) ， 。Lff 1uALff 2/1uALfLfLff 45共射放大電路晶體管混合參數(shù) 型等效電路6.3 晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型6.3.1 晶體管的高頻等效模型單向化后的晶體管共射混合參數(shù) 型等效電路6.3.1 晶體管的高頻等效模型通常的值很小，可以忽略。CCK)11 (CKCC)1 ( 把輸入端并聯(lián)電容合并，令晶體管共射混合參數(shù) 型等效電路的簡(jiǎn)化圖：6.3 晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型6.3.1 晶體管的高頻等效模型6.3.2 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型 共源接法場(chǎng)效應(yīng)管的混合參數(shù) 形等效電路如圖。(rgs、rds大開(kāi)路） 場(chǎng)效

7、應(yīng)管等效電路中的輸入電容 較大，它的高頻特性要比雙極型晶體管差些。 gsC6.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 在中頻段，極間電容因?yàn)槿菘勾蠖暈殚_(kāi)路，耦合電容和旁路電容因?yàn)槿菘剐《暈槎搪罚?在低頻段，主要考慮耦合和旁路電容的影響，將極間電容視為開(kāi)路； 在高頻段，主要考慮極間電容的影響，而耦合和旁路電容可以視為短路。6.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng)中頻等效電路中頻等效電路中頻段電壓中頻段電壓增益：增益：CmebbbebiSisousmRgrrrRRRUUA幅頻特幅頻特性和相性和相頻特性頻特性180lg20lg20CmebbbebiSiusmRgrrrRRRAA Ausmusm和和 均為實(shí)數(shù)，

8、均為實(shí)數(shù)，其波特圖的中頻段都是一其波特圖的中頻段都是一條水平線。條水平線。6.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng)低頻等效電路低頻等效電路6.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng)2. 基本放大電路的低頻響應(yīng)Lff 低頻段電壓增益為：低頻段電壓增益為：基本放大電路在低頻段是一個(gè)RC高通特性。 1)(CRRiSL1)(2121CRRfiSLLLLusmLusmusLffjffjj1111AAA其中其中低頻段波特圖6.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng)高頻等效電路高頻等效電路高頻段電壓增益為：高頻段電壓增益為：基本放大電路在高頻段是一個(gè)基本放大電路在高頻段是一個(gè)RCRC低通特性。低通特性。 2121RCfHHHus

9、musmusHffjRCj1111ARCH其中6.3 單管共射放大電路的頻率響應(yīng)高頻段波特圖4. 完整的單管共射放大電路的頻率響應(yīng))1)(1 (HLLusmusffjffjffj 完整的電壓增益表達(dá)式：完整波特圖 低頻段Au下降且產(chǎn)生相移,主要受耦合電容、旁路電容的影響。 高頻段Au下降且產(chǎn)生相移,主要受晶體管極間電容、電路中寄生電容的影響。6.4.2 共基接法晶體管的高頻小信號(hào)模型 根據(jù)圖晶體管高頻小信號(hào)模型，可以得到共基接法晶體管的混合參數(shù) 形等效電路，而圖b）則為共基電路的示意圖6.4.2 共基接法晶體管的高頻小信號(hào)模型 可以看出，在共基接法時(shí)，由于電路的輸入端和輸出端之間沒(méi)有元件 ，所

10、以不存在等效電路單向化和 的等效變換。所以共基電路上限截止頻率高，適用于高頻和寬頻帶放大電路。CC6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積 1對(duì)放大電路頻率響應(yīng)的要求在放大電路的通頻帶內(nèi)，對(duì)于不同頻率的信號(hào)，放大電路電壓增益的幅值和相位不會(huì)發(fā)生變化。在通頻帶外，對(duì)于不同頻率的信號(hào)，放大電路的放大效果是不同的。輸出信號(hào)可能產(chǎn)生失真，這種失真叫做“頻率失真”。頻率失真包括“幅值失真”和“相位失真”。 為了減小頻率失真，放大電路的通頻帶應(yīng)該覆蓋整個(gè)輸入信號(hào)的頻率范圍。但是，放大電路的通頻帶也不能太寬，放大電路通頻帶越寬，受干擾和噪聲的影響也越大。而且對(duì)于某些電子電路，要求放大電路應(yīng)具備選頻特性

11、。所以在放大電路通頻帶的選擇上不是越寬越好，應(yīng)符合實(shí)際使用要求。 6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積 為了減小頻率失真，可以采取相應(yīng)的手段擴(kuò)大放大電路的通頻帶。通常采用的方法有：（1）減小 ，改善低頻響應(yīng)。一方面使有關(guān)電容(耦合電容和旁路電容）的電容量增大，一方面使相應(yīng)回路的電阻增大。當(dāng)然，最好的辦法是去掉耦合電容而采取直接耦合的方式。 Lf6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積 （2）增大 ，改善高頻響應(yīng)。有 其中：Hf2121RCfHH)/(/SBbbebRRrrRCKCC)1 ( LmRgK 所以應(yīng)減小電阻和電容，選擇特征頻率高， 小的高頻管，還要減小 。但是，減小

12、會(huì)時(shí)放大電路電壓增益下降?？梢?jiàn)擴(kuò)展頻帶和提高電壓增益是有矛盾的。CLmRgLmRg6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積 （3）引入負(fù)反饋。在電路中引入負(fù)反饋，可以擴(kuò)大放大電路的通頻帶。 6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積 擴(kuò)展放大電路的通頻帶和提高電壓增益之間存在矛盾。為了綜合考慮這兩方面的性能，引入一個(gè)新的綜合指標(biāo)“增益帶寬積”GBP，它是中頻電壓放大倍數(shù) 和通頻帶 的乘積。 usmABWfLmebbbSebusmRgrrRrACKCRRrrRCfSBbbebH)1 ()/(/2121SBRR SSBSRRRR/CRgCKCLm)1 (由于6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的

13、改善和增益帶寬積 所以：CRgRrrfLmSbbebH)/(21增益帶寬積為： CrRCRgRrrRgrrRrfAbbSLmSbbebLmebbbSebHusm21)/(21可以看出，在一般情況下，當(dāng)晶體管和信號(hào)源選定后，增益帶寬積也就大體確定。如果要使放大電路的通頻帶寬，同時(shí)又要使它的電壓增益高，則應(yīng)選用 和 都很小的高頻管。 bbrC6.4.4 放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積6.5 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)6.5.1多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)表達(dá)式和波特圖 多級(jí)放大電路電壓增益的波特圖的表達(dá)式為： 設(shè)多級(jí)放大電路每一級(jí)的電壓增益分別為 ， ， ， ，則總的電壓增益為： 1uA2uAunAun

14、uuuAAAA21nkukunuuuAAAAA121lg20lg20lg20lg20lg20nkkn1216.5 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)6.5.1多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)表達(dá)式和波特圖 因此，只要把各級(jí)電壓增益的波特圖進(jìn)行疊加，就可以得到多級(jí)放大電路總電壓增益波特圖。6.5.2多級(jí)放大電路的下限截止頻率 的估算 Lf令總的中頻電壓增益 ，則usmnusmusmusmAAAA212121/1(/)1(/)1nusLLkkusmLknkLkAffAffff多級(jí)放大電路在低頻段的 為：nkLkLkusmkusLfjffjf1/1/AAusLA6.5.2多級(jí)放大電路的下限截止頻率 的估算 如果忽略高次項(xiàng)，有：Lf22221LnLLLffff如果需要更加精確一些 222211 . 1LnLLLffff 當(dāng)各級(jí)的 相差不大時(shí)，可用上式估算多級(jí)放大電路的 。如果其中某一級(jí)的 比其余各級(jí)大（45）倍以上，則可認(rèn)為總的 。LkfLfLkfLkLff6.5.3多級(jí)放大電路的上限截止頻率 的估算Hf多級(jí)放大電路在低頻段的 為：usHAnkHkusmkusHfjf1/11AA有 222211111 . 11HnHHHffff 當(dāng)各級(jí)的 相差不大時(shí)，可用上式估算多級(jí)放大電路