放大電路的頻率響應(新)

1、第五章 放大電路的頻率響應第五章 放大電路的頻率響應5.1 5.1 頻率響應的有關概念頻率響應的有關概念5.2 5.2 晶體管的高頻等效電路晶體管的高頻等效電路5.3 5.3 放大電路的頻率響應放大電路的頻率響應5.1 5.1 頻率響應的有關概念一、本章要研究的問題一、本章要研究的問題二、二、高通電路和低通電路高通電路和低通電路三、放大電路中的頻率參數(shù)三、放大電路中的頻率參數(shù)例如例如: :音頻信號音頻信號 f = 20Hz 20KHz視頻信號視頻信號 f = 0 6MHz由于受到電路中的電抗元件及放大器件內(nèi)部的由于受到電路中的電抗元件及放大器件內(nèi)部的分布電分布電容容影響，電路對不同頻率的信號所

2、具有的放大能力就有影響，電路對不同頻率的信號所具有的放大能力就有差別。放大器的頻率響應是差別。放大器的頻率響應是輸出信號隨輸入信號頻率變輸出信號隨輸入信號頻率變化的響應?；捻憫iuo放大器放大器 實際放大器的輸入信號不是簡單的單頻信號，通常由許多實際放大器的輸入信號不是簡單的單頻信號，通常由許多不同相位、不同頻率信號分量組成，占有一定的頻譜。不同相位、不同頻率信號分量組成，占有一定的頻譜。 一、一、研究的問題研究的問題 理想放大器理想放大器要求對不同的要求對不同的頻率輸入信號具有相同的放頻率輸入信號具有相同的放大作用。大作用。uiuo放大器放大器0tuiUim設：設：ui為非正弦周期信號

3、為非正弦周期信號 10sinnnitnaau tatataaui 3sin2sinsin3210 uo= AV ui ，要輸出信號不失真必須保證要輸出信號不失真必須保證ui的每一個分的每一個分量都得到相同的放大。理想放大器的量都得到相同的放大。理想放大器的AV為常量與工作為常量與工作頻率無關。頻率無關。實際放大器實際放大器的的AV是頻率的函數(shù)：是頻率的函數(shù)：)( jAAV 頻率響應頻率響應是放大器的重要性能指標，它反映了放大器對不是放大器的重要性能指標，它反映了放大器對不同頻率信號的放大能力。同頻率信號的放大能力。 ) ( ) ( ) ( jjAjAAV 二、二、放大器的頻率響應放大器的頻率響

4、應其中其中: : A(j)稱為放大器的稱為放大器的幅頻響應幅頻響應，表示放大器的電壓增益的，表示放大器的電壓增益的模與信號頻率的函數(shù)關系；模與信號頻率的函數(shù)關系； (j)稱為放大器的稱為放大器的相頻響應相頻響應，表示放大器的輸出信號與，表示放大器的輸出信號與輸入信號的相位差與頻率的關系。輸入信號的相位差與頻率的關系。 相頻響應與幅頻響應統(tǒng)稱為放大器的頻率響應相頻響應與幅頻響應統(tǒng)稱為放大器的頻率響應。放大器放。放大器放大輸入信號時，為了不產(chǎn)生失真，必須對所有輸入信號的每大輸入信號時，為了不產(chǎn)生失真，必須對所有輸入信號的每一個頻率分量作一個頻率分量作同等增益同等增益和和同等相移同等相移的放大。的放

5、大。 頻率失真頻率失真 （線性失真）（線性失真）產(chǎn)生原因：輸入信號的頻率范圍與放大電路通頻帶不符合產(chǎn)生原因：輸入信號的頻率范圍與放大電路通頻帶不符合幅頻失真幅頻失真相頻失真相頻失真頻率失真特點：頻率失真特點：輸出信號中沒有產(chǎn)生輸出信號中沒有產(chǎn)生新的頻率分量新的頻率分量。 放大器對輸入信號不同頻率分量的放大器對輸入信號不同頻率分量的增益增益不同，輸不同，輸出波形就會畸變，這種輸出失真叫幅頻失真。出波形就會畸變，這種輸出失真叫幅頻失真。 放大器對輸入信號不同頻率分量的放大器對輸入信號不同頻率分量的相移相移不同，輸不同，輸出波形就會畸變，這種輸出失真叫相頻失真。出波形就會畸變，這種輸出失真叫相頻失真

6、。注意區(qū)別：注意區(qū)別：頻率失真與非線性失真頻率失真與非線性失真 但當?shù)旑l率較低時頻率較低時XC增大，增大，對對電路的頻率響應造成的影電路的頻率響應造成的影響。響。1. .影響放大電路影響放大電路低端頻率響應低端頻率響應的主要因素的主要因素 在在CE電路中耦合電容電路中耦合電容C1、C2一般取值為幾十一般取值為幾十 F。頻頻率較高時率較高時容抗容抗XC很小，交流通路中電容可視為短路。很小，交流通路中電容可視為短路。beLi0VMrRuuA RB + +C1C2ui+VCCRCuO10 F10 Fvi+ VOiCAuuuCf111 ui 的幅度不變時的幅度不變時, ,隨著工作隨著工作頻率的降低，

7、會造成頻率的降低，會造成uO減小，減小，電路的放大倍數(shù)減小。電路的放大倍數(shù)減小。當當 f =10kHz 時：時：6121.fCXC如果如果 f = 100 Hz15821fCXC電路工作頻率較低時，交流電路工作頻率較低時，交流通路中的耦合電容及旁路電容通路中的耦合電容及旁路電容不能不能視為短路。視為短路。fLVA0beLrR RB + +C1C2ui+VCCRCuO10 F10 Fui+ CE 由于由于BJT存在存在PN結電容結電容Cj ，其容量，其容量( (幾十幾十pf) )很小。很小。頻率低時不起作用。但當頻率很高時：會造成放大器頻率低時不起作用。但當頻率很高時：會造成放大器輸入端趨于短路

8、。輸入端趨于短路。2. . 影響放大電路影響放大電路高端頻率響應高端頻率響應的主要因素的主要因素當：當：RB + +C1C2ui+VCCRCuOCj VbjAiCjf 1beLMrRA AM0.707AMfH0f)( fA（1）放大電路中的大容量電容放大電路中的大容量電容（耦合電容與旁路電容耦合電容與旁路電容） 是引起是引起低頻段頻響低頻段頻響的主要因素。的主要因素。（2）晶體管的晶體管的PN結電容結電容和和分分布電容布電容是引起放大電路是引起放大電路高頻段高頻段頻響頻響的主要原因。的主要原因。綜合綜合因素：因素：如圖電路中的如圖電路中的C1、C2、CE發(fā)射結發(fā)射結PN結電容結電容 Cb e

9、（ C ）；）；集電結集電結PN結電容結電容 Cb c （ C ）。）。RB + +C1C2ui+VCCRCuOCEREPN結電容：結電容：3.典型典型阻容耦合放大器的阻容耦合放大器的全頻率全頻率幅頻特性曲線幅頻特性曲線ffLfH通頻帶通頻帶BW中頻段中頻段高頻段高頻段低頻段低頻段)(jfAAVM0 02VMA fL稱為放大器的稱為放大器的低端轉折頻率低端轉折頻率， fH稱為放大器的稱為放大器的高端高端轉折頻率轉折頻率。BW( fH fL)稱為放大器的稱為放大器的通頻帶通頻帶，又稱為放大器，又稱為放大器的的3分貝帶寬。分貝帶寬。)arctg(Hff 三、三、RC 低通電路低通電路RCfH 21

10、2H 2H)(11ffAu RCjCjRCjUUAu 1111io令令 RC低通電路如圖所示，低通電路如圖所示，其電其電壓放大倍數(shù)為：壓放大倍數(shù)為： 11H RCHHffjj 1111 電壓比的幅頻電壓比的幅頻特性、相頻特特性、相頻特性分別為性分別為)arctg(90Loff 四、四、RC 高通電路高通電路RCfL 212L 2LL)(1/ffffAu RCjCjRRUUAu 1111io 令令 RC高通電路如圖所示，高通電路如圖所示，其電其電壓放大倍數(shù)為：壓放大倍數(shù)為： 11L RCLLLLj1j1111ffffjffj 電壓比的幅頻電壓比的幅頻特性、相頻特特性、相頻特性分別為性分別為五、波

11、特圖 為了在同一個坐標系下對比為了在同一個坐標系下對比大范圍大范圍變化的放大倍數(shù)和變化的放大倍數(shù)和很很寬寬的頻率響應范圍，將前頻率響應改用對數(shù)坐標的頻率響應范圍，將前頻率響應改用對數(shù)坐標即所謂即所謂的的“波特圖波特圖”，它也包含，它也包含幅頻特性幅頻特性和和相頻特性相頻特性兩個部分。兩個部分。 幅頻特性改用波特圖后將幅頻特性改用波特圖后將級聯(lián)級聯(lián)放大器增益的放大器增益的“乘乘/除除”運運算變?yōu)榱怂阕優(yōu)榱恕凹蛹?減減”運算！運算！RC高通電路的波特圖高通電路的波特圖2LL)(1/ffffAu )arctg(90Loff2LL)(1lg20lg20lg20ffffAu RC低通電路的波特圖低通電路

12、的波特圖2H)(11ffAu )arctg(Hff 2H)(1lg20lg20ffAu （1）電路的截止頻率取決于電容所在回路的時間常數(shù)。電路的截止頻率取決于電容所在回路的時間常數(shù)。（2）當信號頻率等于下限頻率或上限頻率時，放當信號頻率等于下限頻率或上限頻率時，放大電路的增益下降大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生，且產(chǎn)生+45 或或-45 相移。相移。結論：結論：（3）在近似分析中，可用折線化的近似波特圖描述放在近似分析中，可用折線化的近似波特圖描述放大電路的頻率特性。大電路的頻率特性。5.2 晶體管的高頻等效電路 -考慮結電容的影響一、混合一、混合 模型模型二、電流放大倍數(shù)的頻率響應二、電流放大

13、倍數(shù)的頻率響應三、晶體管的頻率參數(shù)三、晶體管的頻率參數(shù)1. 模型的建立：由結構而建立，形狀像：由結構而建立，形狀像，參數(shù)量綱各不相同。，參數(shù)量綱各不相同。 gm為跨導，它不隨信為跨導，它不隨信號頻率的變化而變。號頻率的變化而變。阻值小阻值小阻值大阻值大連接了輸入回路連接了輸入回路和輸出回路和輸出回路一、混合模型2. 混合模型的單向化（簡化電路分析）（簡化電路分析）Lmebceeb)1 (RgkXUkXUUICCCLmeb 1RgXIUXCCCLm)1 (CRgC 1CkkC同理可得，等效變換后電流不變等效變換后電流不變3. 晶體管簡化的高頻等效電路EQT0ebbb)1 (CCCIUrCr可從手

14、冊查得、TEQeb0mebbmebmb0 UIrgrIgUgI？如何得到模型中的參數(shù)？為什么不考慮 C？二、電流放大倍數(shù)的頻率響應CEbc UIILm 0CCCRgk所以，因為)8 . 2 . 5(,j1 )( j1 0ebebebm ffCCrUUgIIICrceb 1. 適于頻率從0至無窮大的表達式)7 . 2 . 5(,)( 21ebCCrf cIbI為什么短路？為什么短路？2. 電流放大倍數(shù)的頻率特性曲線；，時，-45 707. 02 00ffffffff1200tg )(1j1 ；時，0 ff-90 0 0，時，；時，fffff10.7070o fTff 3. 電流放大倍數(shù)的波特圖:

15、 采用對數(shù)坐標系采用對數(shù)坐標系71. 5， lg20 采用對數(shù)坐標系，橫軸為采用對數(shù)坐標系，橫軸為lg f，可開闊視野；縱軸為，可開闊視野；縱軸為 單位為單位為“分貝分貝” （dB），使得），使得 “ ” “ ” 。lg fdB32lg20注意折線化曲線的誤差注意折線化曲線的誤差20dB/十倍頻折線化近似畫法折線化近似畫法三、晶體管的頻率參數(shù) 1 0TTffff 時的頻率為使)CC(rfffeb0 21 j1 。、)(obTCCfff共射截共射截止頻率止頻率共基截共基截止頻率止頻率特征特征頻率頻率集電結電容集電結電容通過以上分析通過以上分析可以可以得出的結論：得出的結論： 低頻段和高頻段放大倍

16、數(shù)的表達式；低頻段和高頻段放大倍數(shù)的表達式； 截止頻率與時間常數(shù)的關系；截止頻率與時間常數(shù)的關系； 波特圖及其折線畫法；波特圖及其折線畫法； C的求法。的求法。手冊手冊查得查得討論一 若干個放大電路的放大倍數(shù)分別為若干個放大電路的放大倍數(shù)分別為1、10、102、103、104、105，它們的增益，它們的增益(取對數(shù)取對數(shù))分別為多少？分別為多少？102030405060Of10102103104105106lg f2. 為什么波特圖開闊了視野？同樣長度的橫軸，在為什么波特圖開闊了視野？同樣長度的橫軸，在單位長度不變的情況下，采用對數(shù)坐標后，最高頻單位長度不變的情況下，采用對數(shù)坐標后，最高頻率是

17、原來的多少倍？率是原來的多少倍？討論二 電路如圖。已知各電阻阻電路如圖。已知各電阻阻值；靜態(tài)工作點合適，集電值；靜態(tài)工作點合適，集電極電流極電流ICQ2mA；晶體管的；晶體管的rbb=200，Cob=5pF， f=1MHz。 試求解該電路中晶體管高試求解該電路中晶體管高頻等效模型中的各個參數(shù)。頻等效模型中的各個參數(shù)。清華大學 華成英 討論二ebmCQrgI、Lcmob)(CRRgCC、ebob)(CrCCf、CCC5.3 放大電路的頻率響應一、單管共射放大電路的頻率響應一、單管共射放大電路的頻率響應二、多級放大電路的頻率響應二、多級放大電路的頻率響應將輸入信號分為三個頻將輸入信號分為三個頻段：

18、段：中頻中頻段、段、低頻低頻段和段和高頻高頻段。來進行分析。段。來進行分析。 在中頻段在中頻段， PN結電容視結電容視為開路，耦合電容（或旁路為開路，耦合電容（或旁路 電容）視為短路。電容）視為短路。 在低頻段在低頻段，主要考慮耦，主要考慮耦合電容及旁路電容的影響，合電容及旁路電容的影響， PN結電容視為開路結電容視為開路 。 在高頻段在高頻段，主要考慮，主要考慮PN結電容的影響，結電容的影響，耦合電容耦合電容（或旁路電容）視為短路（或旁路電容）視為短路。一、單管共射放大電路的頻率響應一、單管共射放大電路的頻率響應 j11 j11j11j1jHLsmHLLsmsosffffAffffffAUU

19、Auuu 全頻段放大倍數(shù)表達式：全頻段放大倍數(shù)表達式：適用于信號頻率從適用于信號頻率從0的交流等效電路的交流等效電路1. 中頻電壓放大倍數(shù)eboiebsisosmUUUUUUUUAu )( LcmbeebisismRRgrrRRRAu 帶負載時：帶負載時：bec0isismo rRRRRAu 空載時：空載時： bec0isi/rRRRRRL )(sbbbebRRrrR 2. 高頻電壓放大倍數(shù) j11.HsmsoshffAUUAuu 21HRCf )( 21sbbbebCRRrr 21HRCf 2. 高頻電壓放大倍數(shù)：高頻段頻率響應分析：高頻段頻率響應分析 )( 21 j1sbbbebHHsms

20、oshCRRrrfffAUUAuu-225 dB3lg20 shH，下下降降時時，uAffH2Hmsharctan180 )(1lg20lg20lg20ffffAAuu；下降倍，每增大時，dB20lg20 10 shHuAfff。，時，-270 0 shuAf；時時，smshHlg20lg20 uuAAff所所確確定定的的截截止止頻頻率率。、分分別別考考慮慮e21CCC3. 低頻電壓放大倍數(shù)ffAffffAUUAuusuj11j1jLsmLLsm0sl 21LRCf 時間常數(shù)分析(短路時間常數(shù)法)所所確確定定的的時時間間常常數(shù)數(shù)。、分分別別考考慮慮e21CCC1beb2b1s1)(CrRRR

21、2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrR C2、Ce短路，求出短路，求出C1、Ce短路，求出短路，求出C1、C2短路，求出短路，求出若電容值均相等，則若電容值均相等，則e 1、21beb2b1s1L1)(21 21CrRRRf )( 21 212Lc2L2CRRf )1( 21 21eb2b1sbeeLeCRRRrRfe 對對n級放大電路，若各級的下、上限頻率分別為級放大電路，若各級的下、上限頻率分別為fL1 fLn、 fH1 fHn，整個電路的下、上限頻率分別為，整個電路的下、上限頻率分別為fL、 fH，則，則nkknkkf.ff.f12HH12LL1111 11LLsms

22、lj1jffffAAuu 3. 低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應分析：低頻段頻率響應分析)arctan90(180 )(11lg20lg20lg20L2LsmslffffAAuuLLsmslj1)j ( ffffAAuu 135 dB3lg20 sL，下下降降時時，uAff)lg(20lg20 LsmsLffAAffuu時，。，時，90 0 0suAfsmsLlg20lg20 uuAAff時，中頻段中頻段20dB/十倍頻十倍頻4. 電壓放大倍數(shù)的波特圖 )j1)( j1 ()j1)(j1 ()j (HLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全頻段放大倍數(shù)表達式：全頻段放大倍數(shù)表達式：ffLefHusAlg200 0usmAlg20fL2fL120dB/十倍頻十倍頻40dB/十倍頻十倍頻60dB/十倍頻十倍頻20dB/十倍頻十倍頻4. 電壓放大倍數(shù)的波特圖HLeLeL2L2L1L1sm0sj11j1jj1jj1jffffffffffffffAUUAusu 5. 帶寬增益積：定性分析：定性分析fbw fH fL fH )( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCCHmbwm fAfAuu帶寬增益積mLm