模電第3章放大電路的頻率響應

1、模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.2RC電路的頻率響應電路的頻率響應3.5 放大電路的增益帶寬積放大電路的增益帶寬積小小 結結3.1概述概述3.3晶體管的高頻等效模型晶體管的高頻等效模型3.4共射放大電路的頻率響應共射放大電路的頻率響應模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 fOAum1.1.幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性)()( ffAAuu Au( f ) 幅頻特性幅頻特性 ( f ) 相頻特性相頻特性0.707AumfOAuf L 下限下限截止截止頻率頻率 f H 上限截止頻率上

2、限截止頻率 2. 頻帶寬度頻帶寬度( (帶寬帶寬)f)fBW( (Band Width) )fBW = f H - - f L f HfLfH模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.2.1 RC 低通電路的頻率響應低通電路的頻率響應3.2 RC 電路的頻率響應電路的頻率響應1. 頻率特性的描述頻率特性的描述RCoUiU j11 j / 1j / 1 ioRCCRCUUAuH j11ff令令 1/RC = H, =RC則則 fH = 1/2 RC模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院 )/(11 2

3、H ffAu H arctan f/f- - 滯后滯后 90 0 H - - ；時時，uAff 0 1 , 0 ；時時uAf - - 45 0.707 21 H ；時時，uAfffO|Au |10.707O45 90 fHf幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性 j11 HuffA 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院滯后滯后H arctan - f/f )/(11 2H ffAuf fH20lg|Au| = - -20lg f / fH- 90 RCoUiU2. 頻率特性的頻率特性的波特圖波特圖 (dB)/(1 lg20lg202 HuffA-dB

4、分貝模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 頻率特性的頻率特性的波特圖波特圖f / fH020lg|Au |/dB20045 90 fH400.1 1 10 1000.1 1 10f / fH頻率特性頻率特性波特圖波特圖90 f0|Au |10.707045 fHf 3 dB 20 dB/十倍頻十倍頻 45 /十倍頻十倍頻H/ arctan ff- - )/(11 2 HuffA 波特圖的優(yōu)點：能夠擴大頻率的表達范圍，并使作圖方法得到簡化波特圖的優(yōu)點：能夠擴大頻率的表達范圍，并使作圖方法得到簡化 (dB)/(1 lg20lg202 HuffA

5、-模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.2.2 RC 高通電路的頻率響應高通電路的頻率響應RCCRRUUAuj111 j1 ioLLffjffjjff111L令令 1/RC = L則則 fL = 1/2 RC超前超前f/f arctan L )/(11 2L ffAu f 10 fL20lg|Au| = 0 dB 0 f = fL20lg|Au| = 20lg0.707 = - -3 dB 45 f 0.1 fL20lg|Au| = - -20lg f / fH 90 RCoUiU (dB)/(1 lg20lg202 ffALu-模模 擬擬

6、電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院90 fO|Au |10.707O45 fLffLf / fL020lg|Au |/dB20045 90 400.1 1 10 1000.1 1 10f / fL 3 dB20 dB/十倍頻十倍頻 -45 /十倍頻十倍頻f/f arctan L )/(11 2L ffAu 頻率特性的頻率特性的波特圖波特圖頻率特性頻率特性波特圖波特圖 (dB)/(1 lg20lg202 ffALu-模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例 ：求已知一階低通電路的上限截止頻率。求已知一階低通

7、電路的上限截止頻率。0.01 F1 k 1 k 1/1 k 0.01 FRCf 21HF01. 0k5 . 014. 321 kHz)(8 .31 例例 ：已知一階高通電路的已知一階高通電路的 fL = 300 Hz，求電容，求電容 C。500 C2 k RfCL21 2500Hz30014. 321F)(212. 0 戴維南定理等效戴維南定理等效模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.3 晶體管的高頻等效模型晶體管的高頻等效模型3.3.1 晶體管的混合晶體管的混合 型的建立型的建立在低頻和中頻情況下在低頻和中頻情況下，信號頻率較低，晶體管的，

8、信號頻率較低，晶體管的PN結極間結極間電容的容抗很大，而結電容很小，兩者并聯(lián)時，電容的容抗很大，而結電容很小，兩者并聯(lián)時，可以忽略可以忽略極間電容的作用極間電容的作用；而；而在高頻在高頻情況下，晶體管的極間電容的情況下，晶體管的極間電容的容抗變小，與其結電阻相比，影響就容抗變小，與其結電阻相比，影響就不能被忽略不能被忽略了。了。PN結結電容的影響：結結電容的影響： 的影響：的影響：因因 值隨頻率升高而降低值隨頻率升高而降低結論：高頻下不能采用結論：高頻下不能采用 H 參數(shù)等效電路參數(shù)等效電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院晶體管結構示意圖晶

9、體管結構示意圖Ic混合混合 型的建立型的建立根據(jù)半導體物理的分析，有：根據(jù)半導體物理的分析，有： ebmcUgI體現(xiàn)了體現(xiàn)了三極管的三極管的放大作用放大作用反映了三極管反映了三極管的結構的結構gm跨導，與跨導，與頻率無關頻率無關模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院Ic集電區(qū)體電阻發(fā)射區(qū)體電阻基區(qū)體電阻集電結結電阻發(fā)射結結電阻集電結結電容發(fā)射結結電容輸出電阻cbC ebC crerbbr cbr ebr cer模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院Ic簡化的結構示意圖簡化的結構示意圖rb eB er

10、bb bcrb ccbccbcbrrrr ebeebebrrrr 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院晶體管的混合晶體管的混合 模型模型Cbc=C, Cbe=C ebmUgrb eB erbb bcrb cCbcCbercebCC模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.3.2 簡化混合簡化混合 模型模型將將C單向化單向化rcerbc晶體管的混合晶體管的混合 模型模型LceRr CcbXr 若若,II- - 則圖則圖(a)圖圖(b)左端口等效左端口等效,II 若若則圖則圖(a)圖圖(b)右端口等效

11、右端口等效模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院混合混合 模型的低頻小信號模型模型的低頻小信號模型模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.3.3 混合混合 模型的主要參數(shù)模型的主要參數(shù)低頻等效電路低頻等效電路混合混合 模型主要參數(shù)的計算依據(jù)：模型主要參數(shù)的計算依據(jù)：混合混合 模型與模型與h參數(shù)模型參數(shù)模型在低頻時是等效在低頻時是等效的。的。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院混合混合 模型的主要參數(shù)：模型的主要參數(shù)：UUcccccfccrfCCUI

12、rgIUIrIUUgIIebceTebTobTEQebmEQTbebbebebmbcBQTEQTebbbebbbbeKK IUIU)( r rrrr000000 , )1( 2( )1( 1300100 查手冊）查手冊）為特征頻率為特征頻率，計算計算由由從手冊中可查到）從手冊中可查到）所以所以而而低頻段電流放大系數(shù)）低頻段電流放大系數(shù)）（模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.4 共射放大電路的頻率響應共射放大電路的頻率響應基本共射放大電路基本共射放大電路為了分析簡化，這為了分析簡化，這里只分析后一級放里只分析后一級放大電路，即在考慮大電路，即

13、在考慮耦合電容時，只考耦合電容時，只考慮慮C的影響，信號的影響，信號源與放大電路為直源與放大電路為直接耦合。接耦合。模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院1. 全頻段小信號模型全頻段小信號模型全頻段交流等效電路全頻段交流等效電路模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院2. 中頻段電壓放大倍數(shù)中頻段電壓放大倍數(shù)中頻段，中頻段，C可視為可視為短路，短路，極間電容可極間電容可視為開路。視為開路。 - - 180 RRRrRrrRRRRRrrRgUUUUUUUUALcLbebebbbbisiibeebLmsi

14、iebebosousm/ , /)/(-模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3. 高頻電壓放大倍數(shù)高頻電壓放大倍數(shù)C 視為視為短路，短路，僅考慮僅考慮CC的影響的影響 )/(RRrrRbsbbeb URRRrrUrrUssiibeebibeebs RRRrRrrRRLcLbebebbbbi/)/( 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院fAAfARRRrrRgUUUUUUUUAURRRrrUrrUHusmushHusmsiibeebLmsssebebosoushssiibeebibeebsfjCC

15、RCRCRjCjRCj - - 11,21211111 回路的時間常數(shù)回路的時間常數(shù)為為令令 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院4. 低頻段電壓放大倍數(shù)低頻段電壓放大倍數(shù)低頻段：低頻段：極間電容視為開路極間電容視為開路耦合電容耦合電容 C 與電路中電阻串聯(lián)與電路中電阻串聯(lián)容抗不能忽略容抗不能忽略模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院LLLLLLLLLLLLLLffjffjAusmjffAusmAuslCRRcCRRcfRsRiRirberebRgmCRRcjCRRcjAuslRRcRsRiRir

16、berebRgmCjRcRcRUsUiUiUebUebUoUsUoAuslRUebgmCjRRcRcUo - - - - - - 111)(,)(2121)()(1)()(1)(1間常數(shù)間常數(shù)為輸出耦合電容回路時為輸出耦合電容回路時令令），便可以得到），便可以得到將分子分母同除以（將分子分母同除以（ 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院5. 全頻段電壓放大倍數(shù)全頻段電壓放大倍數(shù)RRRrrRgAsiibeebLmusm - - CRfH 21 CRRcfLL)(21 )1)(1(HffjLffjLffjAusmAus,1LffjLffjAusm

17、Lff ,AusmHLfff Hff ,11HusmffjA 其中：其中：模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院6.全頻段頻率特性全頻段頻率特性將前面畫出的單管共射放大電路頻率特性的中頻段將前面畫出的單管共射放大電路頻率特性的中頻段 、低頻段和高頻段畫在同一張圖上就得到了如圖所示低頻段和高頻段畫在同一張圖上就得到了如圖所示的的的頻率特性（波特）圖的頻率特性（波特）圖。 共射電路完整波特圖全頻段電壓放大倍數(shù)全頻段電壓放大倍數(shù) HLLusmusffjffjffjAA 11模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工

18、程學院7.全頻段頻率特性分析全頻段頻率特性分析(1) 下限頻率：下限頻率：CRRcfLL)(21 CRfH 21 usmAlg20(2) 上限頻率：上限頻率：(3)幅頻特性中頻段是水平線，幅頻特性中頻段是水平線，幅值為幅值為(4)幅頻特性低頻段斜率是幅頻特性低頻段斜率是+20dB/十倍頻程。十倍頻程。(5)幅頻特性高頻段斜率是幅頻特性高頻段斜率是-20dB/十倍頻程。十倍頻程。(6) 通頻帶：通頻帶：LHBWfff- - dB模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院7.全頻段頻率特性分析全頻段頻率特性分析(7) 相頻特性：相頻特性： 090- -L

19、ff1 . 0 0180- -HLfff1 . 010 Hff10 0270- -在在fL前后，相角前后，相角從從-900向向-1800過渡過渡在在fH前后，相角前后，相角從從-1800向向-2700過渡過渡畫波特圖時，用折線代畫波特圖時，用折線代替實際曲線的誤差，對替實際曲線的誤差，對數(shù)幅頻特性的最大誤差數(shù)幅頻特性的最大誤差為為3dB，相頻特性的最，相頻特性的最大誤差為大誤差為 5.710 ，都出，都出現(xiàn)在線段轉折處?，F(xiàn)在線段轉折處。 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院若同時考慮耦合電容若同時考慮耦合電容 C1和和 C ，可分別求出對應于輸

20、入回路，可分別求出對應于輸入回路和輸出回路的兩個下限截止頻率和輸出回路的兩個下限截止頻率 1121CRRfiSL CRRfLCL 212這時，放大電路的低頻這時，放大電路的低頻響應，應具有兩個轉折響應，應具有兩個轉折頻率。如果二者之間的頻率。如果二者之間的比值在比值在45倍以上，則倍以上，則可取較大的值作為放大可取較大的值作為放大電路的下限頻率。電路的下限頻率。 C1或用其他方法處理。或用其他方法處理。當然波特圖相對要復雜一些。當然波特圖相對要復雜一些。 beBirRR/ 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院若放大電路中，晶體管的射極上接有射極

21、電阻若放大電路中，晶體管的射極上接有射極電阻RE和旁路和旁路電容電容CE ，而且，而且CE的電容量不夠大，則在低頻時不能被看的電容量不夠大，則在低頻時不能被看作短路。因而，由作短路。因而，由 CE又可以決定一個下限截止頻率。需又可以決定一個下限截止頻率。需要指出的是，由于要指出的是，由于 CE在射極電路里，射極電流在射極電路里，射極電流 IE是基極是基極電流電流 IB的的(1+)倍，對放大倍數(shù)影響較大。因此倍，對放大倍數(shù)影響較大。因此CE往往是往往是決定低頻響應的主要因素。決定低頻響應的主要因素。 C1 CE RE模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工

22、程學院記住頻率響應標準表達式：記住頻率響應標準表達式： HLumHLLumufjfjffAffjffjffjAA1111在波特圖中，在高頻段，在波特圖中，在高頻段，當當f 時，凡使曲線斜率時，凡使曲線斜率增加增加-20dB/dec的轉折頻的轉折頻率率fH對應有一因子：對應有一因子： Hfjf1在波特圖中，在低頻段，在波特圖中，在低頻段，當當f 時，凡使曲線斜率增時，凡使曲線斜率增加加20dB/dec的轉折頻率的轉折頻率fL對應有一因子：對應有一因子： jffL1LLffjffj 1或或模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例1：已知某電路電壓放

23、大倍數(shù)為：已知某電路電壓放大倍數(shù)為：)101)(101(105fjfjjfAu - - 1）Aum、fL、fH=?2）波特圖）波特圖?解：標準式解：標準式)101)(101(101005fjfjfjAu - - 10 fL100 Aum510 fHdB40|lg20 umA模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例2：已知某放大電路波特圖為：已知某放大電路波特圖為：1）Aum、fL、fH=?2） Au表達式表達式?解：解：)101)(101(101005fjfjfjAu - - 10 fL100 Aum510 fHdB40|lg20 umA模模

24、擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3 已知已知C =4pF， fT =150MHz， =50,600+VccRcC1C2RLRbRsus+-+-ui+-uo560k4.7k10k101012kVusmA， fL， fH ， fBW =?波特圖波特圖 ？解：解： (1) 靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點mA02. 0 - - bBEQccBQRUVImA1 BQCQII V3 . 7 - - cCQccCEQRIVUusmA模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3 已知已知C =4pF， fT =150MH

25、z， =50,600+VccRcC1C2RLRbRsus+-+-ui+-uo560k4.7k10k101012kVusmA， fL， fH ， fBW =?波特圖波特圖 ？解：解：(2) 混合參數(shù)混合參數(shù) k3 . 1BQTebIUrkms5 .38 TEQmUIgpF412 TmfgC 123)/(- - LcmebCERRgUUKpF537|)|1( CKCCusmA模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3 已知已知C =4pF， fT =150MHz， =50,600+VccRcC1C2RLRbRsus+-+-ui+-uo560k4.7

26、k10k101012kV， fL， fH ， fBW =?波特圖波特圖 ？中頻等效電路中頻等效電路解：解：(3) 中頻電壓放大倍數(shù)中頻電壓放大倍數(shù)usmA模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3 已知已知C =4pF， fT =150MHz， =50,， fL， fH ， fBW =?波特圖波特圖 ？解：解：(3) 中頻電壓放大倍數(shù)中頻電壓放大倍數(shù)usmAk6 . 1/ bebirRRk6 . 1,300 ebbbbebbrrrr則則取取8 .72- - - - RRRrrRgAsiibeebLmusmk2 . 3/ LCLRRR模模 擬擬

27、電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3 已知已知C =4pF， fT =150MHz， =50,， fL， fH ， fBW =?波特圖波特圖 ？解：解：(4) 下限截止頻率下限截止頻率usmA022. 0)(11 CRRis Hz101211 fL147. 0)(22 CRRLc Hz11222 fL低頻低頻等效電路等效電路 C1模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3 已知已知C =4pF， fT =150MHz， =50,， fL， fH ， fBW =?波特圖波特圖 ？解：解：(5) 上限截止

28、頻率上限截止頻率 通頻帶通頻帶usmAMHz56. 012 CRfH高頻高頻等效電路等效電路k53. 0)/( bsbbebRRrrRMHz56. 01 - - LHBWfff模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院例例3解：解：(6) 波特圖波特圖 522121106 . 5111101108 .72111fjfjfjfffjffjffjffjffjAAHLLLLusmusf(Hz)f(Hz)dB( |lg20usA1105.6 10537.2-180-2700-20dB/十倍頻程十倍頻程20dB/十倍頻程十倍頻程40dB/十倍頻程十倍頻程模模

29、擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院3.5 共射放大電路的頻率響應的改善與增益帶寬積共射放大電路的頻率響應的改善與增益帶寬積1. 對放大電路頻率響應的要求對放大電路頻率響應的要求要實現(xiàn)不失真（要實現(xiàn)不失真（幅值失真幅值失真與與相位失真相位失真）放大，希）放大，希望望fL要小于信號頻率的最低頻分量，要小于信號頻率的最低頻分量，fH要高于信要高于信號頻率的最高頻分量。號頻率的最高頻分量。2. 放大電路頻率響應的改善放大電路頻率響應的改善為了改善低頻響應，就要減小為了改善低頻響應，就要減小fL（如：采用直接（如：采用直接耦合）；為了改善高頻響應就要增大耦合

30、）；為了改善高頻響應就要增大fH（ fH增大，增大，Ausm必然減小，兩者矛盾）。必然減小，兩者矛盾）。3. 放大電路的增益帶寬積放大電路的增益帶寬積常數(shù)常數(shù) CRrfAfAsbbHusmBWusm )(21模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院*多級放大電路的多級放大電路的頻率響應頻率響應 如果放大器由多級級聯(lián)而成，那么，總增益)()()()()(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)()()()()(121121121jjjjjAjAjAjAjAjAjAjAjAjAknkkunkunuuunkukunuuu 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院多級放大器的上限頻率多級放大器的上限頻率fH 設單級放大器的增益表達式為)(1 )(1)(1 1111222212211HnHHuIuHnuInHuIHuIuHkuIkukffffffAAffjAffjAffjAAffjAA 模模 擬擬 電電 子子 技技 術術中南大學信息科學與工程學院中南大學信息科學與工程學院)arctan()arctan()arctan(21HnHHffffff - 式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|