電子電路基礎9-放大電路的頻率響應

1、蔡竟業(yè) 第九章 放大電路的頻率響應蔡竟業(yè) 第九章 放大電路的頻率響應9.1 9.1 頻率響應概述（模電頻率響應概述（模電5.1 5.1 ）9.2 9.2 晶體管、場效應管的高頻等效電路晶體管、場效應管的高頻等效電路（模電（模電5.25.2、 5.3) 5.3) 9.3 9.3 放大電路的頻率響應（模電放大電路的頻率響應（模電5.45.4、5.55.5）9.4 9.4 負反饋放大電路的頻率特性（模電負反饋放大電路的頻率特性（模電 6.5.3 6.5.3、 6.6 ) 6.6 ) 蔡竟業(yè) 9.1 9.1 頻率響應概述一、本節(jié)要研究的問題一、本節(jié)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

2、路三、放大電路中的頻率參數三、放大電路中的頻率參數蔡竟業(yè) 一、研究的問題 放大電路對信號頻率的適應程度，即信放大電路對信號頻率的適應程度，即信號頻率對放大倍數的影響。號頻率對放大倍數的影響。 由于放大電路中耦合電容、旁路電容、由于放大電路中耦合電容、旁路電容、半導體器件極間電容的存在，使放大倍數為半導體器件極間電容的存在，使放大倍數為頻率的函數頻率的函數。 在使用一個放大電路時應了解其信號頻在使用一個放大電路時應了解其信號頻率的適用范圍，在設計放大電路時，應滿足率的適用范圍，在設計放大電路時，應滿足信號頻率的范圍要求信號頻率的范圍要求-通頻帶通頻帶。 負反饋放大器的頻率特性：負反饋放大器的頻率

3、特性：1、引入負反、引入負反饋后帶寬的饋后帶寬的變化變化，2、電路的、電路的穩(wěn)定性穩(wěn)定性分析。分析。蔡竟業(yè) 二、高通電路和低通電路。超前，時；，當超前900 0 iooioUUUfUUUi.I.2. 低通電路:信號頻率信號頻率越低越低，輸出電壓越接近輸入電壓。，輸出電壓越接近輸入電壓。Ui.Uo.I.。滯后，時；，當滯后900 iooioUUUfUU 使輸出電壓幅值下降到使輸出電壓幅值下降到70.7%，相位為，相位為45的信號頻率為的信號頻率為截止頻率，又稱為截止頻率，又稱為3dB轉折點頻率轉折點頻率。Ui.Uo.I.1. 高通電路:信號頻率信號頻率越高越高，輸出電壓越接近輸入電壓。，輸出電壓

4、越接近輸入電壓。蔡竟業(yè) 三、放大電路中的頻率參數 在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。高通高通電路電路低通低通電路電路 在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。損失，放大能力下降。下限頻率下限頻率上限頻率上限頻率LHbwfff結電容結電容蔡竟業(yè) 四、波特圖 為了在同一個坐

5、標系下對比大范圍變化的放大倍數和很寬的頻率響應范圍，將前頻率響應改用對數坐標即所謂的“波特圖”，它也包含幅頻特性和相頻特性兩個部分。 幅頻特性改用波特圖后將級聯放大器增益的“乘/除”運算變?yōu)榱恕凹?減”運算！且?guī)馑p特性暗含了“濾波”特性的階數N，20N/十倍頻程蔡竟業(yè) 9.2 晶體管、場效應管的高頻等效電路 -考慮結電容的影響一、混合一、混合 模型模型二、電流放大倍數的頻率響應二、電流放大倍數的頻率響應三、晶體管的頻率參數三、晶體管的頻率參數四、場效應管的高頻等效四、場效應管的高頻等效模型模型蔡竟業(yè) 1. 模型的建立：由結構而建立，形狀像由結構而建立，形狀像，參數量綱各不相同。，參數量綱各

6、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、混合模型蔡竟業(yè) 2. 混合模型的單向化（使信號單向傳遞）（使信號單向傳遞）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蔡竟業(yè) 3. 晶體管簡化的高頻等效電路EQT0ebbb)1 (CCCIUrCr可從手冊查得、TEQeb0mebbmebmb0 UIrgrIgUgI？如何得到模型中的參數？為什么不考慮 C？蔡竟業(yè) 二、電流放大倍

7、數的頻率響應CEbc UIILm 0CCCRgk所以，因為)( 21j1 )( j1 eb0ebebebmCCrfffCCrUUg為什么短路？為什么短路？1. 適于頻率從0至無窮大的表達式蔡竟業(yè) 2. 電流放大倍數的頻率特性曲線ffffff1200tg )(1j1 0000 0 0.707 -452 0 -90fffffffff 時，；時，；時，；時，o蔡竟業(yè) 3. 電流放大倍數的波特圖: 采用對數坐標系采用對數坐標系71. 5， lg20 采用對數坐標系，橫軸為采用對數坐標系，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 “ ” “

8、 ” 。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蔡竟業(yè) 三、晶體管的頻率參數 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得出的結論：通過以上分析得出的結論： 低頻段和高頻段放大倍數的表達式；低頻段和高頻段放大倍數的表達式； 截止頻率與時間常數的關系；截止頻率與時間常數的關系； 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。手冊手冊查得查得蔡竟業(yè) 四、場效應管的高頻等效四

9、、場效應管的高頻等效模型模型參見書中參見書中p230-231，自學，自學自學要點：注意與三極管的自學要點：注意與三極管的區(qū)別與不同區(qū)別與不同。蔡竟業(yè) 討論1. 若干個放大電路的放大倍數分別為若干個放大電路的放大倍數分別為1、10、102、103、104、105，它們的增益分別為多少？，它們的增益分別為多少？2. 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，采用對數坐標后，最高頻單位長度不變的情況下，采用對數坐標后，最高頻率是原來的多少倍？率是原來的多少倍？102030405060Of10102103104105106lg f蔡竟業(yè)

10、9.39.3 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蔡竟業(yè) 一、單管共射放大電路的頻率響應適用于信號頻率從適用于信號頻率從0的的交流等效電路交流等效電路中頻段：中頻段：C 短路，短路， 開路。開路。CC低頻段：考慮低頻段：考慮C 的影響，的影響， 開路。開路。高頻段：考慮高頻段：考慮 的影響，的影響，C 開路。開路。C蔡竟業(yè) 1. 中頻電壓放大倍數eboiebsisosmUUUUUUUUAu)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu帶負載時：帶負載時：)( cmbeebisismoRgrrRRR

11、Au空載時：空載時：蔡竟業(yè) 2. 低頻電壓放大倍數: :定性分析定性分析0U.ooU.oI.o。超前，時，當超前900 0 oooooooUUUfUU)(cmbeebisismoRgrrRRRAuAu.Ui.Uoo.Uo.CRLsURs蔡竟業(yè) 2. 低頻電壓放大倍數：定量分析：定量分析 j1LcLsmoooosoososlRCRRAUUUUUUAuuCRRARRRRRCRRAAuuu)(j11j1LcsmLcLcLcLsmosl)(cmbeebisismoRgrrRRRAu)(21 j1) j ()(j1LcLLLsmLsmslRRfffffAffAAuuuC所在回路的時間常數？所在回路的時間

12、常數？Au.Ui.Uoo.Uo.CRLsURs蔡竟業(yè) 2. 低頻電壓放大倍數：低頻段頻率響應分析：低頻段頻率響應分析)arctan90(180 )(11lg20lg20lg20L2LsmslffffAAuuCRRfffffAAuu)( 21 j1)j ( LcLLLsmsl135 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/十倍頻十倍頻蔡竟業(yè) 3. 高頻電壓放大倍數：定性分析：定性分析0U.CIs.U.s。滯后，時，當，滯后)90(0 ssUUUfUU

13、CCC)(sbbbebbeebisiiebsissRRrrRrrRRRUUUUUU，Au.Uo.RLsURbe蔡竟業(yè) )(sbbbebRRrrR3. 高頻電壓放大倍數：定量分析：定量分析 )( 21 21 j1sbbbebHHsmsoshCRRrrRCfffAUUAuu)( j1 j1 LmbeebisiCosCsssoshRgCRCrrRRRUUUUUUUUAu蔡竟業(yè) 3. 高頻電壓放大倍數：高頻段頻率響應分析：高頻段頻率響應分析 )( 21 j1sbbbebHHsmsoshCRRrrfffAUUAuu-225 dB3lg20 shH，下下降降時時，uAffH2Hmsharctan180 )

14、(1lg20lg20lg20ffffAAuu；下降倍，每增大時，dB20lg20 10 shHuAfff。，時，-270 0 shuAf；時時，smshHlg20lg20 uuAAff蔡竟業(yè) 4. 電壓放大倍數的波特圖 )j1)( j1 ()j1)(j1 ()j (HLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全頻段放大倍數表達式：全頻段放大倍數表達式：蔡竟業(yè) 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mLmHLmuARgfCRg)( LcmbeebisismRRgrr

15、RRRAu矛盾矛盾 當提高增益時，當提高增益時，帶寬將變窄；反帶寬將變窄；反之，增益降低，之，增益降低，帶寬將變寬。帶寬將變寬。蔡竟業(yè) 5. 帶寬增益積：定量分析：定量分析 )( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCC)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu若若rbeRb、 Rs fL1， fH fH1，頻帶變窄！，頻帶變窄！蔡竟業(yè) 2. 多級放大電路的頻率響應與各級的關系 ), 2 , 1( bwbwHHLLnkffffffkkknkknkkf.ff.f12HH12LL1111 11 對于對于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

16、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nkknkukuAA11 lg20lg20由于由于求解使增益下降求解使增益下降3dB的頻的頻率，經修正，可得率，經修正，可得1.1為修正系數為修正系數蔡竟業(yè) 討論一 1. 信號頻率為信號頻率為0時電壓放大倍數的表達式？時電壓放大倍數的表達式？ 2. 若所有的電容容量都相同，則下限頻率等于多少？若所有的電容容量都相同，則下限頻率等于多少？蔡竟業(yè) 時間常數分析：所確定的截止頻率。、分別考慮e21CCCC1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRR

17、RrRCC)RRRr(rb2b1sbbebC2、Ce短路，短路， 開路，求出開路，求出CC1、Ce短路，短路， 開路，求出開路，求出CC1、C2短路，短路， 開路，求出開路，求出CC1、 C2、 Ce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、2無本質區(qū)別無本質區(qū)別蔡竟業(yè) 清華大學 華成英 討論二1. 該放大電路為幾級放大電路該放大電路為幾級放大電路?2. 耦合方式耦合方式?3. 在在 f 104Hz 時，增益下降多少？附加相移時，增益下降多少？附加相移？4. 在在 f 105Hz 時，附加相移時，附加相移？5. 畫出相頻特性曲線；畫出相頻特性曲線；6. fH？?uA 已知

18、某放大電路的幅頻特性已知某放大電路的幅頻特性如圖所示，討論下列問題：如圖所示，討論下列問題：課堂練習課堂練習蔡竟業(yè) 作業(yè)（模電254-257）：5.1 5.2 5.10 5.13蔡竟業(yè) 9.49.4 負反饋放大電路的頻率特性一、展寬頻帶一、展寬頻帶二、自激振蕩產生的原因及條件二、自激振蕩產生的原因及條件三、負反饋放大電路穩(wěn)定性的分析三、負反饋放大電路穩(wěn)定性的分析四、負反饋放大電路穩(wěn)定性的判斷四、負反饋放大電路穩(wěn)定性的判斷五、消除自激振蕩的方法五、消除自激振蕩的方法蔡竟業(yè) 一、展寬頻帶：設反饋網絡是純電阻網絡設反饋網絡是純電阻網絡Alg20fHmHLmLfj1 j11ffAAffAAFAAAO引

19、入負反饋后的幅頻特性引入負反饋后的幅頻特性bwbwfLLfHHf)1 (1)1 (fAFfAFfffAFf可推導出引入負反饋后可推導出引入負反饋后的截止頻率、通頻帶的截止頻率、通頻帶fLfHFA1lg20fLffHf蔡竟業(yè) 二、自激振蕩產生的原因及條件1. 現象：輸入信號為：輸入信號為0 0時，輸出有一定幅值、一時，輸出有一定幅值、一定頻率的信號，稱電路產生了自激振蕩。定頻率的信號，稱電路產生了自激振蕩。負反饋放大電路自激振蕩的頻率在低頻段或高頻段。負反饋放大電路自激振蕩的頻率在低頻段或高頻段。低頻干低頻干擾或產擾或產生了輕生了輕微低頻微低頻振蕩振蕩高頻干高頻干擾或產擾或產生了輕生了輕微高頻微

20、高頻振蕩振蕩實驗波實驗波形形蔡竟業(yè) oifo XXXX 在電擾動下，如合閘通電，必含有頻率為在電擾動下，如合閘通電，必含有頻率為f0的信號，對于的信號，對于f = f0 的信號，產生的信號，產生正反饋過程正反饋過程 輸出量逐漸增大，直至達到動態(tài)平衡，電路產生了輸出量逐漸增大，直至達到動態(tài)平衡，電路產生了自激振蕩自激振蕩。2. 原因fiiXXX 在低頻段或高頻段，若存在在低頻段或高頻段，若存在一個頻率一個頻率f0，且當且當 f f0 時時附加相移為附加相移為，則則蔡竟業(yè) ooi 0XXX維持時，ooXFAX1FA3. 自激振蕩的條件1FA)( ) 12(1FA為整數nnFA 由于電路通電后輸出量

21、有一個從小到大直至穩(wěn)幅的過程，起振條件為由于電路通電后輸出量有一個從小到大直至穩(wěn)幅的過程，起振條件為幅值平衡條件幅值平衡條件相位平衡條件相位平衡條件蔡竟業(yè) 三、負反饋放大電路穩(wěn)定性的分析附加相移由放大電路決定附加相移由放大電路決定;振蕩只可能產生在高頻段。振蕩只可能產生在高頻段。090AAf，時，設反饋網絡為電阻網絡，放大電路為直接耦合形式。設反饋網絡為電阻網絡，放大電路為直接耦合形式。因沒有滿足相位條件的頻率，故引入負反饋后不可能振蕩。因沒有滿足相位條件的頻率，故引入負反饋后不可能振蕩。0180AAf，時，因沒有滿足幅值條件的頻率，故引入負反饋后不可能振蕩。因沒有滿足幅值條件的頻率，故引入負

22、反饋后不可能振蕩。0270AAf，時，對于產生對于產生180附加相移的信號頻率，有可能滿足起振條件，故引入負反饋后可能附加相移的信號頻率，有可能滿足起振條件，故引入負反饋后可能振蕩。振蕩。對于單管放大電路對于單管放大電路:對于兩級放大電路對于兩級放大電路:對于三級放大電路對于三級放大電路:蔡竟業(yè) 什么樣的放大電路引入負反饋后容易產生自激振蕩？ 三級或三級以上放大電路引入負反饋后有可能三級或三級以上放大電路引入負反饋后有可能產生高頻振蕩；同理，耦合電容、旁路電容等為三產生高頻振蕩；同理，耦合電容、旁路電容等為三個或三個以上的放大電路，引入負反饋后有可能產個或三個以上的放大電路，引入負反饋后有可能

23、產生低頻振蕩。生低頻振蕩。 放大電路的級數越多，耦合電容、旁路電放大電路的級數越多，耦合電容、旁路電容越多，引入的負反饋越深，產生自激振蕩容越多，引入的負反饋越深，產生自激振蕩的可能性越大。的可能性越大。 環(huán)路放大倍數環(huán)路放大倍數AF越大，越容易滿足起振條件，閉越大，越容易滿足起振條件，閉環(huán)后越容易產生自激振蕩。環(huán)后越容易產生自激振蕩。蔡竟業(yè) 四、負反饋放大電路穩(wěn)定性的判斷已知環(huán)路增益的頻率特性來判斷閉環(huán)后電路的穩(wěn)定性。已知環(huán)路增益的頻率特性來判斷閉環(huán)后電路的穩(wěn)定性。使環(huán)路增益下降到使環(huán)路增益下降到0dB的頻率，記作的頻率，記作fc；使使AF(2n1) 的頻率，記作的頻率，記作f0。fcf0f

24、cf0蔡竟業(yè) 穩(wěn)定性的判斷fcf0滿足起滿足起振條件振條件電路不穩(wěn)定電路不穩(wěn)定電路穩(wěn)定電路穩(wěn)定 f0 fc，電路不穩(wěn)定，可能會產生自激振蕩；，電路不穩(wěn)定，可能會產生自激振蕩； f0 fc，電，電路穩(wěn)定，不會產生自激振蕩。路穩(wěn)定，不會產生自激振蕩。fcf0Gm幅值裕幅值裕度度m相位裕度相位裕度電路穩(wěn)定電路穩(wěn)定當當Gm10dB且且m45，才具有可靠的，才具有可靠的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。不滿足不滿足起振條件起振條件蔡竟業(yè) 五、消除自激振蕩的方法1. 簡單滯后補償)j(1)j(1)j(1H3H2H1mmffffffFAFA常用的方法為滯后補償方法。常用的方法為滯后補償方法。設放大電路為直接耦合方式，反饋網絡為電阻網絡。設放大電路為直接耦合方式，反饋網絡為電阻網絡。20dB/十倍頻40dB/十倍頻60dB/十倍頻fH1fH2fH3fO20lgAF. 在在最低的上限頻率所