浙江大學(xué)模擬電路2篇5章放大電路頻率響應(yīng)(新)

第5章放大電路的頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性分析前面所討論的放大器還沒有涉及對信號頻率的響應(yīng)問題。放大信號的頻率不高也不低，鎖定在中頻范圍。耦合電容如C1、C250uF耦合電容交流短路Cj

10pF結(jié)電容交流開路結(jié)電容如果信號頻率很高或很低，就應(yīng)考慮電容的影響2.5.1頻率響應(yīng)概述當(dāng)放大電路的信號頻率很低或很高時，由于電路中存在的電抗元件以及晶體管的結(jié)電容和極間電容的影響，放大電路的電壓放大倍數(shù)在低頻段或高頻段都要降低，只有在中頻段范圍內(nèi)放大倍數(shù)為常數(shù)。即放大電路的電壓放大倍數(shù)與信號頻率有關(guān)。

一、通頻帶和頻率失真在整個頻帶內(nèi)，放大器電壓增益的復(fù)函數(shù)為：幅頻特性相頻特性通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力越強。如對于擴音機電路，其通頻帶應(yīng)大于音頻范圍(20Hz~20kHz)。上限頻率：fH下限頻率：fL通頻帶：放大電路的頻率響應(yīng)特性（-3dB頻率）在實際應(yīng)用中，放大器的輸入信號不是單一頻率的信號，而是包含多種頻率成分，可以表示為：經(jīng)放大后的輸出電壓為：附加相移下的電壓增益為了實現(xiàn)高保真的放大，必須做到常數(shù)和當(dāng)增益不是常數(shù)時，稱幅頻失真附加相移不相同時，稱相頻失真兩者都是線性失真，有時總稱頻率失真。注意與晶體管非線性特性引起的飽和和截止失真不同。二、一階RC電路的頻響特性分析一階RC低通濾波電路(積分電路)輸出電壓和輸入電壓傳輸比為:高頻上限頻率寫成幅模型式:對數(shù)幅頻特性：相頻特性：可畫出RC低通濾波器的頻率特性曲線圖：一階RC高通濾波電路(微分電路)輸出電壓和輸入電壓傳輸比為:低頻下限頻率寫成幅模型式:對數(shù)幅頻特性相頻特性2.5.2三極管的高頻小信號模型發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)電容由擴散電容決定(達(dá)一百皮法左右)；集電結(jié)反偏，結(jié)電容由勢壘電容決定(幾個皮法)。物理模型忽略rc、re（為集電區(qū)和發(fā)射區(qū)的體電阻，很?。┗旌夕心Ｐ蛯姌O電流沒有貢獻；

才能影響集電極電流的大小。rbb’代表基區(qū)體電阻，為發(fā)射結(jié)動態(tài)電阻在基極回路中的折合值為受控電流源，與低頻模型中的相對應(yīng)。簡化的混合π模型密勒定理單向化處理忽略rbc、rce單向化處理：為中頻時的電壓放大倍數(shù)，為負(fù)值高頻小信號模型同理輸出回路時間常數(shù)輸入回路時間常數(shù)高頻特性主要決定于小的這個截止頻率f1f2f為管子降為1時對應(yīng)的頻率，特征頻率手冊一般給出，，可求出二、場效應(yīng)管的高頻小信號模型單向化簡化高頻等效模型簡化模型2.5.3放大電路的分頻段分析法全頻段

等效電路C通常為10~100μF，Ci

通常為10~100pF分頻段分析法

中頻段：

C容抗很小，交流短路；

Ci

容抗很大，交流開路。

低頻段：

C容抗增大，不能忽略；

Ci

容抗更大，交流開路。

高頻段：

C

容抗更小，交流短路；

Ci

容抗減小，不能忽略。中頻段電壓放大倍數(shù)與以前所求的低頻（實為音頻）電壓放大倍數(shù)是一致的。低頻段電壓放大倍數(shù)設(shè)則高頻段電壓放大倍數(shù)設(shè)則將Ci以左部分用戴維南定理簡化共射放大電路的全頻段電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式：在中頻段，因fH

>>f>>fL，上式近似為在高頻段，因f>>fL，上式近似為

在低頻段，因f<<fH，上式近似為多級放大電路電壓放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)表達(dá)式：低頻轉(zhuǎn)折頻率和高頻轉(zhuǎn)折頻率的個數(shù)由放大電路中的電容個數(shù)所決定，其數(shù)值則與電容所在回路的時間常數(shù)相關(guān)。頻率響應(yīng)的BODE圖表示橫坐標(biāo)采用對數(shù)頻率刻度對數(shù)幅頻特性曲線縱坐標(biāo)用分貝表示；對數(shù)相頻特性曲線縱坐標(biāo)表示相角。好處：把很寬的頻率變化范圍壓縮在較窄的頻率坐標(biāo)以內(nèi)。增益的乘、除運算變成了坐標(biāo)的加、減運算。采用漸近折線代替繪制十分麻煩的頻率特性曲線。1.

高頻段波特圖的繪制頻率特性表達(dá)式：對數(shù)幅頻特性表達(dá)式：對數(shù)相頻特性表達(dá)式：=-arctan最大誤差在f＝fH處(誤差3dB)。最大誤差在f＝0.1fH處(誤差+5.71°)及在f=10fH處(誤差為-5.71°)。2.

低頻段波特圖的繪制頻率特性表達(dá)式：對數(shù)幅頻特性表達(dá)式：對數(shù)相頻特性表達(dá)式：=90-arctan最大誤差在f＝

fL處(誤差3dB)。最大誤差在f＝0.1fL處(誤差+5.71°)及在f=10fL處(誤差為-5.71°)。【例】已知一放大電路的頻率響應(yīng)為

分別寫出其對數(shù)幅頻特性和相頻特性的表達(dá)式，并畫出相應(yīng)的波特圖。解：其對數(shù)幅頻特性表達(dá)式為：其對數(shù)相頻特性表達(dá)式為：上限頻率下限頻率帶寬2.5.4

多級放大電路和集成運放的頻率響應(yīng)一、多級放大電路的頻響特性多級放大電路中，每級放大電路均可能存在耦合電容、旁路電容和晶體管的極間電容，因而其頻率響應(yīng)相應(yīng)地存在多個低頻和高頻轉(zhuǎn)折頻率。低頻轉(zhuǎn)折頻率的個數(shù)由放大電路中的耦合電容和旁路電容個數(shù)所決定，高頻轉(zhuǎn)折頻率的個數(shù)由放大電路中的極間電容個數(shù)所決定。其數(shù)值則取決于各電容所在回路的時間常數(shù)。如用兩級頻率特性相同的共射放大器組成多級時，則：【例】

已知一多級放大電路的頻率響應(yīng)為試畫出它的波特圖，并求出它的上限頻率。解：上限頻率為：

fH100KHz二、集成運放的頻率特性由于它是直耦、高增益的多級放大器，所以其上限頻率很低，開環(huán)時通常為幾十Hz。運放典型頻率特性單位增益帶寬-3dB帶寬放大電路的計算機輔助分析舉例【例】多級放大電路如圖所示，vi為5mV(幅值)的正弦交流電壓，設(shè)晶體管Q2N3904的模型參數(shù)為β=132，試用PSPICE程序仿真分析下列項目：

(1)研究放大電路各點的波形，及輸入輸出電壓的相位關(guān)系；

(2)電壓增益的幅頻特性和相頻特性；

(3)當(dāng)頻率從10Hz變化到100MHz時，繪制輸入阻抗的幅頻特性；

(4)當(dāng)頻率從10Hz變化到100MHz時，繪制輸出阻抗的幅頻特性。

(5)現(xiàn)有一個100μF的電容，替換電路中的哪個電容可以明顯地改善電路的低頻特性？解：(1)研究各點波形，輸入輸出電壓相位關(guān)系瞬態(tài)分析(Transient)可以查看電路中各點的波形。交流分析(ACSweep)

可以查看頻率特性。(2)電壓增益的幅頻特性和相頻特性下限頻率fL為744Hz，上限頻率fH為10MHz；中頻段的電壓放大倍數(shù)為128.8，即42.2dB。(3)輸入阻抗的幅頻特性中頻段時輸入電阻約為2.4kΩ。(4)求輸出電阻等效電路中頻段時輸出電阻為22Ω。輸出電阻的幅頻特性(5)當(dāng)Ce從10μF改為100μF電容后，下限頻率fL為79Hz，比原來的下限頻率有明顯的降低。為什么耦合電容C1、C2等常取十幾或幾十微法，而旁路電容Ce則取上百微法？因為與C1、C2和C3所在回路的等效電阻相比，Ce所在回路的等效電阻要小得多，因此需要較大的電容值，才能使它們所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)折頻率在數(shù)量級相當(dāng)。一、產(chǎn)生自激的原因和條件以同相比例運算電路為例，設(shè)基本放大器具有三個極點頻率。先可畫出開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性曲線。2.5.5

負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性自激振蕩是指沒有輸入信號(vi=0)時，放大電路也有輸出(vo≠0)。通?？捎檬静ㄆ饔^察到輸出振蕩波形，這時放大器的閉環(huán)增益趨于無窮大。在通頻帶內(nèi)為負(fù)反饋通頻帶外轉(zhuǎn)變?yōu)檎答伄a(chǎn)生自激振蕩的條件若=0，則

，說明在沒有輸

入的條件下，放大器也有輸出，此時放大器產(chǎn)生了自激振蕩。產(chǎn)生自激振蕩的條件為幅值平衡條件相位平衡條件只有同時滿足這兩個條件，電路才會產(chǎn)生自激振蕩。但剛起振時，要求＞1，才能使振蕩幅度不斷增大，直到滿足幅值平衡條件。某閉環(huán)放大電路如圖所示，在中頻段接成負(fù)反饋，如果在輸入信號為零時，由于某種電擾動（如合閘通電），其中含有頻率為f0的信號，使通過回路增益后產(chǎn)生附加相移，則對頻率f0，電路由負(fù)反饋變成了正反饋，若又滿足，則產(chǎn)生輸出，電路產(chǎn)生了自激振蕩，且的幅度不斷增大，由于半導(dǎo)體器件的非線性特性，輸出幅度增大后，會降下來，最終達(dá)到動態(tài)平衡，，這時，此時輸入信號雖然為零，輸入端即反饋信號可作為輸入信號維持著輸出信號，而輸出信號又維持著反饋信號，電路產(chǎn)生穩(wěn)定的自激振蕩。+自激振蕩的產(chǎn)生+_負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定工作(不產(chǎn)生自激振蕩)的條件(即穩(wěn)定判據(jù))是：當(dāng)時，；或當(dāng)時，<1。通常利用環(huán)路增益的波特圖來判別負(fù)反饋放大電路是否會產(chǎn)生自激振蕩。穩(wěn)定判據(jù)二、穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度在相位條件滿足時看幅度條件：在幅度條件滿足時看相位條件：該電路產(chǎn)生自激振蕩。當(dāng)時，同樣也可以判斷該電路會產(chǎn)生自激振蕩。當(dāng)時，該電路不會產(chǎn)生自激振蕩。在相位條件滿足時看幅度條件：在幅度條件滿足時看相位條件：當(dāng)時，當(dāng)時，增益裕度Gm相位裕度m穩(wěn)定裕度當(dāng)電路的附加相移滿足（相位平衡條件）時，其對應(yīng)的環(huán)路增益即為增益裕度Gm。設(shè)dB時所對應(yīng)的頻率為fG

,則相位裕度為工程上要求Gm≤-10dB，m≥45。穩(wěn)定不穩(wěn)定某負(fù)反饋放大電路的開環(huán)幅頻和相頻特性曲線如圖所示。設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，試分析為防止產(chǎn)生自

激振蕩，｜｜

必須小于多少?【例

】解：作臨界自激線。時

不會產(chǎn)生自激。應(yīng)小于0.001。臨界自