第4章 放大電路的頻率響應(yīng)

第四章

放大電路的頻率特性內(nèi)容提要由于放大電路中存在著電抗器件，使放大電路對不同頻率的輸入信號的增益量(幅度及時(shí)延)可能不同。增益量因工作頻率不同而改變的特性稱為放大電路的頻率響應(yīng)特性，簡稱頻率特性。研究的問題：放大電路對輸入信號頻率的適應(yīng)程度，即輸入信號頻率對放大倍數(shù)的影響。內(nèi)容提要頻率特性的分析方法晶體管參數(shù)的頻率特性放大電路的頻率響應(yīng)特性本章包括：幅度失真相位失真第一節(jié)頻率特性概述4.1.1頻率特性的基本概念一、幅度失真和相位失真將放大電路作為一個(gè)信號的線性傳輸系統(tǒng)：：輸入信號的拉式變換：輸出信號的拉式變換：系統(tǒng)傳輸函數(shù)二、幅頻特性和相頻特性4.1.1

頻率特性的基本概念時(shí)，系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)：幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)二、幅頻特性和相頻特性4.1.1

頻率特性的基本概念中頻段低頻段高頻段三、工作頻段、截止頻率和通頻帶4.1.1

頻率特性的基本概念三、工作頻段、截止頻率和通頻帶4.1.1

頻率特性的基本概念低頻段使放大倍數(shù)數(shù)值下降的原因：

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。高頻段使放大倍數(shù)數(shù)值下降的原因：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)信號損失。主要參數(shù)：fL、fH、fbw三、工作頻段、截止頻率和通頻帶4.1.1

頻率特性的基本概念四、放大電路的理想頻率特性放大電路應(yīng)對輸入信號頻譜范圍內(nèi)任何頻率點(diǎn)的信號分量給予同等量的幅度放大和同等量的時(shí)延：放大電路的理想幅頻特性是通頻帶應(yīng)覆蓋輸入信號的頻譜范圍且通頻帶內(nèi)的幅度增益保持為一常數(shù)。放大電路的理想相頻特性是在輸入信號的頻譜范圍內(nèi)相頻特性為線性。4.1.1

頻率特性的基本概念線性失真：包括幅度失真和相位失真。與輸入信號的頻率有關(guān)。非線性失真：由放大器的非線性特性而引起。與輸入信號的相對幅度有關(guān)。四、放大電路的理想頻率特性4.1.1

頻率特性的基本概念4.1.2頻率特性的分析方法一、波特圖即對數(shù)頻率特性，橫坐標(biāo)是頻率f，采用對數(shù)坐標(biāo)。對數(shù)幅頻特性的縱坐標(biāo)是電壓放大倍數(shù)幅值的對數(shù) ，單位是分貝(dB)(dB)0.01-400.1-200.707-310326102010040第一節(jié)頻率特性概述1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)表達(dá)式4.1.2

頻率特性的分析方法二、幾種典型電路的波特圖幅頻特性：4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)二、幾種典型電路的波特圖ωωH一階低通的幅頻響應(yīng)4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)二、幾種典型電路的波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)幅頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)二、幾種典型電路的波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法相頻特性：1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)從而可以用三條直線構(gòu)成的折線來近似表示其對數(shù)相頻特性曲線。二、幾種典型電路的波特圖高頻段產(chǎn)生負(fù)90度滯后相移。4.1.2

頻率特性的分析方法相頻特性：1、一階RC低通網(wǎng)絡(luò)－45o/10倍頻二、幾種典型電路的波特圖頻率響應(yīng)表達(dá)式4.1.2

頻率特性的分析方法2、一階RC高通網(wǎng)絡(luò)二、幾種典型電路的波特圖其模為：高通網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)第一節(jié)頻率特性的分析方法多級2、一階RC高通網(wǎng)絡(luò)20dB/10倍頻二、幾種典型電路的波特圖相角為：相頻特性第一節(jié)：頻率特性的分析方法2、一階RC高通網(wǎng)絡(luò)二、幾種典型電路的波特圖4.1.3多級放大電路的頻率特性第一節(jié)頻率特性概述4.1.3

多級放大電路的頻率特性一、多級放大電路的幅頻和相頻特性多級放大電路的通頻帶窄于每一單級電路的通頻帶，且級聯(lián)的級數(shù)越多，通頻帶就越窄?？捎媒飧唠A代數(shù)方程的方法來嚴(yán)格求解多級放大電路的上、下限截止頻率1.1為修正系數(shù)，以提高公式的近似精度。二、多級放大電路的通頻帶和截止頻率4.1.3

多級放大電路的頻率特性以上兩式適用于各單級放大電路的截止頻率相差不多時(shí)的近似計(jì)算。如果某一級的上截止頻率fHk遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于（相差4倍以上）其它各級的上截止頻率，則可近似認(rèn)為fH≈

fHk；同理，如果某一級的下截止頻率fLk遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于（相差4倍以上）其它各級的下截止頻率，則可近似認(rèn)為fL≈

fLk.二、多級放大電路的通頻帶和截止頻率4.1.3

多級放大電路的頻率特性（2）電路的下限頻率fL≈

Hz，上限頻率fH≈

kHz.（3）電路的電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式已知某放大電路的波特圖如下圖所示，（1）電路的中頻電壓增益=?

60103

1010例1例1例1例2已知某電路的幅頻特性如圖所示，試問：（1）該電路的耦合方式；（2）當(dāng)f＝104Hz時(shí)，附加相移為多少？當(dāng)f＝105時(shí)，附加相移又約為多少？（3）該電路的上截頻約為多少？例2（1）因?yàn)橄孪藿刂诡l率為0，所以電路為直接耦合電路；（2）當(dāng)f＝104Hz時(shí)，Δφ＝－135o；當(dāng)f＝105Hz時(shí)，Δφ≈－270o

。（3）fH1=fH2=fH3，第二節(jié)晶體管結(jié)電容對放大電路高頻特性的影響4.2.1雙極型晶體管的高頻小信號模型一、高頻小信號模型即混合π模型圖中的輸出端短路。共射電流放大系數(shù)的定義為：低、中頻時(shí)可認(rèn)為電容開路，電流

與頻率基本無關(guān)。二、晶體管的頻率參數(shù)4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型低頻值低通因子二、晶體管的頻率參數(shù)而fT>>f,所以

參數(shù)fT表征晶體管的高頻放大能力。特征頻率4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型二、晶體管的頻率參數(shù)管子不再有放大能力。參數(shù)估算4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型二、晶體管的頻率參數(shù)共基截止頻率參數(shù)4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型二、晶體管的頻率參數(shù)在共基極電路中：注意晶體管的混合π模型，其頻率適用的范圍一般在fT/3以內(nèi)。以上各頻率與工作點(diǎn)有一定關(guān)系4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型二、晶體管的頻率參數(shù)當(dāng)20lgβ下降3dB時(shí),頻率f稱為共發(fā)射極接法的截止頻率當(dāng)β=1時(shí)對應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT，且有fT≈β0f4.2.1

雙極型管的高頻小信號模型二、晶體管的頻率參數(shù)4.2.2MOS型場效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管結(jié)電容對放大電路高頻特性的影響+-根據(jù)場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，在襯底與源極短接的情況下，其模型如下：4.2.2MOS型場效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管結(jié)電容對放大電路高頻特性的影響高頻時(shí)，由于電容的存在，柵極電流不再為0。仿照雙極型晶體管也可定義特征頻率：略去中間過程后：分析可知，溝道長度越短，管子的高頻放大能力就會越強(qiáng)。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性從該圖中可以解出電壓傳輸函數(shù)，但是結(jié)果非常復(fù)雜。4.3.1單管共射放大電路的高頻特性高頻模型4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性一、共射放大電路的單向化等效電路網(wǎng)絡(luò)的一種等效變換關(guān)系，可以將跨接在網(wǎng)絡(luò)輸入端與輸出端之間的阻抗分別等效為并接到輸入端與輸出端的阻抗。密勒等效定理4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性密勒等效定理的變換方法4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性密勒等效定理一、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性可用中頻增益近似,則一、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性一、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性一、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性特征頻率4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性參數(shù)的估算二、單管共射放大電路的高頻特性4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性利用戴維寧定理變換，得下圖高頻源電壓增益為4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性二、單管共射放大電路的高頻特性中頻源電壓增益為4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性電路的上限截止頻率為共射電路的高頻放大特性通常主要取決于其輸入回路二、單管共射放大電路的高頻特性4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性二、單管共射放大電路的高頻特性使上截頻嚴(yán)重下降為提高上限截止頻率，應(yīng)采取以下措施：2、減小信號源內(nèi)阻RS，即共射放大電路應(yīng)盡可能用電壓源激勵(lì).對數(shù)幅頻特性和相頻特性中頻反相4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性二、單管共射放大電路的高頻特性高頻響應(yīng)的波特圖4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性二、單管共射放大電路的高頻特性在電路參數(shù)及晶體管都選定后，基本上是個(gè)常數(shù)，因而要提高增益，其帶寬就要下降.4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性三、增益帶寬積4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性一、共基電路的高頻特性4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性將電流源分別等效到輸入、輸出回路中。輸入回路的電流源可等效為一純電阻4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性由于輸入回路電容較共射電路要小(電容不存在密勒效應(yīng)），且共基回路的輸入電阻也相對較小，故共基電路的輸入回路時(shí)間常數(shù)會遠(yuǎn)小于共射電路因此共基電路電壓增益的上截止頻率要高于相同工作條件下的共射電路。4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性忽略后共基放大電路電壓增益的上限截止頻率主要由輸出回路決定。對的影響程度與的大小有關(guān)；為了擴(kuò)展頻帶，除選用高的管子外，共基極電路宜于恒流激勵(lì)，而且不宜過大。減小增大，雖可提高，但中頻增益將會下降。4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性一、共基電路的高頻特性4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性二、共集電路的高頻特性結(jié)電容跨接于輸入、輸出端之間，故可根據(jù)密勒定理來分析其影響。由于共集電路的電壓跟隨特性，的密勒效應(yīng)較小，電路的上限截止頻率相應(yīng)會較高，高于相同條件下的共射放大電路。由近似分析可知，用減小信號源內(nèi)阻，選基區(qū)體電阻較小的管子，增大負(fù)載電阻的方法可以提高共集電路的源電壓增益上限截止頻率。4.3.2共基和共集放大電路的高頻特性二、共集電路的高頻特性當(dāng)信號源頻率較低時(shí)，耦合電容、旁路電容的阻抗增加，從而使得增益的模值減小，相移增大。分析可知，欲降低放大電路的下截止頻率，應(yīng)增加耦合電容的容量，增大放大電路的輸入電阻和負(fù)載電阻。直接耦合電路的下截頻為零頻。4.3.3放大電路的低頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性例題一解：C1、C2、Ce影響低頻特性，每個(gè)電容產(chǎn)生一個(gè)高通環(huán)節(jié)。利用時(shí)間常數(shù)法，C1、C2、

Ce中考慮一個(gè)電容時(shí)，可將其余兩個(gè)短路。C1所在回路的等效電路從C1看進(jìn)的等效電阻為：C2所在回路的等效電路從C2看進(jìn)的等效電阻為：Ce所在回路的等效電路從Ce看進(jìn)的等效電阻為：為改善低頻特性，Ce取值要遠(yuǎn)大于C1、C2

。fHfLefL2fL120--80--60--40--ff-270--0---90---180--fHfLefL2fL190--10fLe0.1fH10fH第四節(jié)場效應(yīng)管共源放大電路的頻率特性襯源短路時(shí)的MOS管的高頻等效模型第四節(jié)場效應(yīng)管共源放大電路的頻率特性在的容抗遠(yuǎn)大于時(shí)，可近似認(rèn)為負(fù)載為純電阻，從而可進(jìn)行密勒等效。第四節(jié)場效應(yīng)管共源放大電路的頻率特性可分別求出輸入輸出回路的上截頻并用下式求解電路的實(shí)際上截頻。第四節(jié)場效應(yīng)管共源放大電路的頻率特性電路如圖所示。已知：晶體管的、、Cb'c均相等，所有電容的容量均相等，靜態(tài)時(shí)所有電路中晶體管的發(fā)射極電流IEQ均相等。定性分析各電路，回答問題。

（1）低頻特性最差即下限頻率最高的電路是

;（2）低頻特性最好即下限頻率最低的電路是

;（3）高頻特性最差即上限頻率最低的電路是

;acc在下圖電路