第五章 放大電路的頻率響應(yīng)

第五章放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體管的高頻等效模型5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.6頻率響應(yīng)與階躍響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性在放大電路中，由于電抗元件及晶體管極間電容的存在，放大倍數(shù)則變成了頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為頻率響應(yīng)。在設(shè)計電路時，必須考慮這一問題，才能根據(jù)需要設(shè)計出合適的電路。5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念由于耦合電容存在，當(dāng)信號頻率低到一定程度時，電容的容抗不可忽略，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，且產(chǎn)生相移。由于三極管極間電容存在，當(dāng)信號頻率高到一定程度時，極間電容將分流，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，且產(chǎn)生相移。對低頻段,由于耦合電容的容抗變大,高頻時1/ωC<<R,可視為短路,低頻段時1/ωC<<R不成立。我們定義:當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)放大倍數(shù)的0.707倍時,即時的頻率稱為下限頻率fL。

對高頻段,由于三極管極間電容或分布電容的容抗較小,低頻段視為開路,高頻段處1/ωC較小,此時考慮極間電容的影響。當(dāng)頻率上升時,容抗減小,使加至放大電路的輸入信號減小,輸出電壓減小,從而使放大倍數(shù)下降。同時也會在輸出電壓與輸入電壓間產(chǎn)生附加相移。同樣我們定義:當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)放大倍數(shù)的0.707倍,即Auh=(1／)Aum時的頻率稱為上限頻率fh。

共射基本放大電路的頻率特性共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)將是一個復(fù)數(shù),即其中幅度Au和相角φ都是頻率的函數(shù),分別稱為放大電路的幅頻特性和相頻特性。我們稱上、下限頻率之差為通頻帶fbw,即fbw=fh-fl

通頻帶的寬度,表征放大電路對不同頻率的輸入信號的響應(yīng)能力,它是放大電路的重要技術(shù)指標(biāo)之一。頻率失真及不失真條件頻率失真我們知道，待放大的信號，如語音信號、電視信號、生物電信號等等，都不是簡單的單頻信號，它們都是由許多不同相位、不同頻率分量組成的復(fù)雜信號，即占有一定的頻譜。如圖所示，若某待放大的信號是由基波(ω1)和二次諧波(2ω1)所組成，由于電抗元件存在使放大器對二次諧波的放大倍數(shù)小于對基波的放大倍數(shù)，那么放大后的信號各頻率分量的大小比例將不同于輸入信號。線性失真和非線性失真線性失真和非線性失真同樣會使輸出信號產(chǎn)生畸變，但兩者有許多不同點：

1.起因不同線性失真由電路中的線性電抗元件引起，非線性失真由電路中的非線性元件引起(如晶體管或場效應(yīng)管的特性曲線的非線性等)。2.結(jié)果不同線性失真只會使各頻率分量信號的比例關(guān)系和時間關(guān)系發(fā)生變化，或濾掉某些頻率分量的信號，但決不產(chǎn)生輸入信號中所沒有的新的頻率分量信號。不失真條件––理想頻率響應(yīng)綜上所述，若放大器對所有不同頻率分量信號的放大倍數(shù)相同，延遲時間也相同，那么就不可能產(chǎn)生頻率失真，故不產(chǎn)生頻率失真的條件為下圖給出了不產(chǎn)生線性失真的振幅頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)，稱之為理想頻率響應(yīng)。理想頻率響應(yīng)(a)理想振幅頻率響應(yīng)；(b)理想相位頻率響應(yīng)實際的放大器幅頻響應(yīng)一、高通電路二、低通電路5.1.3波特圖5.2晶體管的高頻等效模型5.2.1晶體管的混合π模型一、完整的混合π模型混合π型參數(shù)和h參數(shù)之間的關(guān)系二、簡化的混合π型模型Cμ的等效過程令此式表明,從b′、e兩端看進(jìn)去,跨接在b′、c之間的電容Cμ的作用,和一個并聯(lián)在b′、e兩端,其電容值為的電容等效。這就是密勒定理。如圖(c)所示。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)共基極電流放大系數(shù)α的截止頻率fα定義當(dāng)下降為中頻α0的0.707倍時的頻率fα為α的截止頻率。

場效應(yīng)三極管的高頻小信號模型如圖（a）所示。它是在低頻模型的基礎(chǔ)上增加了三個極間電容而構(gòu)成的，其中Cgs、Cgd一般在10pF以內(nèi)，Cds一般不到1pF。為了分析方便，用密勒定理將Cgd折算到輸入和輸出側(cè)。

(a)場效應(yīng)三極管高頻小信號模型(b)單向化高頻小信號模型圖場效應(yīng)三極管高頻小信號模型5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)具體分析時,通常分成三個頻段考慮:(1)中頻段:全部電容均不考慮,耦合電容視為短路,極間電容視為開路。

(2)低頻段:耦合電容的容抗不能忽略,而極間電容視為開路。

(3)高頻段:耦合電容視為短路,而極間電容的容抗不能忽略。這樣求得三個頻段的頻率響應(yīng),然后再進(jìn)行綜合。這樣做的優(yōu)點是,可使分析過程簡單明了,且有助于從物理概念上來理解各個參數(shù)對頻率特性的影響。一、中頻電壓放大倍數(shù)二、低頻電壓放大倍數(shù)三、高頻電壓放大倍數(shù)四、波特圖電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式為：5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。

可以看到，當(dāng)晶體管選定之后，參數(shù)隨之而定，因而增益帶寬積也就大體確定，即增益增大多少倍，帶寬幾乎就要變窄多少倍。5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級放大電路頻率特性的定性分析對于n極放大電路：兩級放大電路中頻電壓增益低頻電壓放大倍數(shù)高頻電壓放大倍數(shù)例：已知某電路的各級均為共射放大電路，其對數(shù)幅頻特性如圖所示。求下限頻率、上限頻率和電壓放大倍數(shù)。

解：（1）低頻段只有一個拐點，說明影響低頻特性的只有一個電容，故電路的下限頻率為10Hz。（2）高頻段只有一個拐點，斜率為-60dB/十倍頻程，電路中應(yīng)有三個電容，為三級放大電路。（3）電壓放大倍數(shù)

例5.5.2,分別求出圖2.4.2(B)所示Q點穩(wěn)定電路中C1,C2,Ce所確定的下限頻率的表達(dá)式及上限頻率的表達(dá)式.將耦合電容和旁路電容短路,將極間電容開路考慮C1,將C2,Ce短路,開路考慮C2,將C1,Ce短路,開路比較C1,C2,Ce所在回路的時間常數(shù),可知,當(dāng)C1=C2=Ce時,fLe>>fL1,fL2,fLe為下限頻率.考慮Ce,將C1,C2短路,開路,見圖d5.6頻率響應(yīng)與階躍響應(yīng)頻率響應(yīng)是描述放大電路對不同頻率正弦信號放大的能力.即在輸入信號幅值不變的情況下改變信號的頻率,來考察輸出信號幅值與相位的變化,這種方法稱為頻域法.可以用階躍函數(shù)作為放大電路的輸入,考察輸出信號前沿和頂部的變化.來研究電路的放大能力,這種方法稱為時域法.5.7.1階躍響應(yīng)的指標(biāo)上升時