放大器的頻率響應

模擬電子技術基礎夏煒煒揚州大學物理科學與技術學院E-mail：wwxia@第四章放大器的頻率響應本章節(jié)將介紹電子線路頻率響應的概念，以及放大器上、下截止頻率和通頻帶的關系，介紹頻率響應波特圖的畫法。并用晶體管混合π參數(shù)等效模型分析晶體管的高頻特性。要求：掌握放大電路頻率特性的相關概念；會計算只含一個時間常數(shù)時電路的fL和fH；能畫出近似波特圖；理解增益帶寬積的概念；定性了解多級放大電路頻帶寬度與單級的關系問題提出：由于放大電路中存在電抗元件（如管子的極間電容，電路的負載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等），當信號頻率較高或較低時，不但放大倍數(shù)會變小，而且會產(chǎn)生超前或滯后的相移，使得放大電路對不同頻率信號分量的放大倍數(shù)和相移都不同。4.1頻率響應的一般概念幅度失真：放大電路對不同頻率信號的幅值放大不同;二次諧波基波輸入信號輸出信號二次諧波基波幅度失真相位失真：放大電路對不同頻率信號產(chǎn)生的相移不同；幅度失真和相位失真總稱為線性失真或頻率失真。二次諧波基波輸入信號輸出信號二次諧波基波相位失真2.三極管的()是頻率的函數(shù)。在研究線性特性時，三極管的低頻小信號模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因素，研究頻響實際上是研究電抗元件對放大器放大倍數(shù)的影響。當f低時，主要是耦合電容、旁路電容起作用.當f高時，主要是PN結電容起作用。1.放大電路中存在電抗性元件。例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、PN結電容、分布電感等;產(chǎn)生線性失真的原因是:線性失真與非線性失真線性失真和非線性失真同樣都是使輸出信號產(chǎn)生畸變，但兩者有本質區(qū)別。具體體現(xiàn)在以下兩點：

起因不同：線性失真是由電路中的線性電抗元件對不同信號頻率的響應不同而引起(也稱頻率失真)，非線性失真由電路中非線性元件的非線性特性（如BJT、FET的特性曲線等）引起的。

2.結果不同：線性失真只會使各頻率分量信號的比例關系和時間關系發(fā)生變化，或濾掉某些頻率分量信號。但非線失真，會將正弦波變?yōu)榉钦也?，它不僅包含輸入信號的頻率成分，而且還產(chǎn)生許多新的諧波成分。放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率的關系。頻率響應(頻率特性)：電壓放大倍數(shù)的幅值與頻率f

的函數(shù)關系，稱為幅頻響應

放大倍數(shù)的相位與頻率f的函數(shù)關系稱為相頻響應

波特圖在研究放大電路的頻率響應時，由于信號的頻率范圍很寬（從幾赫到幾百兆赫以上），放大電路的放大倍數(shù)也很大（可達百萬倍），為壓縮坐標，擴大視野，在畫頻率特性曲線時，頻率坐標采用對數(shù)刻度，而幅值（以dB為單位）或相角采用線性刻度。在這種半對數(shù)坐標中畫出的幅頻特性和相頻曲線稱為對數(shù)頻率特性或波特圖。為了在同一坐標系中表示比較寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時采用對數(shù)坐標，稱為波特圖。

(a)高通電路波特圖(b)低通電路波特圖

波特圖由對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性兩部分組成，它們的橫軸采用對數(shù)刻度

幅頻特性的縱軸采用20lg

表示，單位是分貝（dB）；相頻特性的縱軸用表示。

頻率響應波特圖放大電路中的頻率參數(shù)

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。高通電路低通電路

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)信號損失，放大能力下降。下限頻率上限頻率結電容4.2單時間常數(shù)RC電路的頻率響應RC低通電路的頻率響應在放大電路的高頻區(qū)，影響頻率響應的主要因是管子的極間電容和接線電容等，它們在電路中與其它支路是并聯(lián)的，因此它們對高頻響應的影響可用如圖所示的RC低通電路來模擬。RC低通電路電壓放大倍數(shù)：解得：時間常數(shù)：對上式取對數(shù)得：幅頻響應相頻響應f<0.1fH， ф≈00；f>10fH， ф≈-900；0.1fH<f<10fH，ф≈-450/十倍程。折線近似法：f<fH，用零分貝即橫坐標表示；f>fH，用斜率為-20dB每十倍頻直線表示。可畫出如圖實線。兩畫法的最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fH處。幅頻響應的折線近似畫法折線近似法：f<0.1fH，

ф≈00；

f>10fH，

ф≈-900；

0.1fH<f<10fH， ф≈-450/十倍程?？僧嫵鋈鐖D實線。兩畫法的最大誤差為±5.710，發(fā)生在f=0.1fH和f=10fH處。相頻特性的折線近似畫法－－－當f≤fH時，|Au|≈1，通！當f≥fH時，頻度越高，|Au|值越小，不通！fH稱為低通電路的上限(-3dB)頻率。在高頻段，低通電路還將產(chǎn)生一個0～900的滯后相位移。低通電路結論：電壓放大倍數(shù)：解得：時間常數(shù)：RC高通電路的頻率響應用來模擬放大電路低頻響應的RC高通電路取對數(shù)得：幅頻響應相頻響應

f>10fL，

ф≈00；

f<0.1fL，

ф≈900；

0.1fL<f<10fL

ф≈450/十倍程折線近似法：f>fL，用零分貝即橫坐標表示；f<fL，用斜率為20dB每十倍頻直線表示?？僧嫵鋈鐖D實線。兩畫法的最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處。對數(shù)幅頻特性折線近似法：f>10fL，ф≈00；f<0.1fL，ф≈900；0.1fL<f<10fL，ф≈450可畫出如圖實線。兩畫法的最大誤差為±5.710，發(fā)生在f=0.1fL和f=10fL處。對數(shù)相頻特性當f≥fL時，|Au|≈1，通！當f≤fL時，頻度越低，|Au|值越小，不通！fL稱為高通電路的下限(-3dB)頻率。在低頻段，高通電路還將產(chǎn)生一個0～900的超前相位移。高通電路結論：單管共射放大電路的頻率響應定性分析：C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au與f無關；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構成RC高通電路；高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，Au

降低。而且，構成RC低通電路?；旌?/p>

型等效電路一、混合

型等效電路混合

型等效電路(a)三極管結構示意圖c

be

(b)等效電路

++bce二、混合

參數(shù)與h參數(shù)的關系低頻時，不考慮極間電容作用，混合

等效電路和h參數(shù)等效電路相仿，即：

bce

bce圖3.3.1混合

參數(shù)與h參數(shù)之間的關系通過對比可得則則一般小功率三極管三、混合

型等效電路中電容

++bce圖3.3.2(b)等效電路：可從器件手冊中查到；并且(估算，fT要從器件手冊中查到)注意：將輸入回路與輸出回路直接聯(lián)系起來，使解電路的過程變得十分麻煩。——可用密勒定理簡化電路！

++bce圖3.3.2(b)等效電路密勒定理：用兩個電容來等效Cbc。分別接在b、e和c、e兩端。圖3.3.4單向化的混合

型等效電路

bce++其中：電容值分別為：阻容耦合單管共射放大電路的頻率響應圖3.3.5阻容耦合單管共射放大電路C1RcRb+VCCC2RL++++~Rs+將C2和RL看成下一級的輸入耦合電容和輸入電阻。一、中頻段C1可認為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1.中頻段等效電路圖3.3.6中頻段等效電路

bce

+Rb~+++RcRs由圖可得2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達式，與利用簡化h參數(shù)等效電路的分析結果一致。二、低頻段考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖3.3.7低頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRsC1C1與輸入電阻構成一個RC高通電路式中Ri=Rb//rbe輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)

bce

+Rb~+++RcRsC1低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則三、高頻段考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：

bce

+Rb~+++RcRs圖3.3.8高頻等效電路

ce

+~++Rc圖中——C

與R

構成RC低通電路。高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：四、完整的波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL和fH；2.由三段直線構成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg低頻區(qū)：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構成相頻特性。圖3.3.10幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO五、增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb//rbe假設Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe說明：式很不嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb和Cbc的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，若將放大倍數(shù)提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb

和Cbc

均小的高頻三極管。直接耦合單管共射放大電路的頻率響應圖3.3.13fHfO-270o10fH-20dB/十倍頻-180o0.1fH-90ofO無隔直電容，在低頻段電壓放大倍數(shù)不會下降，也不產(chǎn)生附加的相位移。多級放大電路的頻率響應多級放大電路的幅頻特性和相頻特性多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：對數(shù)幅頻特性為：多級放大電路的總相位移為：兩級放大電路的波特圖圖3.4.1fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBBW1BW一級二級圖3.4.1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO-540o-180o-450o-90o一級二級多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。多級放大電路的上限頻率和下限頻率在實際的多級放大電路中，當各放大級的時間常數(shù)相差懸殊時，可取其主要作用的那一級作為估算的依據(jù)。由于放大器件存在極間電容，以及電路中的電抗性元件