放大電路的頻率響應(yīng)課件

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5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)5.3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型5.6集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)和頻率補(bǔ)償童詩(shī)白第三版本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：2、單管共射放大電路混合π模型等效電路圖、頻率響應(yīng)的表達(dá)式及波特圖繪制。1、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管的混合π模型。本章教學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)

5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容，所以電路的放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。小信號(hào)等效模型只適用于低頻信號(hào)的分析。本章將引入高頻等效模型，并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應(yīng)的描述方法。一、

高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)

RC

高通電路令：5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念fL

稱為下限截止頻率則有：放大電路的對(duì)數(shù)頻率特性稱為波特圖。對(duì)數(shù)幅頻特性：

實(shí)際幅頻特性曲線：圖5.1.3(a)幅頻特性當(dāng)f≥

fL(高頻)，當(dāng)f<fL(低頻)，高通特性：且頻率愈低，的值愈小，低頻信號(hào)不能通過。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處20dB/十倍頻對(duì)數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)相頻特性5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o

0f誤差

在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。5.71o二、RC

低通電路的波特圖圖5.1.2

RC

低通電路圖+_+_CR令：則：fH

稱為上限截止頻率圖5.1.3(b)低通電路的波特圖對(duì)數(shù)幅頻特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍頻對(duì)數(shù)相頻特性：fH

10fH-45o5.71o5.71o-45o/十倍頻-90o0.1fH

0f在高頻段，低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù)τ，即決定了fL和fH。（2）當(dāng)信號(hào)頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。5.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型圖5.2.1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合

模型5.2晶體管的高頻等效模型(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖(b)混合模型二、簡(jiǎn)化的混合

模型通常情況下，rce遠(yuǎn)大于c--e間所接的負(fù)載電阻，而rb/c也遠(yuǎn)大于Cμ的容抗，因而可認(rèn)為rce和rb/c開路。(b)混合模型圖5.2.2

混合

模型的簡(jiǎn)化(a)簡(jiǎn)化的混合

模型Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。單向化靠等效變換實(shí)現(xiàn)。圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(b)單向化后的混合

模型圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(C)忽略C／／μ的混合

模型因?yàn)镃π＞＞，且一般情況下。的容抗遠(yuǎn)大于集電極總負(fù)載電阻R／Ｌ，中的電流可忽略不計(jì)，得簡(jiǎn)化模型圖（C）。密勒定理：用兩個(gè)電容來(lái)等效Cμ

。分別接在b

、e和c、e兩端。其中：電容值分別為：等效電容的求法圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(b)單向化后的混合

模型圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(C)忽略C／／μ的混合

模型三、混合

模型的主要參數(shù)將混合

模型和簡(jiǎn)化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)完全相同。Cμ可從手冊(cè)中查得Cob

，Cob與Cμ近似相等。Cπ數(shù)據(jù)可從手冊(cè)中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點(diǎn)求解。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)

當(dāng)信號(hào)頻率發(fā)生變化時(shí)，電流放大系數(shù)β不是常量，而是頻率的函數(shù)。

電流放大系數(shù)的定義：從混合π等效模型可以看出，管子工作在高頻段時(shí)，若基極注入的交流電流Ib的幅值不變，則隨著信號(hào)頻率的升高，b/-e間的電壓Ub/e的幅值將減小，相移將增大；從而使IC的幅值隨Ub/e線性下降，并產(chǎn)生與Ub/e相同的相移。求共射接法交流短路電流放大系數(shù)ββ的對(duì)數(shù)幅頻特性與對(duì)數(shù)相頻特性對(duì)數(shù)幅頻特性fTfOf

20lg

0-20dB/十倍頻f0

對(duì)數(shù)相頻特性10f

0.1f

-45o-90o

1.共射截止頻率f

值下降到0.707

0

(即)時(shí)的頻率。當(dāng)

f=f

時(shí)，值下降到中頻時(shí)的70%左右。或?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個(gè)頻率的分析2.特征頻率fT

值降為1時(shí)的頻率。f>fT

時(shí)，，三極管失去放大作用；

f

=

fT

時(shí)，由式得：3.共基截止頻率f

值下降為低頻

0時(shí)

的0.707時(shí)的頻率。

f

與f

、

fT

之間關(guān)系：因?yàn)榭傻谜f明：所以：1.f

比f(wàn)

高很多，等于f

的(1+

0)倍；2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫，高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。5.3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型場(chǎng)效應(yīng)管各極之間存在極間電容，其高頻等效模型如下圖5.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型（a)

一般情況下

rgs和

rds比外接電阻大得多，可認(rèn)為是開路

Cgd可進(jìn)行等效變化，使電路單向化

Cgd等效變化g-s之間的等效電容為d-s之間的等效電容為由于輸出回路的時(shí)間常數(shù)比輸入回路的小得多，故分析頻率特性時(shí)可忽略的影響。圖5.3.1場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型(b)簡(jiǎn)化模型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)C1Rb+VCCC2Rc

+++Rs+~

+

圖5.4.1單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au

與f無(wú)關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構(gòu)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(gòu)成RC低通電路。一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容

可認(rèn)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5.4.2中頻段等效電路由圖可得

bce

+Rb~

+++RcRs2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式，與利用簡(jiǎn)化h參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖5.4.3低頻等效電路

C1

與輸入電阻構(gòu)成一個(gè)RC高通電路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~

+++RcRsC1輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)

bce

+Rb~

+++RcRsC1低頻時(shí)間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對(duì)數(shù)幅頻特性對(duì)數(shù)相頻特性因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖5.4.4高頻等效電路

bce

+Rb~

+++RcRs圖5.4.4高頻等效電路的簡(jiǎn)化(a)由于輸出回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時(shí)間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結(jié)電容。用戴維南定理簡(jiǎn)化圖5.4.4(b)—C

與R

構(gòu)成RC

低通電路。

ce

+~

++Rc

高頻時(shí)間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性高頻段最大附加相移為-90度四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算、fL

和

fH

；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對(duì)數(shù)幅值=20lg

低頻段：

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(gòu)成相頻特性。圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO

5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖5.4.7單管共源放大電路及其等效電路在中頻段開路，C短路，中頻電壓放大倍數(shù)為在高頻段，C短路，考慮的影響，上限頻率為：在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：電壓放大倍數(shù)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。3.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(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cb

c>>Cb

e說明：式不很嚴(yán)格，但從中可以看出一個(gè)大概的趨勢(shì)，即選定放大三極管后，rbb

和Cb

c

的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時(shí)，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(gè)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Cb

c

均小的高頻三極管。*場(chǎng)效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱）復(fù)習(xí)：1.晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管的混合

模型2.單管共射放大電路的頻率響應(yīng)表達(dá)式：波特圖的繪制：三段直線構(gòu)成幅頻特性五段直線構(gòu)成相頻特性5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級(jí)放大電路頻率特性的定性分析多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)：對(duì)數(shù)幅頻特性為：在多級(jí)放大電路中含有多個(gè)放大管，因而在高頻等效電路中有多個(gè)低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個(gè)耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個(gè)高通電路。多級(jí)放大電路的總相位移為：兩級(jí)放大電路的波特圖圖5.5.1fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一級(jí)二級(jí)-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻圖5.5.1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO

-540o-180o-450o-90o一級(jí)二級(jí)多級(jí)放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級(jí)的通頻帶為窄。5.5.2多級(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率的估算在實(shí)際的多級(jí)放大電路中，當(dāng)各放大級(jí)的時(shí)間常數(shù)相差懸殊時(shí)，可取其主要作用的那一級(jí)作為估算的依據(jù)即：若某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級(jí)的下限頻率，則可認(rèn)為整個(gè)電路的下限頻率就是該級(jí)的下限頻率。同理若某級(jí)的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級(jí)的上限頻率，則可認(rèn)為整個(gè)電路的上限頻率就是該級(jí)的上限頻率。例5.5.1已知某電路的各級(jí)均為共射放大電路，其對(duì)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)。（2）高頻段只有一個(gè)拐點(diǎn)，斜率為-60dB/十倍頻程，電路中應(yīng)有三個(gè)電容，為三級(jí)放大電路。解：（1）低頻段只有一個(gè)拐點(diǎn)，說明影響低頻特性的只有一個(gè)電容，故電路的下限頻率為10Hz。fH≈0.52fH1=(0.52×2×105)Hz=106KHz（3）電壓放大倍數(shù)例5.5.2分別求出如圖所示Q點(diǎn)穩(wěn)定電路中C1C2和Ce所確定的下限頻率的表達(dá)式及電路上限頻率表達(dá)式。C1RcRb2+VCCC2RL+

+++

+CeuoRb1Reui

圖2.4.2阻容耦合的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路b解：交流等效電路圖5.5.3(a)Q點(diǎn)穩(wěn)定電路的交流等效電路1.考慮C1對(duì)低頻特性的影響(b)C1所在回路的等效電路2.考慮C2對(duì)低頻特性的影響(c)C2所在回路的等效電路3.考慮Ce對(duì)低頻特性的影響(d)Ce所在回路的等效電路4.考慮結(jié)電容對(duì)高頻特性的影響(e)結(jié)電容所在回路的等效電路比較C1、C2、Ce所在回路的時(shí)間常數(shù)τ1、τ2、τe,當(dāng)取C1＝C2＝Ce時(shí)，τe將遠(yuǎn)小于τ1,τ2，即fLe遠(yuǎn)大于fL1和fL2因此，fLe就約為電路的下限頻率。5.6集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)和頻率補(bǔ)償5.6.1集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)集成運(yùn)放有很好的低頻特性（fL＝0）：集成運(yùn)放直接耦合放大電路集成運(yùn)放高頻特性較差：集成運(yùn)放AOd很大，等效電容或很大；集成運(yùn)放內(nèi)部需接補(bǔ)償電容。末加頻率補(bǔ)償集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)圖5.6.1末加頻率補(bǔ)償fC－單位增益帶寬fO－附加相