模拟电路课件第五章-放大电路的频率响应-.ppt

1、第五章第五章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应5.1 频率响应概述频率响应概述5.2 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型5.3 场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型5.4 单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应5.5 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应5.1 频率响应概述频率响应概述在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频率的范围要求。大电路时，应满足信号频率的范围要求。5.1.1 必要性必要性由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存由于放大电路中耦合

2、电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存在，当输入信号频率过低或过高时，放大倍数变小，并且产生超在，当输入信号频率过低或过高时，放大倍数变小，并且产生超前或滞后相移，即，放大倍数是频率的函数。前或滞后相移，即，放大倍数是频率的函数。放大电路对信号频率适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。放大电路对信号频率适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。RCRCRCRUUAuj1jj1io5.1.2 频率响应基本概念频率响应基本概念一、一、RC高通电路频率响应高通电路频率响应RCf21L令LLj1jffffAu则)arctan(90)(1L2LLffffffAu幅频特性幅频特性相频特性相频特性fL)arct

3、an(90)(1L2LLffffffAuo01，时，当uLAffo4521，时，当uLAffLuLffAff时，当o9000，时，当uAffL：下限截止频率：下限截止频率l 对高通电路，频率愈低，对高通电路，频率愈低，衰减愈大，相移愈大衰减愈大，相移愈大高通电路频率响应高通电路频率响应RCRCCUUAuj11j1j1io二、二、RC低通电路频率响应低通电路频率响应RCf21H令Hj11ffAu则)arctan()(11H2HffffAufH)arctan()(11H2HffffAu低通电路频率响应低通电路频率响应o01，时，当uHAffo4521，时，当uHAffffAffHuH时，当o900

4、，当uAffH：上限截止频率：上限截止频率l 对低通电路，频率愈高，对低通电路，频率愈高，衰减愈大，相移愈大衰减愈大，相移愈大通频带：通频带：fbwfHfL5.1.3 波特图波特图为了扩大视野为了扩大视野,缩短坐标缩短坐标,幅频特性和相频特性采用半对数坐标幅频特性和相频特性采用半对数坐标,即即横坐标频率采用对数刻度横坐标频率采用对数刻度,纵坐标幅值（用纵坐标幅值（用dB表示）或相角表示）或相角用线用线性刻度表示。绘制出的幅频特性和相频特性称为波特性刻度表示。绘制出的幅频特性和相频特性称为波特(Bode)图。图。220lg|20lg20lg 1uLLffAff090arctanLff高通电路高通

5、电路 o00lg20，时，当uLAffo4532lg20lg20，时，当dBAffuLLuLffAfflg20lg20时，当20dB/10倍频（倍频（f每下降每下降10倍，增益下降倍，增益下降20dB）21lg20|lg20HuffAHffarctan低通电路低通电路 o00lg20，时，当dBAffuHo4532lg20lg20，时，当dBAffuHHuHffAfflg20lg20时，当-20dB/10倍频（倍频（f每上升每上升10倍，增益下降倍，增益下降20dB）0.1fH，10fH为相为相频的两个拐点，频的两个拐点，误差误差5.7100.1fL，10fL为相为相频的两个拐点，频的两个拐点

6、，误差误差5.710在对数幅频特性中，在对数幅频特性中，fL，fH为拐点，有为拐点，有3dB误差误差LLj1jffff 电路低频段的放大倍数需乘因子电路低频段的放大倍数需乘因子 当当 f=fL时放大倍数幅值约降到时放大倍数幅值约降到0.707倍，相角超前倍，相角超前45；当当 f=fH时放大倍数幅值也约降到时放大倍数幅值也约降到0.707倍，相角滞后倍，相角滞后45。截止频率决定于电容所在回路的时间常数截止频率决定于电容所在回路的时间常数21L(H)f电路高频段的放大倍数需乘因子电路高频段的放大倍数需乘因子Hj11ff 频率响应有幅频特性和相频特性两条曲线。频率响应有幅频特性和相频特性两条曲线

7、。几个结论几个结论l 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。高通高通电路电路低通低通电路电路l 在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。损失，放大能力下降。下限频率下限频率上限频率上限频率LHbwfff放大电路的频率参数放大电路的频率参数结构：结构：由体电阻、结电阻、结电容

8、组成。由体电阻、结电阻、结电容组成。rbb：基区体电阻基区体电阻rbe：发射结电阻发射结电阻C：发射结电容发射结电容re：发射区体电阻发射区体电阻rbc：集电结电阻集电结电阻C：集电结电容集电结电容rc：集电区体电阻集电区体电阻阻值小，阻值小，可忽略可忽略阻值小，阻值小，可忽略可忽略5.2 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型5.2.1 晶体管的混合晶体管的混合模型模型从晶体管的物理结构出发，考虑发射结和集电结电容的影响，可从晶体管的物理结构出发，考虑发射结和集电结电容的影响，可以得到在高频信号作用下的物理模型，称为混合以得到在高频信号作用下的物理模型，称为混合模型。模型。gm跨导跨导，表

9、明，表明Ube对对Ic的控制关系。的控制关系。阻值远大于阻值远大于ce间所接负载电阻间所接负载电阻因在放大区承受反因在放大区承受反向电压而阻值大向电压而阻值大混合混合模型：忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系模型：忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系一、完整的混合一、完整的混合模型模型C连接了输入回路和输连接了输入回路和输出回路，使电路的分析出回路，使电路的分析复杂化。复杂化。简化混合简化混合模型：模型：混合混合模型的单向化模型的单向化将将C等效在输入回路和输出回路。等效在输入回路和输出回路。ebceebceeb)1(UUKXUKXUUICCCKXIUXCCC1eb)1(CKC 1CKKC同理

10、可得，等效变换后电流不变等效变换后电流不变利用密勒（利用密勒（Miller）定理等效）定理等效可从手册查得、bbCrTEQeb0mebbmebmb0 UIrgrIgUgI？如何得到模型中的参数？为什么不考虑 C二、晶体管简化的高频等效电路二、晶体管简化的高频等效电路EQT0eb)1(IUr将简化的混合将简化的混合模型模型与简化的与简化的h参数等效模型相比参数等效模型相比CCCCEbc UII)1(0CCCKCCUUKebce所以，即eb0ebebmebebebm j1 j1)(j1 CrCrrgCCrUUg5.2.2 晶体管电流放大倍数的频率响应晶体管电流放大倍数的频率响应ebmcUgIffC

11、ej1rj1 0b0eb 21Crf令与低通电路相似与低通电路相似ffffffarctan)(1j1 200共射截止频率共射截止频率ffffffarctan)(1j1 200-90 0 lg20lg20 20lg -45 3-lg202lg20 20lg lg20 20lg 0000，时，；时，；，时，；时，fffffffffo电流放大倍数的频率特性曲线电流放大倍数的频率特性曲线71.5，lg20采用对数坐标系，横轴为采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为可开阔视野；纵轴为 单位为单位为“分贝分贝”（dB），使得），使得“”“”。lg fdB32lg20注意折线化曲线的误差注意折线

12、化曲线的误差20dB/十倍频折线化近似画法折线化近似画法电流放大倍数的波特图电流放大倍数的波特图:采用对数坐标系采用对数坐标系当当f增大，使增大，使 幅值降为幅值降为0dB时的频率，称为特征频率时的频率，称为特征频率fT。20)(1lg200 lg20ffTffffTT0022121CgCrfCrfmebTebffjffj1)1(1110000截止频率，确定用Tfff)1(0共基截止频率共基截止频率共基电路截止频率远高于共射电路的截止频率，因此，共共基电路截止频率远高于共射电路的截止频率，因此，共基电路可做宽频带放大电路。基电路可做宽频带放大电路。1 0TTffff 时的频率为使)CC(rff

13、feb0 21 j1。、)(obTCCfff共射截共射截止频率止频率共基截共基截止频率止频率特征特征频率频率集电结电容集电结电容通过以上分析得出的结论：通过以上分析得出的结论：低频段和高频段放大倍数的表达式；低频段和高频段放大倍数的表达式；截止频率与时间常数的关系；截止频率与时间常数的关系；波特图及其折线画法；波特图及其折线画法；C的求法。的求法。手册手册查得查得晶体管的频率参数晶体管的频率参数可与晶体管高频等效电流类比，简化、单向化变换。可与晶体管高频等效电流类比，简化、单向化变换。很大，可忽略其电流很大，可忽略其电流单向化变换单向化变换极间电容极间电容CgsCgdCds数值数值/pF110

14、1100.11gdLmgsgs)1(CRgCC忽略忽略d-s间等效电容间等效电容5.3 场效应管的高频等效电路场效应管的高频等效电路适用于信号频率从适用于信号频率从0交流等效电路交流等效电路中频段：中频段：C 短路，短路，开路。开路。CC低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响，开路。开路。高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 短路。短路。C5.4 单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应5.4.1 单管共射放大电路的频率响应单管共射放大电路的频率响应考虑耦合电容和结电容影响，得等效电路考虑耦合电容和结电容影响，得等效电路eboiebsisosmUUUUUUUUAu)(Lcmbe

15、ebisismRRgrrRRRAu带负载时：带负载时：)(cmbeebisismoRgrrRRRAu空载时：空载时：一、中频电压放大倍数一、中频电压放大倍数二、低频电压放大倍数（考虑耦合电容）二、低频电压放大倍数（考虑耦合电容）ceboRUgU.m.输出回路等效输出回路等效CRRARCRRRRRrRRrgRRRRrRCRRRrgrIRCRRRUgUUAuLcLcbecebmLcLcbecebmbebcebmiou)(j11j1)(1j11j1LcmLcLLcLLcL.l)(1)()(j1mLmlLLuuuffjffjAffAACRRf)(21 LcL令)arctan90(-180)(11lg2

16、0lg20lg20L2LsmslffffAAuuCRRfffffAAuu)(21 j1)j(LcLLLsmsl-135 dB3lg20 sL，下降时，uAff)lg(20lg20 LsmsLffAAffuu时，。，时，90 0 0suAfsmsLlg20lg20 uuAAff时，中频段中频段20dB/十倍频十倍频低频电压放大倍数：低频段频率响应分析低频电压放大倍数：低频段频率响应分析sisibeebibeebsURRRrrUrrU三、高频电压放大倍数（考虑极间电容）三、高频电压放大倍数（考虑极间电容）输入回路等效输入回路等效)(sbbbebRRrrR)(sbbbebRRrrRHsmsoshj1

17、ffAUUAuu)(j1 j1 LmbeebisibosbsssoshRgCRCrrRRRUUUUUUUUAeeu高频电压放大倍数高频电压放大倍数)(21 21 sbbbebHCRRrrRCf)(21 j1sbbbebHHsmsoshCRRrrfffAUUAuu-225 dB3lg20 shH，下降时，uAffH2Hmsharctan-180)(1lg20lg20lg20ffffAAuu；下降倍，每增大时，dB20lg20 10 shHuAfff。，时，-270 0 shuAf；时，smshHlg20lg20 uuAAff高频电压放大倍数：高频段频率响应分析高频电压放大倍数：高频段频率响应分析

18、 )j1)(j1()j1)(j1()j(HLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达式：四、电压放大倍数的波特图四、电压放大倍数的波特图)(21sbbbebHCRRrrfLm)1(CRgCCHmbwm fAfAuu带宽增益积mLmHLmuARgfCRg)(LcmbeebisismRRgrrRRRAu矛盾矛盾当提高增益时，带宽将当提高增益时，带宽将变窄；反之，增益降低，变窄；反之，增益降低，带宽将变宽。带宽将变宽。5.4.3 带宽增益积：定性分析带宽增益积：定性分析fbw fH fL fH)(21sbbbebHCRRrrfLm)1(CRgC

19、C)(LcmbeebisismRRgrrRRRAu若若rbeRb、Rs fL1，fH fH1，频带变窄！频带变窄！),2,1(bbwHHLLnkffffffwkkknkknkkf.ff.f12HH12LL1111 11对于对于N级放大电路，若各级的下、上限频率分别为级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为整个电路的下、上限频率分别为fL、fH，则，则nkknkukuAA11 lg20lg20由于由于求解使增益下降求解使增益下降3dB的的频率，经修正，可得频率，经修正，可得1.1为修正系数为修正系数多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率

20、响应例例 5.5.1已知电路各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。已知电路各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求下限、上限频率，以及电压放大倍数。求下限、上限频率，以及电压放大倍数。例例5.5.2 确定电路上限频率及下限频率表达式。确定电路上限频率及下限频率表达式。所确定的截止频率。、分别考虑e21CCCC1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrRCC)RRRr(rb2b1sbbebC2、Ce短路，短路，开路，求出开路，求出CC1、Ce短路，短路，开路，求出开路，求出CC1、C2短路，短路，开路，求出开路，求出CC1、C2、Ce

21、短路，求出短路，求出1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrRb2b1sbbeb)(CRRRrrC)2(1)2(1)2(1)2(1HeL32L21L1Cffff很小！很小！电压放大倍数电压放大倍数1.该放大电路为几级放大电路该放大电路为几级放大电路?2.耦合方式耦合方式?3.在在 f 104Hz 时，增益下降多少？附加相移时，增益下降多少？附加相移？4.在在 f 105Hz 时，附加相移时，附加相移？5.画出相频特性曲线；画出相频特性曲线；6.fH？?uA已知某放大电路的幅频特性已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论下列问题：如图所示，讨论下列问题：例题：例题：习题：习题：自测题自测题 二二 5.2，5.3，5.4，5.5，5.12