5放大电路的频率响应课件.ppt

1、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5.6*集成运放的频率响应和频率补偿集成运放的频率响应和频率补偿5.7*频率响应与阶跃响应频率响应与阶跃响应 本章本章主要讲述有关频率响应的基本概念、主要讲述有关频率响应的基本概念、晶体管和场效应管的高频等效模型、放大电晶体管和场效应管的高频等效模型、放大电路频率响应的分析方法等。路频率响应的分析方法等。重点掌握有关频重点掌握有关频率响应的基本概念和单管放大电

2、路的频率响率响应的基本概念和单管放大电路的频率响应的分析方法，并能画出波特图应的分析方法，并能画出波特图；了解多级；了解多级放大电路的频率响应及其与各级电路频率响放大电路的频率响应及其与各级电路频率响应之间的关系，了解集成运放的频率响应和应之间的关系，了解集成运放的频率响应和相位补偿方法。相位补偿方法。内容简介1.研究放大电路频率响应的必要性研究放大电路频率响应的必要性 1 在放大电路中，当输入信号频率过高或过低时，其在放大电路中，当输入信号频率过高或过低时，其放大倍数的值会减小，并产生相移（超前或滞后）。说放大倍数的值会减小，并产生相移（超前或滞后）。说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关

3、系称之为明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称之为频频率响应率响应或或频率特性频率特性。产生这种现象的原因：产生这种现象的原因：放大电路中存在电抗元件放大电路中存在电抗元件（电容、电感等）及晶体管存在极间电容。（电容、电感等）及晶体管存在极间电容。在前面讨论的放大电路中，我们忽略了电路中的电抗在前面讨论的放大电路中，我们忽略了电路中的电抗元件及晶体管极间电容的影响，认为在输入信号的频率范元件及晶体管极间电容的影响，认为在输入信号的频率范围内，其放大倍数的幅度和相位均保持不变，此频率范围围内，其放大倍数的幅度和相位均保持不变，此频率范围称之为称之为中频段中频段。2.频率响应的基本概念频率响应

4、的基本概念 2一、高通电路一、高通电路 图图 5.1.1 高高通通电电路路 iUoUC R RCjCjRRUUAiou 1111 RCf,CLLL 212111 令令LLLLuffjffjjffjA 11111 相相频频特特性性幅幅频频特特性性LoLLuffarctanffffA9012 图5.1.1 高通电路及频率响应LuLouLouLffAff,Aff,Aff 452101 时，时，趋于趋于90度度Lf下限频下限频率率3二、低通电路二、低通电路 图图5.2 低低通通电电路路 iUoUC R RCjCjRCjUUAiou 1111RCf,CHH 212111 令令HHuffjjA 1111

5、相相频频特特性性幅幅频频特特性性HHuffarctanffA 211图5.1.2 低频电路及其频率响应ffAff,Aff,AffHuHouHouH 452101 时，时，趋于趋于-90度度上限频上限频率率Hf通频带通频带LHbwfff 4F 高通电路的幅频特性曲线高通电路的幅频特性曲线21202020 LLufflgfflgAlgF 高通电路的相频特性曲线高通电路的相频特性曲线；时时，当当dBAffuL0 ；时时，当当dBAffuL3 ；时时，当当dBfflgAffLuL20 采用对数坐标绘采用对数坐标绘制的频率特性曲线，制的频率特性曲线，称之为称之为波特图波特图。fH称之为下限截称之为下限截

6、止 频 率（下 限 频止 频 率（下 限 频率）。率）。三、波特图三、波特图频率下降频率下降10倍，增益下降倍，增益下降20倍。倍。5 低通电路的幅频特性曲线低通电路的幅频特性曲线dBfflgAlgHu212020 ；时时，当当dBAffuH0 ；时时，当当dBAffuH3 ；时时，当当dBfflgAffHuH20 fH称之为上称之为上限截止频率（上限截止频率（上限频率）。限频率）。F 低通电路的相频特性曲线低通电路的相频特性曲线频率上升频率上升10倍，增益下降倍，增益下降20倍。倍。普遍结论：普遍结论：1.晶体管的高频混合晶体管的高频混合 模型模型1一、完整的混合一、完整的混合 模型模型 r

7、bb-基区的体电阻，基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。是假想的基区内的一个点。rbe-发射结电阻发射结电阻rbe与发射区体电阻与发射区体电阻re折算到基极折算到基极回路的电阻。回路的电阻。-发射结电容发射结电容-集电结电阻集电结电阻 -集电结电容集电结电容互导互导mgrce-c-e间的动态电阻。间的动态电阻。TEQebmUIrg 0 Cebr 发射结电阻发射结电阻 Ccbr cbcbebebrrrr ebmcUgI 图5.2.1 晶体管结构示意图及混合模型图5.2.2 混合模型的简化二、简化的混合二、简化的混合 模型模型2混合混合 模型的单向化模型的单向化 C)K(C)K(C 11 CK

8、KC 1 CKCC 1可可以以忽忽略略。，所所以以，且且一一般般 LC CRXCC ebceUUK CebCceebCXUKXUUI 1 KXXUKUIUXCCebebCebC 11 取中频时的值，所以取中频时的值，所以KKK 同样有同样有：3三、混合三、混合 模型的主要参数模型的主要参数 cecbrr和和忽忽略略)(26)(0mmVmAIUIrgEQTEQebETeb)1(IUr可以从手册中查得。可以从手册中查得。bb rTmeb2 fgC可可以以从从手手册册中中查查得得。cbTCf,2.晶体管电流放大系数晶体管电流放大系数 的频率响应的频率响应4CEUbcII Crj1)Cjr(1/UUg

9、IIIebebebebmCrceb 0 Crfeb 2121 ffj10（低通特性）（低通特性）共射截止频率C,E间短路间短路,K=0 CCCKCC 1ebmebmCr/g,UgI 0 520202020 ff1lglglg幅频特性幅频特性 ffarctan相频特性相频特性 0.1f-20dB/十倍频程 fT 10f f-90o 0o 0 f 的的频频率率响响应应特特性性曲曲线线)(lg20db0lg20-45o f 0202020 ff1lglgT令令 ffT0 求求得得 ffj101Tff)(f 01 fffT 共基截止频率特征频率1 Cds rgs rds Cgs 场场效效应应管管的的高

10、高频频小小信信号号模模型型 gsUdsUCdg gsmUggsC gsmUggsUdsULRLRgdgsgsC)K(CC 1LmRgK gdDSdsCKKCC1 LmRgK 忽略忽略1 1.1.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图5.4.1 单管共射放大电路及其等效电路2一、中频特性一、中频特性 LmbeebisieboiebsisousmRgrrRRRUUUUUUUUA cmbeebisisousmRgrrRRRUUA 空载时空载时3二、低频特性二、低频特性 LcLcmbeebisiusloososovslRCjRRRgrrRRRAUUUUUUA 1C)RR(fLcL 21

11、jffAffjffjAALusmLLusmusl 111 CRRjCRRjRgrrRRRALcLccmbeebisiusl 14 是是 C 所在回路的时间常数，从电容所在回路的时间常数，从电容 C 两两端向外看的等效总电阻乘以端向外看的等效总电阻乘以 C。CRRLc 21202020 LLusmuslfffflgAlgAlgLoLooffarctanffarctan 9090180 图5.4.4 单管共射放大电路的高频等效电路三、高频电压放大倍数三、高频电压放大倍数从从 向左看，如图向左看，如图b，低通电路。可从，低通电路。可从c图求等效图求等效R及及 。C sisibeebibeebsURR

12、RrrUrrU sU bsbbebR/Rr/rR 5 HusmushffjAA1 CRfH 21 LmbeebisiebosebsssoushRgCRjCRjrrRRRUUUUUUUUA 111 CRjAAusmush 11dBfflgAlgAlgHusmush21202020 Hoffarctan 180 6四、波特图四、波特图 HLusmHLLusmusffjjffAffjffjffjAA11111 综合各频段的频率特性，其电压放大倍数的表达式为：综合各频段的频率特性，其电压放大倍数的表达式为：LHHLHLfF,ffff,fffff fL/f趋于趋于0，f/fH也趋于也趋于0，Ausm f

13、/fH趋于趋于0，AuslfL/f趋于趋于0，Aush7-180o-135o-90o f f 0.1fL 10fL fL+20dB/十倍频程 0.1fH-20dB/十倍频程 10fH fH-270o 0 放放大大电电路路总总的的频频率率响响应应特特性性曲曲线线 vsmAlg20-225o vsAlg208例例5.4.1（1）Q点点mA.o.RURUVIsBEQbBEQCCBQ015170207015 V.RIVUmA.IICCQCCCEQBQCQ5755115510150100 （2）求混合）求混合 模型参数模型参数 17330150261 .IUIUrBQTEQTebpFCfrCfrCobe

14、beb178510517332102121512 9S.UIgTEQm057702651 pFCKCC.R/RgUUKLcmeboe89851441781144250005770 （3）求中频电压放大倍数）求中频电压放大倍数 85144831731681168168183120831208311733100 .RgrrRRRUUAk.r/RRk.rrrLmbeebisisousmbebiebbbbe 3102631231238511fj.fj.fjffjffjffjAAHLLusmus10（4）求解）求解fH和和fL kHzCRr/rCR/Rr/rfsbbebbsbbebH2631089810

15、0010017331000100173321212112 Hz.CRRfLcL231051051052121633 （5）画波特图）画波特图11 2.2.单管共源放大电路的频率响应单管共源放大电路的频率响应C)RR(fsdL 21gsgHCRf 21 中频中频 LmgsLdgsmioumRgUR/RUgUUA 12 HLLumuffjffjffjAA11133.3.增益带宽积增益带宽积（1 1）改善放大电路频率响应的途径）改善放大电路频率响应的途径 加大耦合电容的容量和回路电阻的值，以降低下限频率；加大耦合电容的容量和回路电阻的值，以降低下限频率；或采用直接耦合方式，使或采用直接耦合方式，使

16、fL=0=0。减小减小b b-c-c之间的等效电容或之间的等效电容或 g-sg-s之间的等效电容的容量之间的等效电容的容量和回路电阻的值，以提高上限频率。和回路电阻的值，以提高上限频率。（2 2）放大电路带宽与增益之间的矛盾）放大电路带宽与增益之间的矛盾 对大多数电路，对大多数电路，fH fL，所以带宽，所以带宽 fbw=fJ fL fH，带宽与增益的矛盾即为上限频率带宽与增益的矛盾即为上限频率 fH 与带宽与带宽 fbw 矛盾。矛盾。提高提高 fH 需要需要减小减小b b-c-c之间的等效电容或之间的等效电容或 g-sg-s之间的等之间的等效电容的容量效电容的容量C，而，而C=Cbe+(1+

17、gmRL)Cbc，所以需减小，所以需减小gmRL，而减小，而减小gmRL 必将导致放大倍数的减小，所以，必将导致放大倍数的减小，所以，fH 与增益是矛盾的。与增益是矛盾的。13（3 3）增益带宽积）增益带宽积 CRr2 fAsbbbwusm 1 CR/Rr/rRgrrRRRfAfAbsbbebLmbeebisiHusmbwusm 21 CRrrRrrrRrCRgRr/rRgrrrRrfAsbbebsbbebbesebLmsbbebLmbeebbesbebwusm 212114gdggdLmgLmbwusmCRCRgR2Rg fA 211 晶体管选定后，晶体管选定后，带宽增益积基本为常数带宽增益

18、积基本为常数。为了为了 兼顾增兼顾增益和带宽两方面的性能，希望增益带宽积应尽可能大，所益和带宽两方面的性能，希望增益带宽积应尽可能大，所以应选择以应选择rbb和和Cbc均很小的高频管，与此同时，尽量减小均很小的高频管，与此同时，尽量减小等效电容所在回路的总等效电阻。除此之外，还可以考虑等效电容所在回路的总等效电阻。除此之外，还可以考虑用共基放大电路。用共基放大电路。场效应管：场效应管：gdLmgsgLmHusmbwusmCRgCRRgfAfA 121 若若 gsgdLmLmCCRg,Rg 11且且1 nkuk1)-o(noo1o2io1iouAUUUUUUUUA1 前级的开路电压是下级的信号源

19、电压前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级的输入阻抗是前级的负载下级的输入阻抗是前级的负载 Ri1 Ro1 1io1uUA -+1iU -+Ri2 Ro2 RL i2o2uUA -+O1U-+OU -+nkknkukuAlgAlg112020 2设有二级相同的放大器设有二级相同的放大器 即：即：21uuAA 212121HHLLumumff,ff,AA 121402020umumumuAlgAAlgAlg 212122111umulululuuluLAAAAA,AAff 时，时，当当24040201lgAlgAlgumu 说明增

20、益下降说明增益下降6db，且产生，且产生+90 附加相移。同样，在附加相移。同样，在f=fH1时，时，增益也下降增益也下降6db，且产生，且产生-90 附加相移。附加相移。3+40dB/十倍频程-40dB/十倍频程 fL1-540o-450o-180o-90o f f fL+20dB/十倍频程 fH1-20dB/十倍频程 fH-270o 0 多多 级级 放放 大大 电电 路路 的的 频频 率率 响响 应应 波波 特特 图图 vsmAlg20-360o vsAlg20vsmAlg404nkLkLff121.1（具体推导过程见教材（具体推导过程见教材 P230P230）当各级放大电路的下限频率相同

21、或很接近时，多级放大电路的下限当各级放大电路的下限频率相同或很接近时，多级放大电路的下限频率按下式计算：频率按下式计算：当其中一级放大电路的下限频率远大于其它各级的下限频率时，则当其中一级放大电路的下限频率远大于其它各级的下限频率时，则多级放大电路的下限频率近似等于该级放大电路的下限频率。多级放大电路的下限频率近似等于该级放大电路的下限频率。nkHkHff1211.11（具体推导过程见教材（具体推导过程见教材 P231P231）当各级放大电路的上限频率相同或很接近时，多级放大电路的上限当各级放大电路的上限频率相同或很接近时，多级放大电路的上限频率按下式计算：频率按下式计算：当其中一级放大电路的

22、上限频率远小于其它各级的上限频率时，则当其中一级放大电路的上限频率远小于其它各级的上限频率时，则多级放大电路的上限频率近似等于该级放大电路的上限频率。多级放大电路的上限频率近似等于该级放大电路的上限频率。5若两级放大器具有相同频率特性，级联后上、下限频率为：若两级放大器具有相同频率特性，级联后上、下限频率为：11112156121164302112111LLLHHHHHf.f.ff.ff,f.f 对于三级放大器对于三级放大器1111219113115203113111LLLHHHHHf.f.ff.ff,f.f 本讲主要介绍了以下基本内容：本讲主要介绍了以下基本内容：频率响应的基本概念。频率响应的基本概念。频率响应的分析、计算方法。频率响应的分析、计算方法。波特图的画法。波特图的画法。6