1、第四章第四章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.1频率响应的概念频率响应的概念4.2晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型4.4单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应4.3场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型4.6放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应本章重点：本章重点：2、单管共射放大电路混合、单管共射放大电路混合模型等效电路图、模型等效电路图、频率响应的表达式及波特图绘制频率响应的表达式及波特图绘制。1、晶体管、场效应管的混合、晶体管、场效应管的混合模型。模型。4.14.1频率响应的概念频率响应的概念研究放大电路频率响应
2、的必要性研究放大电路频率响应的必要性 由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为称为频率响应或频率特性。频率响应或频率特性。小小信号等效模型只适用于低频信号的分析。信号等效模型只适用于低频信号的分析。本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。的描述方法。()()ouiUjAUj()()uuAAff放大电路的放大电路
3、的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。HLBWff 在在中频区中频区各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍数各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍数Au基本上不基本上不随信号频率而变化，保持常数。随信号频率而变化，保持常数。在在低频区低频区，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使放大倍数下降；放大倍数下降；在在高频区高频区，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大倍数下降。倍数下降。在绘制频率响应曲线时，常常采用在绘制频率响应曲线时，常
4、常采用对数坐标。对数坐标。幅频特性的纵坐标为幅频特性的纵坐标为 ，单位，单位为分贝（为分贝（dB）。）。相频特性的纵坐标仍为相频特性的纵坐标仍为，不取对数。，不取对数。这时得到的频率响应曲线称为对数频这时得到的频率响应曲线称为对数频率响应或波特图。率响应或波特图。20lg|uA 在波特图中，放大器的下限频率在波特图中，放大器的下限频率fL和上限频率和上限频率fH也就是中频电压增益下也就是中频电压增益下降降3dB时所对应的两个频率。时所对应的两个频率。频率失真又包括幅度失真和相位失真。频率失真又包括幅度失真和相位失真。幅度失真：幅度失真：是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同是由于放大器对不同
5、频率信号的放大倍数不同 而引起输出波形产生的失真。而引起输出波形产生的失真。相位失真：相位失真：是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而 引起输出波形产生的失真。引起输出波形产生的失真。幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真o1uH11111111iUj CAj RCURj C时间常数时间常数H=R1C1，令，令HHH1111222fRCuHHH1111AfjjfuH2H11AffHHarctanff 幅频响应：幅频响应：相频响应：相频响应：uH2H11Aff当当ffH 时，时，211HuHHfAfff-20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍
6、频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4 RC低通电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应uHA随着随着f的上升的上升，越来越小越来越小两条直线的交点两条直线的交点f H称为转折频率。称为转折频率。当当ffH 时，时，-20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4 RC低通电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应HHarctanff 当当f=fH 时，时，H0H9045OH随着随着f的
7、上升的上升，越来越小越来越小H可以利用可以利用RC低通电路来模拟放大电低通电路来模拟放大电路的高频响应。路的高频响应。2L20lg20lg1ufAf 则有：则有：,20lg20lg10 dBHffAu 当时，HH 20lg20lguffAff 当时，H 20lg20lg23dBuffA 当时，放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。uH2H11Aff对数对数幅频特性：幅频特性：0.1 fHfH 10 fHfdB/lg20uA0 20 403dB 20dB/十倍频十倍频对数相频特性：对数相频特性：fH 10 fH 455.715.71 45/十倍频十倍频 900.1 f
8、H 0f在高频段，低在高频段，低通电路产生通电路产生0 90的滞后相的滞后相移。移。（3）低通电路的波特图）低通电路的波特图时间常数时间常数L=R2C2，令，令幅频响应：幅频响应：相频响应：相频响应：图5.5 RC高通电路+_iUoU+_R2C2o222uL222211iURj R CAj R CURj CLLL2211222fR CLLuLLL11fjjfAfjjfLuL2L1ffAffLLarctanff当当ffL 时，时，uHA随着随着f的下降的下降，越来越小越来越小LLuLLL11fjjfAfjjfLuL2LL1fffAfffLuL2L11ffAff 当当ffH 时，时，当当f=fH
9、时，时，H0H9045OH随着随着f的下降的下降，越来越小越来越小H可以利用可以利用RC高通电路来模拟放大电高通电路来模拟放大电路的低频响应。路的低频响应。LLarctanff2LL1lg20lg20lg20ffffAu则有：则有：dB 020lg L uAff时时，当当LL 20lg20lgufffAf当时，dB32lg20lg20 L uAff时时，当当L2L1uffAff放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。实际幅频特性曲线：实际幅频特性曲线：幅频特性幅频特性当当 f fL(高频高频)，当当 f fT 时，时，三极管失去放大作用；三极管失去放大作用；f fT
10、时，由式时，由式；112T0 ff得：得：ff0T 3.共基截止频率共基截止频率 f 值下降为低频值下降为低频 0 时时 的的 0.707 时的频率。时的频率。ffj10 【f 与与 f 、fT 之间关系之间关系】：因为因为，1 ffj10 可得可得 ffffff)1(j11/j11/j100000 比比较较，可可知知与与 ffj10 ff)1(10000【说明：说明：】ff)1(10000 ，因为：因为：所以：所以：1.f 比比 f 高很多，等于高很多，等于 f 的的(1+0)倍；倍；2.f fT f 3.低频小功率管低频小功率管 f 值约为几十至几百千赫，高频小值约为几十至几百千赫，高频小
11、功率管的功率管的 fT 约为几十至几百兆赫。约为几十至几百兆赫。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C1Rb+VCCC2Rc+Rs+SUOUiU+单管共射放大电路单管共射放大电路中频段：中频段：各种电各种电抗影响忽略，抗影响忽略，Au 与与 f 无关；无关；低频段：低频段：隔直电隔直电容压降增大，容压降增大，Au 降降低。与电路中电阻构低。与电路中电阻构成成 RC 高通电路；高通电路；高频段：高频段：三极管极间电容并联在电路中，三极管极间电容并联在电路中，Au 降低。而降低。而且，构成且，构成 RC 低通电路。低通电路。ceb eUKU折合到折合到b-e之间为：之间为：(1)K
12、 C折合到折合到c-e之间为之间为 1KCCK usmAbeomcUg UR b ebebbb eiirUUpUrrssiiirUURrbebbberprrbbbbe/()irRrr式中式中 beomcsmcssbbbesiiiirrrUg R Upg R URrrrRr ousmmcsiiiUrApg RRrU uslAbeomcUg UR bebebbbeiirUUpUrrss11iiirUURrj Cbbbb e/()irRrrb ebbb erprromcss11iirUpg R URrj C ousLmcmcss1s11111()iiisiiUrrApg Rpg RRrURrj Cj
13、Rr C L1L1s11122()ifRr CL1s1()iRr CLusLusmL1fjfAAfjf由上面的推导可以看出，fL1与C1所在回路的时间常数成反比。同理，当只考虑C2的影响时，可以得出其下限截止频率fL2为 L2oL2cL2112()2()fRR CRR C分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响分压式偏置放大电路来说，还应考虑射极旁路电容Ce的影响在回路中其时间常数为 L3e1R C则下限截止频率fL3为 L3L3e1122fR Cbesb1b2e/1rRRRRR usHA在高频区，由于容抗变小，则耦合电容和旁路电容可忽略不计，视为短路，但并联的极间电容的影响应予
14、以考虑，其等效电路如图（a）所示。由于1KCCK 所在回路的时间常数比输入回路C的时间常数小得多，所以将C忽略不计，如图（b）所示。usHAb eomcUg UR bessssbbbeiiisirrrUUpURrrrRr b ebbsb/(/)RrrRRbessss111111iij CUUUj RCRj CrpUj RCRromcss11iirUg RpUj RCRr ousHmcs11iisUrApg RRrj RCU HH1122fRCHRCusHusmH11AAfjf放大倍数放大倍数uA在全部频率范围内的表达式在全部频率范围内的表达式：11LususmLHfjfAAffjff-2020
15、lgdBuA03dB-20dB/十倍频称20dB/十倍频称-400.1fLfL10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45o/十倍频称0.1fH（a）（b）图5.17 放大电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应45o90ofH-45o/十倍频称四、波特图四、波特图)j1)(j1(j)j1)(j1(HLLsmHLsmsffffffAffffAAuuu绘制波特图步骤：绘制波特图步骤：1.根据电路参数计算根据电路参数计算 、fL 和和 fH；smuA2.由三段直线构成幅频特性。由三段直线构成幅频特性。smuA中频段：中频段：对数幅值对数幅值=20lg 低频段：低频段：f=fL开始减小，作
16、斜率为开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；十倍频直线；高频段：高频段：f=fH 开始增加，作斜率为开始增加，作斜率为 20 dB/十倍频直线。十倍频直线。3.由五段直线构成相频特性。由五段直线构成相频特性。图图 5.4.5幅频特性幅频特性fdB/lg20uAOfL 20dB/十倍频十倍频fH20dB/十倍频十倍频smlg20uA 270 225 135 180相频特性相频特性 9010 fL0.1fL0.1fH10 fHfO f|Au|0.707|Auo|fLfH|Auo|幅频特性幅频特性f 270 180 90相频特性相频特性 放大电路频率响应的改善和增益带宽积放大电路频率响应的改善
17、和增益带宽积1.为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，放大电路可采为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，放大电路可采用直接耦合方式，使得用直接耦合方式，使得fL 02.为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限频率为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限频率fH。3.增益带宽积增益带宽积中频电压放大倍数与通频带的乘积。中频电压放大倍数与通频带的乘积。cbbbsHsm)(21 CrRfAucbbbsHsm)(21 CrRfAu说明：说明：HsmfAu 式不很严格，但从中可以看出一个大式不很严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和和
18、 Cb c 的值即被的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数若将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用电路，首要的问题是选用 rbb 和和 Cb c 均小的高频三极管。均小的高频三极管。复习：复习：1.晶体管、场效应管的晶体管、场效应管的混合混合 模模型型2.单管共射放大电路的单管共射放大电路的频率响应频率响应表达式：表达式：)j1)(j1(j)j1)(j1(HLLsmHL
19、smsffffffAffffAAuuu波特图的绘制：波特图的绘制：三段直线构成幅频特性三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性五段直线构成相频特性4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应4.5.1多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路的电压放大倍数：多级放大电路的电压放大倍数：unuuuAAAA 21对数幅频特性为：对数幅频特性为：nkukunuuuAAAAA121lg20lg20lg20lg20lg20 在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有多个低通电路多个低通电路。在。在阻容耦
20、合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路多个高通电路。多级放大电路的总相位移为：多级放大电路的总相位移为：nkkn121 两级放大电路的波特图两级放大电路的波特图图图 5.5.1fHfL幅频特性幅频特性fdB/lg20uAOfL1fH16 dB3 dB3 dBfBW1fBW2一一 级级二二 级级 20dB/十倍频十倍频 40dB/十倍频十倍频图图 5.5.1相频特性相频特性 270 360fL1fH1fO 540 180 450 90一一 级级二二 级级多级放大电路的通频带，总是比组成
21、它的每一级的多级放大电路的通频带，总是比组成它的每一级的通频带为窄。通频带为窄。4.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算多级放大电路的上限频率和下限频率的估算2H22H21HH1111.11nffff 2L22L21LL1.1nffff 在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据即：即：若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。可认为整个电路的下限频率就是该
22、级的下限频率。同理同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。例例4.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求下下限频率、上限频率限频率、上限频率和和电压放大倍数电压放大倍数。（2）高频段只有一个拐点，斜率为）高频段只有一个拐点，斜率为-60dB/十倍频程，电路中应有三个电十倍频程，电路中应有三个电容，为三级放大电路。容，为三级放大电路。解：（解：（1）低频段只有一个拐点，说
23、）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，明影响低频特性的只有一个电容，故电路的下限频率为故电路的下限频率为10Hz。fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz（3）电压放大倍数）电压放大倍数33510 j(1j)(1j)102 10ufAff1.考虑考虑C1对低频特性的影响对低频特性的影响(b)C1所在回路的等效电路所在回路的等效电路1121121/2121CRRcrRRRfiSbebbSLI2.考虑考虑C2对低频特性的影响对低频特性的影响(c)C2所在回路的等效电路所在回路的等效电路2222121CRRfLcL3.考虑考虑Ce对低频特性的影响对低频特性的影响(d
24、)Ce所在回路的等效电路所在回路的等效电路eSbbbeeeLICRRRrRf1/2121214.4.考虑结电容对高频特性的影响考虑结电容对高频特性的影响(e)结电容所在回路的等效电路结电容所在回路的等效电路CRRRrrfSbbbbebHH/212121比较比较C1、C2、Ce所在回路的时间常数所在回路的时间常数1 1、2 2、e e,当取当取C C1 1C C2 2CeCe时，时，e e将远小于将远小于1 1,2 2，即即f fLeLe远大于远大于f fL1L1和和f fL2L2因此，因此，f fLeLe就约为电路的下限频率就约为电路的下限频率。4.6 放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应 研
25、究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下的频率响应，这种分析方法称为的频率响应，这种分析方法称为频域法频域法。优点优点:是分析简单，实际测试方便是分析简单，实际测试方便 缺点缺点:是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路的波形失真，的波形失真，采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析方法称为方法称为时域法时域法。优点优点:是可以很直观地判断放大电路
26、的波形失真是可以很直观地判断放大电路的波形失真缺点缺点:是分析比较复杂是分析比较复杂1.阶跃信号阶跃信号0,0(),0tu tUt2.单级放大电路的阶跃响应单级放大电路的阶跃响应（1）上升时间）上升时间t r上升部分可以采用上升部分可以采用RC低通电路来模拟低通电路来模拟 R1C1图5.20 单级放大电路的上升时间uSuO1.00.90.10trt1t2tOSuU（a）（b）oS(1)tRCuUe（1）上升时间）上升时间t roS(1)tRCuUe 定义上升时间定义上升时间t r来表示前沿失真，来表示前沿失真，上升时间上升时间t r是指是指输出电压从终始值的输出电压从终始值的10%上升到上升到
27、90%所需的时间所需的时间。11()10.1tORCSuteU 10.9tRCe22()10.9tORCSuteU 20.1tRCe120.990.1tRCtRCeer21(ln9)tttRCH12fRCH12fRCrrHH0.350.35tt ff或说明：说明：上升时间上升时间tr与上限频率与上限频率fH成反比，成反比，fH越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。（2）平顶降落）平顶降落平顶部分可以采用平顶部分可以采用RC高通电路来模拟高通电路来模拟 RC图5.21 单级放大电路的平顶降落uSuOOtpt（a）（b）uOUSUoStRCuU e 输出电压是按指
28、数规律下降的现象输出电压是按指数规律下降的现象称为称为平顶降落平顶降落。下降速度取决于时间常数下降速度取决于时间常数RC，平顶降落平顶降落：是指在规定的时间是指在规定的时间tp内，输出电压比终始值下降的百分数。即内，输出电压比终始值下降的百分数。即SS100%UUUSptRCUU e pS(1)tUURC 当 时，有RCtpL12fRC考虑到：考虑到：pL p100%2100%tf tRC平顶降落平顶降落与低频下限频率与低频下限频率fL成正比成正比fL越低，平顶降落越低，平顶降落越越小小 tpuUSOtU图5.22 方波信号的平顶降落则则tp代表方波的半个周期，即代表方波的半个周期，即p122
29、Ttf 则平顶降落则平顶降落为为 L100%ff从本节的分析可知，时域法和频域法虽然是两种不同从本节的分析可知，时域法和频域法虽然是两种不同的方法，但它们有着内在的联系；的方法，但它们有着内在的联系；当放大电路的输入信号为阶跃电压时，在阶跃电压的当放大电路的输入信号为阶跃电压时，在阶跃电压的上升阶段，放大电路输出电压的上升时间决定于放大上升阶段，放大电路输出电压的上升时间决定于放大电路的上限频率电路的上限频率fH；而在阶跃电压的平顶阶段，放大电路输出电压的平顶而在阶跃电压的平顶阶段，放大电路输出电压的平顶降落又决定于放大电路的下限频率降落又决定于放大电路的下限频率fL。一个频带很宽的放大电路，同时也应该是一个很好的一个频带很宽的放大电路，同时也应该是一个很好的方波信号放大电路。工程中也常用一定频率的方波信方波信号放大电路。工程中也常用一定频率的方波信号去测试宽频带放大电路的频率响应，如它的方波响号去测试宽频带放大电路的频率响应，如它的方波响应很好，则说明它的频带较宽。应很好，则说明它的频带较宽。感谢下感谢下载载
