1、华北科技学院华北科技学院电子信息工程学院电子信息工程学院主讲人：主讲人：林亭生林亭生多媒体教学课件多媒体教学课件 模拟电子技术基础模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronics华成英、童诗白主编华成英、童诗白主编第第5 5章章 放大放大电路的频率响应电路的频率响应重点：重点：1.1.频率响应的基本概念、波特图。频率响应的基本概念、波特图。2.2.晶体管（场效应管）的高频等效模型晶体管（场效应管）的高频等效模型 （混合（混合 模模型）。型）。3.3.单管放大电路的频率响应。单管放大电路的频率响应。4.4.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
2、率响应概频率响应概述述5.1.1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 由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间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，这种关电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为系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，以及频率响限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。应的描述方法。一、一、高
3、通电路高通电路+_+_CRi UO U RC 高通电高通电路路RCCRRUUAu j111j1iO 令：令：LL2121 RCfLLLLj1jj11j111ffffffAu 2LL1 ffffAu模：模：)arctan(90Lffo相角：5.1.2频率响应的基本概念频率响应的基本概念fL称为下限截止频率称为下限截止频率2LL1lg20lg20lg20ffffAu则有：则有：dB 020lg L uAff时时，当当LLlg20lg20 ffAffu时，当dB32lg20lg20 L uAff时时，当当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。2LL1 ffffAu对数幅频
4、特性：对数幅频特性：实际幅频特性曲线：实际幅频特性曲线：图图 5.1.3(a)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 时，由式时，由式；112T0 ff得：得：ff0T 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(100003.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。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
5、 f 的的(1+0)倍；倍；2.f fT f,因此共基极放大电路可作为宽频带放大电路。因此共基极放大电路可作为宽频带放大电路。5.3场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型场效应管各极之间存在极间电容，其高频等效模型如下场效应管各极之间存在极间电容，其高频等效模型如下图图5.3.1场效应管的高频等效模型（场效应管的高频等效模型（a)一般情况下一般情况下 rgs和和 rds比外接电阻大得多，可认为是开路比外接电阻大得多，可认为是开路 Cgd可进行等效变化，使电路单向化可进行等效变化，使电路单向化 Cgd等效变化等效变化g-s之间的等效电容为之间的等效电容为d-s之间的等效电容为之间的等效电容
6、为)(1LmgddsdsRgKCKKCC由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多，故分析由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多，故分析频率特性时可忽略的影响。频率特性时可忽略的影响。dsC)()1(LmgdgsgsRgKCKCC图图5.3.1场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型(b)简化模型简化模型5.4单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应5.4.1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图图 5.4.1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：隔直隔直电容压降增大，电容压降增大
7、，Au 降低。与电路中电阻降低。与电路中电阻构成构成 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。降低。而且，构成而且，构成 RC 低通电路。低通电路。一、中频电压放大倍数一、中频电压放大倍数耦合电容耦合电容 可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。1.中频段等效电路中频段等效电路图图 5.4.2中频段等效电路中频段等效电路由图可得由图可得bebisbeebisieb/rRRUrrRRRU 式中式中scmbeebisicebmoURgrrRRRRUgU b eb rebm Ugbb rbc
8、e +RbSU+RcRseb UoUiU2.中频电压放大倍数中频电压放大倍数已知已知 ，则，则ebm rg becisismrRRRRAu 结论：结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化中频电压放大倍数的表达式，与利用简化 h 参数等效电路的分析结果一致。参数等效电路的分析结果一致。cmbeebisisosmRgrrRRRUUAu 二、低频电压放大倍数二、低频电压放大倍数考虑考虑隔直电容隔直电容的作用，其等效电路：的作用，其等效电路：图图 5.4.3低频等效电路低频等效电路C1 与输入与输入电阻构成一个电阻构成一个 RC 高通电路高通电路sbeeb1isiebj1UrrCRRRU 式中式中
9、Ri=Rb /rbeb eb rebm Ugbb rbce +RbSU+RcRseb UoUiUC1SUsbeeb1isiebj1UrrCRRRU 输出电压输出电压s1iscmbeebisicebmo)(j111UCRRRgrrRRRRUgU低频电压放大倍数低频电压放大倍数1issmsosL)(j111CRRAUUAuu b eb rebm Ugbb rbce +RbSU+RcRseb UoUiUC1SU低频时间常数为：低频时间常数为：1isL)(CRR 下限下限(3 dB)频率为：频率为：1isLL)(2121CRRf 则则L LL Lu us sm mL Lu us sm mu us sL
10、 Lf ff fj j1 1f ff fj jA Af ff fj j1 11 1A AA A对数幅频特性对数幅频特性2LLusmusl)ff(1ff20lgA20lgA20lg对数相频特性对数相频特性LLffffarctan90)arctan90(180000 因电抗元件引起的相移为附加相移。因电抗元件引起的相移为附加相移。低频段最大附加相移低频段最大附加相移为为+90度度三、高频电压放大倍数三、高频电压放大倍数考虑考虑并联在极间电容并联在极间电容的影响，其等效电路：的影响，其等效电路：图图 5.4.4高频等效电路高频等效电路b ebm Ugbb rbce +RbSU+RcRseb UoUi
11、UC cb1 CKKeb r图图 5.4.4高频等效电路的简化高频等效电路的简化(a)由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。数，故可忽略输出回路的结电容。用戴维南定理简化用戴维南定理简化图图 5.4.4(b)/(/,bsbbebsbeebisisRRrrRUrrRRRU C 与与 R 构成构成 RC 低通电路。低通电路。ebm Ugce+sU+RcoUeb UR C CRgCKC)1(C)1(Ccm ssebj11j1j1UCRUCRCU CRAUUAuu j11smsosh高频时间常数：高频时间常数：CR H上限上限(-
12、3 dB)频率为：频率为：CRf 2121HHHsmsh11:ffjAAuu 故故SUCRRgrrRRRRUgU j11cmbeebisicmoeb四、波特图四、波特图对频率从对频率从0到到的电压放大倍数表达式为的电压放大倍数表达式为sHuA的对数幅频特性和相频特性的对数幅频特性和相频特性2H)(1lg20lg20lg20ffAAusmush H0arctan180ff 高频段最大附加相移为高频段最大附加相移为-90度度)j1)(1()j1)(j1(jHLsmHLLsmsffjffAffffffAAuuu1.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
13、性。由三段直线构成幅频特性。smlg20uA 中频段：中频段：对数幅值对数幅值 低频段：低频段：f=fL开始减小，作斜率为开始减小，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。绘制波特图步骤：绘制波特图步骤：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 5.4.3放大电
14、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，应降低下限频率为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率,放大放大电路可采用直接耦合方式，使得电路可采用直接耦合方式，使得fL=0。2.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。HH2121CRf cmbeebisisosmRgrrRRRUUAu CRgCCKCC)1()1(cm )/(/bsbbebRRrrR 的的增增大大相相矛矛盾盾。的的提提高高与与所所以以,(需需显显然然，usmHusmLm)AfARgC (场效应管为场效应管为Cgs)3.3.
15、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。CRfRgrrRRRAu 21Hcmbeebisism；因因为为 )/(/bsbbebRRrrR CRgCC)1(cm Ri=Rb/rbe假设假设 Rb Rs，Rb rbe；(1+gmRc)C C 为了综合考为了综合考 的性能引入的性能引入“增益带宽积增益带宽积”的参数。的参数。usmAf与与H CrRfAu)(21bbsHsm 说明：说明：晶体管选定后，晶体管选定后，和和 就随之确定，就随之确定，增益带宽积也就确定，增益增大多少倍，带宽几乎就增益带宽积也就确定，增益增大多少倍，带宽几乎就变窄多少倍。变窄多少倍
16、。bbr)(obCC约约为为 CRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故 CrR)(21bbs bbr)(obCC和和 C 若要改善电路的高频特性，展宽通频带，首先应若要改善电路的高频特性，展宽通频带，首先应选用选用 都小的高频管，且减小都小的高频管，且减小 所在的所在的回路的总等效电阻。或采用共基极电路。回路的总等效电阻。或采用共基极电路。5.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应5.5.1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：nku
17、kunuuuAAAAA121lg20lg20lg20lg20lg20 在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频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等效电路中有多个低通电路多个低通电路。在阻容耦合放大电路中，。在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 dBfBW1fBW
18、2一一 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，总是比组成它的每一级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。的通频带为窄。5.5.2 截止频率的估算截止频率的估算1.下限下限频率频率 NkkumkulffAA12L1|多级放大电路低频段的电压放大倍数：多级放大电路低频段的电压放大倍数：根据定义，当根据定义，当 时，时，Lff Nkkff12LL21两边取平方，得两边取平方，得Nkkff12L21L展开得展开得212LL 高
19、高次次项项ffk忽略高次项，得忽略高次项，得 Nkkff12LL修正得修正得 Nkkff12LL1.1 2.上限上限频率频率 NkkumkffAA12Huh1|多级放大电路高频段的电压放大倍数：多级放大电路高频段的电压放大倍数：根据定义，当根据定义，当 时，时，Hff Nkkff12HH21两边取平方，得两边取平方，得nkkff1221HH展开得展开得212 高高次次项项HkHff忽略高次项，得忽略高次项，得 NkKff12HH11修正得修正得 NkKff12H11.11H L1L1LH11HH2H1H56.121.1643.021.1 ,21.11ffffffff 若放大电路是由两级频率特性
20、相同的电路组成，则若放大电路是由两级频率特性相同的电路组成，则若放大电路是由三级频率特性相同的电路组成，则若放大电路是由三级频率特性相同的电路组成，则L1L1LH1H1H2H1H91.131.152.031.1 ,31.11ffffffff 注：注：(1)在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相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，差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据，即：若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可即：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。同理若某认为整
21、个电路的下限频率就是该级的下限频率。同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个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。电路的上限频率就是该级的上限频率。nKkff12LL1.1(2)有多个耦合电容和旁路电容的单管放大电路中，在分析有多个耦合电容和旁路电容的单管放大电路中，在分析下限频率时，应先求出每个电容所确定的截止频率，然后下限频率时，应先求出每个电容所确定的截止频率，然后代入代入 中，求出电路的下限频率中，求出电路的下限频率。例例5.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性
22、如图所示。求特性如图所示。求下限频率、下限频率、上限频率和电压放大倍数。上限频率和电压放大倍数。（2）高频段只有一个拐点，）高频段只有一个拐点，斜率为斜率为-60dB/十倍频程，电十倍频程，电路中应有三个电容，为三级路中应有三个电容，为三级放大电路。放大电路。解：（解：（1）低频段只有一个）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的只有一个电容，故电路的下限频率为的下限频率为10Hz。fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz（3）电压放大倍数）电压放大倍数353)1021)(101(10fjfjjfAu例例5.5.2分别求出如图分别求出
23、如图所示所示Q点稳定电路中点稳定电路中C1 C2和和Ce所确定的下限频所确定的下限频率的表达式及电路上限率的表达式及电路上限频率表达式。频率表达式。C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1Reui图图 2.4.2阻容耦合的静态工作点稳定电路阻容耦合的静态工作点稳定电路b解：交流等效电路解：交流等效电路1.考虑考虑C1对对低频特性的影响低频特性的影响C1所在回路的等效电路所在回路的等效电路2.考虑考虑C2对低频特性的影响对低频特性的影响 C2所在回路的等效电路所在回路的等效电路 2222121CRRfLcL 112111L212121CRRCr/R/RRfiSbebbS 3.考虑考虑Ce对
24、对低频特性的影响低频特性的影响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CRRRrrfSbbbbeb/212121HH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、2、e,当取当取C1C2Ce时，时，e将远小于将远小于1、2，即，即fLe远大于远大于fL1和和fL2。因此，因此，fLe就约为电路的下限频率就约为电路的下限频率。esbbbeeeeCRRRrRf1/212121LCe所在回路的等效电路所在回路的等效电路结电容所在回路的等效电路结电容所在回路的等效电路5.4.2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图图5.4.7单管共源放大电路及其等效电
25、路单管共源放大电路及其等效电路在中频段开路，在中频段开路，C短路，中频电压放大倍数为短路，中频电压放大倍数为gsCLmgsLdgsmioumRgURRUgUUA)/(gsgHCRf21CRRfLdL)(21在高频段，在高频段，C短路，考虑的影响，上限频率为：短路，考虑的影响，上限频率为：gsC在低频段，开路，考虑在低频段，开路，考虑C的影响，下限频率为：的影响，下限频率为：gsC)j1)(j1(j.HLLmffffffAAuu电压放大倍数电压放大倍数5.6频率响应频率响应：描述放大电路对不描述放大电路对不同频率正弦信号放大的能力，同频率正弦信号放大的能力，即在输入信号幅值不变的情况即在输入信号
26、幅值不变的情况下改变频率，来考察输出信号下改变频率，来考察输出信号幅值与相位的变化。幅值与相位的变化。阶跃响应阶跃响应：用阶跃函数作为放用阶跃函数作为放大电路的输入信号，考察输出大电路的输入信号，考察输出信号前沿与顶部的变化，称信号前沿与顶部的变化，称时时域法域法。频率响应与阶跃响应频率响应与阶跃响应上升时间上升时间：输出电压从输出电压从稳态值的稳态值的 10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所需要的所需要的时间。时间。倾斜率倾斜率：在指定的时间内，在指定的时间内，输出电输出电压顶部的变化量与上升的终了值压顶部的变化量与上升的终了值的的百分比。百分比。%100 omomomUUU 5.6.1
27、 阶跃响应的指标阶跃响应的指标超载量超载量：指在输出电压上升的瞬态：指在输出电压上升的瞬态过程中，上升值超过终了值的部分，过程中，上升值超过终了值的部分，一般用超过终了值的百分比来表示。一般用超过终了值的百分比来表示。1.fH愈大，愈大，tr愈小，放大电路的高频特性愈好。愈小，放大电路的高频特性愈好。2.fL愈低，愈低，愈小，放大电路的低频特性愈好愈小，放大电路的低频特性愈好。5.6.2 频率响应与阶跃响应的关系频率响应与阶跃响应的关系本章基本要求本章基本要求1 1.掌握以下概念：上限频率，下限频率，通频带，掌握以下概念：上限频率，下限频率，通频带，波特图，增益带宽积。波特图，增益带宽积。2.能够计算放大电路中只含一个时间常数时的能够计算放大电路中只含一个时间常数时的 fH 和和 fL，并会画出波特图。并会画出波特图。3.了解多级放大电路频率响应与组成它的各级电路频了解多级放大电路频率响应与组成它的各级电路频 率响应间的关系。率响应间的关系。
