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5.4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5.3场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型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童童诗诗白白第第三三版版童童诗诗白白第第三三版版本章重点和考点：本章重点和考点：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
2、混合模型。模型。本章教学时数：本章教学时数：6学时学时童童诗诗白白第第三三版版本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.为什么要讨论频率响应？如何制定一个为什么要讨论频率响应？如何制定一个RC网络的频网络的频率响应？如何画出频率响应曲线？率响应？如何画出频率响应曲线？2.晶体管与场效应管的晶体管与场效应管的h参数等效模型在高频下还适应吗？参数等效模型在高频下还适应吗？为什么？为什么？3.什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何确定放大电路的通频带？确定放大电路的通频带？4.如果放大电路的频率响应，应该怎么办？如果放大电路的频率响应，应该怎么办？
3、5.对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？6.为什么集成运放的通频带很窄？有办法展宽吗？为什么集成运放的通频带很窄？有办法展宽吗？第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应5.1频率响应概述频率响应概述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电容，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，这种关系称为所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关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
4、将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频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，以及频率响应的率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。描述方法。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应一、一、高通电路高通电路+_+_CRiUOU图图 5.1.1（a)RC 高通电路高通电路RCCRRUUAu j111j1iO 令：令：LL2121 RCfLLLLj1jj11j111ffffffAu2LL1ffffAu模：)(arctan90Lff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第五章放大电路的
5、频率响应第五章放大电路的频率响应2LL1lg20lg20lg20ffffAu则有：则有：dB 020lg L uAff时时，当当LLLlg20lg20lg20 ffffAffu 时时，当当dB32lg20lg20 L uAff时时，当当2LL1ffffAu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。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应对数幅频特性：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 fL(低频低频)，1 uA1 uA高通特性：高通特性：且频率愈低，的值愈小，且频率愈低，的
6、值愈小，低频信号不能通过。低频信号不能通过。uA0.1 fLfL 10 fLfdB/lg20uA0 20 403dB最大误差为最大误差为 3 dB，发生在发生在 f=fL处处20dB/十倍频十倍频第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应对数相频特性对数相频特性图图 5.1.3(a)相频特性相频特性5.71 45/十倍频十倍频fL0.1 fL 10 fL4590 0 f 误差误差 在低频段，高通电路产生在低频段，高通电路产生 0 90 的超前相移。的超前相移。5.71 45;90;0LLL 时，时，时，时，时，时，ffffff)(arctan90Lff相角：第五章放大电路的频率响应第五章
7、放大电路的频率响应1、晶体管、场效应管的混合模型。考虑并联在极间电容的影响，其等效电路：4单管放大电路的频率响应1场效应管的高频等效模型（a)(a)晶体管的结构示意图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就含有多个高通电路。(d)Ce所在回路的等效电路设某运放第二级放大电路输入端等效电容所在回路的时间常数最大2简化混合 模型的简化单向化靠等效变换实现。fH称为上限截止频率单管共射放大电路的频率响应在低频段，开路，考虑C的影响，下限频率为：当 f Rs，Rb rbe；在低频段，高通电路产生 0 90 的超前相移。1晶体管的混合 模 型的对数幅频特性和相频特性二、二、
8、RC 低通电路的波特图低通电路的波特图图图 5.1.2RC 低通电路图低通电路图+_+_CRiUOURCCRCAu j11j1j1 令令：RCf 2121HH 则：则：HHj11j11ffAu 2H11 ffAu Harctanff fH称为上限截止频率称为上限截止频率第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应图图 5.1.3(b)低通电路的波特图低通电路的波特图对数对数幅频特性：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 fH 0
9、f在高频段，在高频段，低通电路产生低通电路产生0 90的滞后的滞后相移。相移。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应小结小结（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数常数，即决定了，即决定了fL和和fH。（2）当信号频率等于）当信号频率等于fL或或fH放大电路的增益下降放大电路的增益下降3dB，且产生，且产生+450或或-450相移。相移。（3 3）近似分析中，可以用折线化的近似波特图）近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。表示放大电路的频率特性。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应5.2.1晶体管的混合
10、晶体管的混合 模模 型型一、完整的混合一、完整的混合 模模型型图图 5.2.1晶体管结构示意图及混合晶体管结构示意图及混合 模模型型5.2晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型(a)晶体管的结构示意图晶体管的结构示意图(b)混合混合 模模型型ebU第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应二、简化的二、简化的混合混合 模模型型通常情况下，通常情况下，rce远大于远大于c-e间所接的负载间所接的负载电阻，而电阻，而rb/c也远大于也远大于C的容抗，因而可的容抗，因而可认为认为rce和和rb/c开路。开路。(b)混合混合 模模型型ebU图5.2.2 混合混合 模模型的型的简化简化(a)简化
11、的简化的混合混合 模模型型第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应C跨接在输入与输出回路之间，电路分析变得相当复杂。跨接在输入与输出回路之间，电路分析变得相当复杂。常将常将C等效在输入回路和输出回路，称为等效在输入回路和输出回路，称为单向化单向化。单向单向化靠等效变换实现。化靠等效变换实现。图5.2.2简化简化混合混合 模模型的型的简化简化 (b)单向化后的混合单向化后的混合 模模型型图5.2.2简化简化混合混合 模模型的型的简化简化 (C)忽略忽略C的混合的混合 模模型型因为因为C ，且一般情况下。，且一般情况下。的容抗远大于集电的容抗远大于集电极总负载电阻极总负载电阻R，中的电流可
12、忽略不计，得简化模型中的电流可忽略不计，得简化模型图（图（C）。）。Cu/Cu/Cu/第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应密勒定理：密勒定理：用两个电容来等效用两个电容来等效 C。分别接在。分别接在 b、e 和和 c、e 两端。两端。其中：其中：电容值分别为电容值分别为：等效电容的求法等效电容的求法CKKCCKC 1;)1(CK1CC）（图5.2.2简化简化混合混合 模模型的型的简化简化 (b)单向化后的混合单向化后的混合 模模型型图5.2.2简化简化混合混合 模模型的型的简化简化 (C)忽略忽略C的混合的混合 模模型型ebceUUK第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应
13、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。低频段：f=fL开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；1晶体管结构示意图及混合 模型2简化混合 模型的简化3(b)低通电路的波特图即：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。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 rbb 和 Cbc 均小的高频三极管。的对数幅频特性与对数相频特性707 0(即 )时的频率。（3）近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。1研究放大电路频率响应的必要性频率补偿：在集成运放电路中接入不同的补偿电
14、路，改变集成运放的频率响应，使f=fO时，20lgA0d 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 第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应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 第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应 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第五章放大电路的频率响应
15、第五章放大电路的频率响应说明：说明：ff)1(10000 ，因因为为：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 Cbe集成运放AOd很大，等效电容 或 很大；求共射接法交流短路电流放大系数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，以及频率响应的描述方法。考虑结电容对高频特性的影响最大误差为 3 dB，发生在 f=fL处(b)C1所在回路的等效电路则折合到输入端的等效电容C/是C的 Auk 倍，考虑Ce对低频特性的影响707 0(即 )时的频率。(动画avi5-3.(b)单向化后的混合 模型1研究放大电路频
16、率响应的必要性C可从手册中查得Cob，Cob与C近似相等。当 f Rs，Rb rbe；(1+gmRc)Cb c Cb eCRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故cbbbs)(21 CrR第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应cbbbsHsm)(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 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，若将放大倍数确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数提高若干倍，则通频带也
17、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。*场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅）场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅）第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应复习：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(HLLsmHLsmsfffff
18、fAffffAAuuu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第五章放大电路的频率响应第五章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5.5.1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电路中有多个低通
19、电路多个低通电路。在阻容耦合放大电路中，如。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就有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有含有多个高通电路多个高通电路。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应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/十倍频十倍频第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应图图 5.5.1相频
20、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。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应5.5.2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
21、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。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应例例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
22、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第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应例例5.5.2分别求出如图分别求出如图所示所示Q点稳定电路中
23、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：交流等效电路图图5.5.3(a)Q点稳定电路的交流等效电路点稳定电路的交流等效电路第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应1.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
24、响(c)C2所在回路的等效电路所在回路的等效电路2222121CRRfLcL第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应3.考虑考虑Ce对低频特性的影响对低频特性的影响(d)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所在回路的时间所在回路的时间常数常数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
25、，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。第五章放大电路的频率响应第五章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5.6.1集成运放的频率响应集成运放的频率响应集成运放有很好的低频特性（集成运放有很好的低频特性（fL0）：）：集成运放直接耦合放大电路集成运放直接耦合放大电路集成运放高频特性较差：集成运放高频特性较差：集成运放集成运放AOd很大，很大，等效电等效电容容 或或 很大；集成运放很大；集成运放内部需接补偿电容。内部需接补偿电容。CgsC末加频率补偿集成运放末加
26、频率补偿集成运放的频率响应的频率响应图图5.6.1末加频率补偿末加频率补偿第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应fC单位增益带宽单位增益带宽fO附加相移为附加相移为 1801800 0对应的频率对应的频率集成运放常引入负反馈，容集成运放常引入负反馈，容易产生自激振荡。易产生自激振荡。自激振荡产生的条件自激振荡产生的条件存在存在fO，且，且fO fC如何消除自激振荡？如何消除自激振荡？图图5.6.1末加频率补偿的集成运放末加频率补偿的集成运放的频率响应的频率响应第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应5.6.2集成运放的频率补偿集成运放的频率补偿频率补偿频率补偿：在集成运放电路
27、中接入不同的补偿电路，改：在集成运放电路中接入不同的补偿电路，改变集成运放的频率响应，使变集成运放的频率响应，使f=fO时，时，20lgA0d-1800，从而破坏产生自，从而破坏产生自激振荡的条件，使电路稳定。激振荡的条件，使电路稳定。稳定裕度稳定裕度幅值裕度幅值裕度相位裕度相位裕度OffodmAGlg20Cffm0180fCfO一般要求一般要求Gm-10dB,m450第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应一、滞后补偿一、滞后补偿在加入补偿电容后，使运放的幅频特性在大于在加入补偿电容后，使运放的幅频特性在大于0dB的的频率范围内只存在一个拐点，并按频率范围内只存在一个拐点，并按-20
28、dB/十倍频的十倍频的斜率下降，即相当于一个斜率下降，即相当于一个RC回路的频率响应。其附回路的频率响应。其附加相移为加相移为-900。1.简单电容补偿简单电容补偿将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级电路中，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降电路中，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低，以至增益隋频率始终按低，以至增益隋频率始终按-20dB/十倍频的斜率下十倍频的斜率下降，直至降，直至0dB。第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应设某运放第二级放大电路输设某运放第二级放大电路输入端等效电容所在回路的时入端等效电容所在回路的时间常
29、数最大间常数最大22011/21iiHCRRf)(/2122011CCRRfiiH图图5.6.3滞后补偿前后集成运放的幅频特性滞后补偿前后集成运放的幅频特性图图5.6.4简单电容补偿简单电容补偿加加C之前之前加加C之后之后第五章放大电路的频率响应第五章放大电路的频率响应将电容将电容C跨接在某级放大电路的输入端和输出端，跨接在某级放大电路的输入端和输出端，则折合到输入端的则折合到输入端的等效电容等效电容C/是是C的的Auk倍，倍，（Auk该级放大电路的电压放大倍数该级放大电路的电压放大倍数）2.密勒效应补偿密勒效应补偿图5.6.5密勒效应补偿密勒效应补偿滞后补偿的缺点：滞后补偿的缺点：降低了上限频率降低了上限频率二、超前补偿（略）二、超前补偿（略）
