模拟电子电路课件学chaper05

25 五、放大电路的频率响应五、放大电路的频率响应 ?通频带通频带是放大电路性能指标之一是放大电路性能指标之一(第二章第二章), 表征了电路 放大倍数是受信号频率影响的 表征了电路 放大倍数是受信号频率影响的 ?放大倍数与信号频率的函数关系称为放大倍数与信号频率的函数关系称为频率响应频率响应或或频率特性频率特性 五、放大电路的频率响应五、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 多管放大电路的频率响应多管放大电路的频率响应 ?5.6 集成运放的频率响应与频率补偿集成运放的频率响应与频率补偿 本章重点本章重点: 放大电路频率响应的基本概念与基本分析方 法， : 放大电路频率响应的基本概念与基本分析方 法，BJT与与FET的高频等效等模型的高频等效等模型 5.1 频率响应概述频率响应概述 ?放大倍数受信号频率影响的原因, 是电抗元件电抗元件(电容,电感) 及晶体管极间电容晶体管极间电容(P11, PN结的电容效应)造成的. ?当输入信号频率过低(高)时, 由于电容(电感)的存在, 放大倍 数不仅数值变小, 相位也会发生变化(超前或滞后) ?任何具体的放大电路都有确定的通频带，设计电路时须了 解信号的的频率范围 ?在分析具体放大电路的频响之前，先借助两种典型的RC电 路来模拟放大电路的高(低)频响应，作为研究频响的导引 5.1.2 频率响应的基本概念频率响应的基本概念 1. RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应 ?电压放大倍数与频率关系 o u i U A U = ? ? ? 1 1 1/ 1 R j C R j RC = + + 令:下限截止频率下限截止频率 11 2 L L RC f RC = 得到 1 11 L u LL jf f A jjf f = + ? 将电压放大倍数用幅值与相位来表示 1. RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应 ?电压放大倍数与频率关系 (幅频特性幅频特性) (相频特性相频特性) () 2 | 1 L u L f f A f f = + ? 90arctan L f f = ? ?高通电路的幅,相频特性图 ?当 ffL 时 ?当 f=fL时 ?当 ffL, ffH时 ususl AA ? ususm AA ? usush AA ? =(极间或耦合极间或耦合)电容两端 向外看的等效总电阻电容 电容两端 向外看的等效总电阻电容 ( ) 111 2 11 ususmH L L H AAf ff j fjf = + ? 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 单管共源电路 等效电路(考虑了信号全频率) 电压放大倍数: 11 11 ususm L H AA ff j fjf = + ? o um i H L U A U f f = = = ? ? ? ()/ mdL gRR= 1 2 ggs R C ()1 2 dL RR C+ 5.4.3 放大电路的频率响应改善与增益带宽积放大电路的频率响应改善与增益带宽积 ?放大电路的放大电路的通频带通频带 fbw是指上是指上, 下限截止频率间的频率范围下限截止频率间的频率范围 ?频率范围越宽频率范围越宽, 对信号频率的适应能力越强对信号频率的适应能力越强. 本节讨论展宽 频带的方法 本节讨论展宽 频带的方法 ?展宽频带的方法展宽频带的方法: (fbw=fH-fL) ?改善低频响应改善低频响应, 使使fL变小变小 ?改善高频响应改善高频响应, 使使fH变大变大 ?使耦合电容所在回路的时间常数取值大 ?此种改善有限, 最好的办法是采用直接耦合方法 减小极间电容将导致中频电压放大倍数幅值减小减小极间电容将导致中频电压放大倍数幅值减小 ?使极间电容所在回路的时间常数取值小 ?改善低频响应, 使fL 变小 11 22 L f RC = ?改善高频响应, 使fH 变大 11 22 H f RC = (1)(1)| bei usm beis mL mL KgCCCCC rR A URR R g R =+ +=+ = + ? ? ? (P215) fH 的提高与电压放大倍数的增大相互矛盾的提高与电压放大倍数的增大相互矛盾(带宽与增益的矛盾带宽与增益的矛盾) ?采用一个综合指标来衡量这两方面的性能-增益带宽积增益带宽积 | |()| | usmbwusmHLusmH AfAffAf= ? ?单管共射(源)电路的增益带宽积 1 | 2 () usmbw bbs Af rR C + ? 单管共射单管共射 1 | 2 usmbw ggd Af R C ? 单管共源 管子确定后,管子的参数也随之确定,增益带宽积也大体确定 下来.即放大倍数增大多少倍, 带宽也几乎变窄同样的倍数 单管共源 管子确定后,管子的参数也随之确定,增益带宽积也大体确定 下来.即放大倍数增大多少倍, 带宽也几乎变窄同样的倍数 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 12 1 n uuuunuk k AA AAA = = ? ? 对数幅(相)频特性表达式 1 20lg|20lg| n uuk k AA = = ? 1 n k k = = 多级电路的对数幅(相)频特性等于各级代数和,因此电路的 总频率特性曲线等于各级曲线在同一坐标下的叠加 多级电路的对数幅(相)频特性等于各级代数和,因此电路的 总频率特性曲线等于各级曲线在同一坐标下的叠加 5.5.2 截止频率的估算截止频率的估算-定量分析定量分析 解方 程组 1. 下限频率下限频率 fL(根据低频段电压放大倍数与截止频率的定义) (下限频率 fL的定义) () 2 1 |11 |() 11 1 n umk uukumk k LH LkL A AAA fjfjf f ff = = + + ? ? 1 | | 2 n umk k u A A = = ? ? () 2 1 12 n LkL k ff = += (舍去高次项) () 2 1 n LLk k ff = (加修正系数)() 2 1 1.1 n LLk k ff = 2. 上限频率上限频率 fH(根据高频段电压放大倍数与截止频率的定义) 解方 程组 (上限频率 fH的定义) () 2 1 |11 |() 11 1 n umk uukumk k LH HHk A AAA fjfjf f ff = = + + ? ? 1 | | 2 n umk k u A A = = ? ? () 2 1 12 n HHk k ff = += (舍去高次项) () 2 1 11 n k H Hk f f= (加修正系数) () 2 1 11 1.1 n k H Hk f f= ?对于各级具有相同频率特性的两(三)级放大电路, 其上(下)限 频率可通过上述修正公式计算得到 两级电路两级电路 1 1 0.643 1.56 HH LL ff ff 三级电路三级电路 1 1 0.52 1.91 HH LL ff ff ?结论结论: 放大电路的级数越多, 频带越窄 ?说明说明: 在多级放大电路中 ?若某级下下限频率远高高于其它各级, 则可认为它就是整个电 路的下下限频率 ?同理, 若某级上上限频率远低低于其它各级, 则可认为它就是 整个电路的上上限频率 29 5.6.1 集成运放的频率响应集成运放的频率响应 ?集成运放频率响应的特点: ?良好的低频特性(直接耦合) ?上限频率很低, 通用型运放的-3dB带宽只有几赫兹到十 几赫兹(P190) ?为了展宽频带, 集成运放常引入负反馈负反馈 ?但负反馈的引入又可能造成集成运放的自激振荡自激振荡 反馈与自激振荡定义反馈与自激振荡定义 ?反馈反馈: 将输出量的部分或全部通过一定的电路形式作用到 输入回路, 用来影响输入量的措施 ?负负(正正)反馈反馈: 使放大电路净输入量减小(增加)的反馈 ?自激振荡自激振荡: 输入量为零时, 输出产生了一定频率和幅值的信 号,则称电路产生了自激振荡自激振荡. 电路由负反馈变为正反馈, 即放 大电路中产生了180的附加相移(由低频段或高频段提供). ?产生自激振荡的条件: 未加频率补偿的集成运放的频响 ?存在频率 f0fcf0 是附加相 移为180度的频率, fc是开环差模 增益下降为0dB的频率 ?解决方法: 20lg| 0 od AdB ? ?f=fc时 ?频率补偿频率补偿: 指避免出现自激振荡 采取的措施 ?左图为加了频率补偿的集成运放 频率响应，避免了自激振荡的产生 加频率补偿的集成运放的频响 0 20lg|10 modff GAdB = = ? 幅值裕度幅值裕度: 180|45 c mff = = ? 相位裕度相位裕度: ?通常电路总要留有余地, 即应具 有一定的稳定裕度稳定裕度 5.6.2 集成运放的频率补偿集成运放的频率补偿 ?频率补偿的实现方法: (相位补偿法或相位校正法) ?滞后补偿滞后补偿: (简单电容补偿与密勒效应补偿) ?超前补偿超前补偿 ?滞后补偿: 滞后补偿: 加入补偿电路后,使运放的幅频特性在大于0dB 的频率范围内等效