放大电路的频率响应

1、第五章放大电路的频率特性教学目的1、理解RC电路的频率响应及晶体管、场效应管的混合n模型及其参数2、掌握单管放大电路的频率响应3、了解放大电路频率响应的改善和增益带宽积教学重点和难点1、晶体管、场效应管的混合n模型2、单管共射放大电路混合n模型等效电路图、频率响应的表达式及波特图教学时数6学时教学内容第一节频率响应概述一、研究放大电路频率响应的必要性二、频率响应的基本概念三、波特图第二节晶体管的高频等效模型一、晶体管的混合二模型*二、晶体管电流放大倍数的频率响应第三节场效应管的高频等效模型第四节 单管放大电路的频率响应一、单管共射放大电路的频率响应二、单管共源放大电路的频率响应三、放大电路频率

2、响应的改善和增益带宽积第五节多级放大电路的频率响应一、多级放大电路的频率特性的定性分析二、截止频率的估算第六节集成运放的频率响应和频率补偿一、集成运放的频率响应二、集成运放的频率补偿电子教案本章讨论的问题：1为什么要讨论频率响应？如何制定一个RC网络的频 率响应？如何 画出频率响应曲线？2.晶体管与场效应管的h参数等效模型在高频下还适应吗？ 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 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？ 5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？ 5.1频率响应概述在放大电路的通频带中提到

3、过频率特性的概念-幅频特性、相频特性幅频特性 是描绘输入信号幅度固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律，即A =V /Vj = f （）。相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随信号频率变化而变化的规律，即ZA ZVo 2 二 f 。这些统称放大电路的频率响应。5.1.1研究放大电路频率响应的必要性幅频特性偏离中频值的现象，称为 幅度频率失真。相频特性偏离中频值的现象，称为 相位频率失真。放大电路的幅频特性和相频特性，也称频率响应。因放大电路对不同频率成分信号的 增益不同，从而使输出波形产生失真，称为幅度频率失真简称幅频失真。放大电路对不同 频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生的

4、失真，称为相频失真。幅频失真和相频 失真是线性失真。（动画5-1 ）产生频率失真的原因是放大电路中存在电抗性元件，例如耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等，并且三极管的电流放大系数1（）也是频率的函数。在研究频率特性时，三极管的低频小信号模型不再适用，而要采用高频小信号模型。5.1.2频率响应的基本概念、高通电路RC高通电路如图所示。其电压放大倍数Av为Av“ j / LVijf /fL1 j，/ L 1 jf / fL1式中 L 一RC即下限截止频率为2nRC图RC高通电路图RC高通电路的近似频率特性曲线Av的模和相角分别为Avf /fL）2= 90 -arctg（丄）fL由此可

5、做出如图所示的 RC高通电路的近似频率特性曲线。、低通电路RC低通电路如图所示。O十图RC低通电路其电压放大倍数Av（也称传递函数）为Av = JVi 1 j RC 1 j 国0式中0 =Av的模和相角分别为RCAv2nRC由此可做出如图所示的=_arctg(RC低通电路的近似频率特性曲线。5.1.3波特图幅频特性的X轴和Y轴坐标都采用对数坐标标定。fH称为上限截止频率。当fA fH时,幅频特性将以-20dB/dec的斜率下降，在 怕处的误差最大，有-3dB。当f =怕时，相频特性 将滞后45,并具有-45 /dec的斜率，在0.1 和10 处与实际的相频特性有最大的误差， 其值分别为+5.7

6、和巧.7。这种用折线化画出的频率特性曲线称为波特图，是分析放大电路频率响应的重要手段。2(He|/dB图RC低通电路的频率特性曲线图高频混合n型小信号模型电路 C+令沧rT-5.2晶体管的高频等效模型5.2.1晶体管的混合n模型(1)物理模型混合n型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的，三极管的物理结构如 图所示。图双极型三极管物理模型图中Ob基区的体电阻，b是假想的基区中的一个点。 re是发射结电阻，rbe是re归算到基极回路的电阻，Cbe是发射结电容，Cbe也用C 这一符号。 rbc是集电结电阻，Cbc是集电结电容，Cbc也用C 这一符号。用gmVbe代替I bo根据这一物理模型可

7、以画出混合n型高频小信号模型，如图05.06所示。在高频混合n型小信号模型中将电流源3 I bo用gmVbe取代。这是因为B本身就与频率有关，而gm与频率无关。推导如下0Ibo = - Vbe_ :0rbe1 bo Vbe1 cVbe1 bo rb eVb e二 gm Vbe3 0反映了三极管内部，对流经f e的电流l bo的放大作用。lbo是真正具有电流放大作用的部分，3 0即低频时的3 ,而lc1 c/ 1 bo0g m =Vb eV be/lborbegm称为跨导，还可写成g m0P0_ 1 Ierb e(1y)rereVt由此可见gm是与频率无关的!：0和be的比，因此 gm与频率无关

8、。 若Ie=1 mA , gm=1 mA/26 mV 38 mS。(3)单向化在n型小信号模型中，因存在Cbc和rbc ,对求解不便，可通过单向化处理加以变换。首先因rbc很大，可以忽略，只剩下Cbc。可以用输入侧的 C和输出侧的C.i两个电容去分别代替Cbc，但要求变换前后应保证相关电流不变，如图所示。图高频混合n型小信号电路输入侧-V ce门=(Vbe “力 C Vbe(1 一一-)j ClVce 一 -gmVbeRcI=V be(1 gm Rc ) j -C.I令放大倍数K =gmRc,则定义(1 + K)Cp输出侧所以I 甘=(Vce_Vbe)j(oC4=Vce(1 +占)jeoCyl

9、Kl1+KCL K L由于C . f ：所以,fT B of。(a)所示。它是在低频模型的基础上增加了三个极间 10pF以内，Cds一般不到1pF。为了分析方便，用密(a)场效应三极管高频小信号模型(b)单向化高频小信号模型5.3场效应管的高频等效模型场效应三极管的高频小信号模型如图 电容而构成的，其中Cgs、Cgd 般在勒定理将Cgd折算到输入和输出侧。图场效应三极管高频小信号模型(b)所示。于是从输入侧有只要保证折算前后的电流相等即可，如图p =Vgs-Vdsgd =1/ (jCgd)gdj，(1-Kv)CgdVgs式中Kv =Vis/Vgs为电压放大倍数，一般Kv 1 ，而Igd =Vg

10、s1/(j Cgd)=j CgdVgs根据Igd - 1 gd可得出Cgd = (1 - Kv)Cgd ： KvCgd从输出侧，根据Igd = I gd可得出对CS放大电路，因Rl rds，所以输出回路的高频时间常数为H2 (Cds Cgd )(rds RL )CdsRL而输入回路的高频时间常数为Rs (CgsCgd)二 RsCgs式中(Cgs Cgd) =CgsCds , Rs为信号源内阻所以T H21/ Ce时。为简单起见，将 Ce归算到基极回路后与 Ci串联，设 Ce=Ce / （ 1+ -）o同时在输出回路用戴维宁定理变换， 得到简化的微变等效电路， 如图所示。 所以输入回路的低频时间

11、常数为Li =(Cl /C e)( Rs +r be)图简化后的低频段等效电路在此简化条件下，低频段的电压放大倍数的复数形式为A 理一 :Rl（GCe）（尺be）j C2（RcRl）sLVsRsrbe1 j（Ci/Ce）（Rsrbe）1 j C2（RCRl）A/sL - AvsM1 jf /fL11 jf / fL2jf / J jf / J_1总电压放大倍数的复数形式为A/s = A/sM1 jf / fL11 jf /fL21 jf / fHA/sMRlRs be三、高频电压放大倍数将全频段小信号模型中的 C1、C2和Ce短路，即可获得高频段小信号模型微变等效电 路，如图所示。图高频段微变

12、等效电路（动画5-2 ）显然，这是一个RC低通环节，其时间常数H=（ Rs Rb）+rbbrbeC n于是，上限截止频率帝=1/（2 二 H）。四、波特图设放大电路的中频电压放大倍数为Avsm，其频率特性曲线与 RC低通电路相似。只不过其幅频特性在 Y轴方向上移了 20lg AvsM（dB）。相频特性则在 Y轴方向下移180，以反映 单级放大电路倒相的关系。设fL1 fL2，可以画出单级基本放大电路的波特图，如图所示。图单级基本放大电路的波特图几点结论：1. 放大电路的耦合电容是引起低频响应的主要原因，下限截止频率主要由低频时间常 数中较小的一个决定；2. 三极管的结电容和分布电容是引起放大电

13、路高频响应的主要原因，上限截止频率由 高频时间常数中较大的一个决定；若电压放大倍数 K增加，Cbe也增加，上限截止频率就下降，通频带变窄。增益和 带宽是一对矛盾，所以常把增益带宽积作为衡量放大电路性能的一项重要指标；4.CB组态放大电路由于输入电容小，所以CB组态放大电路的上限截止频率比CE组态要高许多。5.4.2单管共源放大电路的频率响应(bl在中频段Cgs开路，C短路，中频电压放大倍数为 gm U gs (Rd / Rl)-gmRLgsUi5.4.3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，放大电路可采用直接耦合方式，使得fL =02为了改善单管放大电路

14、的高频特性，应增大上限频率fH。12 RCC =Cbe (1-K)Cbc=Cbe (1 gmRc)CbcR =be /(Rs / Rb) 1RiRsRigmRcrbeA _ UoAusm uU s问题：fH的提高与Ausm的增大是相互矛盾。3.增益带宽积中频电压放大倍数与通频A u smfHRiRs Rirb ebe带的乘积 说明：上式不很严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和CMC的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄丸1比 2兀（Rs + gbJCbC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电路

15、，首要的问题是选用rbb 和Cb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）5.5多级放大电路的频率响应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。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。5.5.1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：k =1A u =对数幅频特性为：Au1 A u2 Aun20lgAu =20lgAu1 +20lgAu2 +20lgAunn20lg Aukk =1多级放大电路的总相位移为:fL 1.1 珞fL2fLn552多级放大电路的上限频率和下限频率的估算

16、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，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。例5.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求下限频率、Ng 1-103jf80Au =（1 j“）（1 j “J102y10上限频率和电压放大倍数。解：（1）低频段 只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一 个电容，故电路的下限频率为1OHz。（2）高频段只有一个拐点，斜率为-60dB十倍

17、频程，电路中应有三个电容，为三级放大电路。（3）电压 放大倍数604020o2Xl(r /Hz5.6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有很好的低频特性（fL= 0）：集成运放直接耦合放大电JOO-30迅吕丿十储期路集成运放高频特，性较差：集成运放I a 频率补偿集成运放的频“ 2060 十倩顒L10*r/Hz*O* -43* -90* -135 一 1.80 -22S* -27 O,等效电容很大;集成运放内部需接补偿电容。末加fc单位增益带宽fo附加相移为土 1800对应的频率集成运放常引入负反馈，容易产生自激振荡。自激振荡产生的条件存在fo,且fo V fc如何消除自激振荡？ 562集成运放的频率补偿频