模电第5章放大电路的频率响应

1、第5章 放大电路的频率响应问题提出 前面所讲述的均以单一频率的正弦信号来研前面所讲述的均以单一频率的正弦信号来研究，事实上信号的频率变化比较宽（例如声音信究，事实上信号的频率变化比较宽（例如声音信号、图象信号），对一个放大器，当号、图象信号），对一个放大器，当Ui 一定时，一定时，f变化变化 Uo变化，变化，即即Au=Uo/Ui 变化，换句话说：变化，换句话说：Au与与f有关。有关。 为什么为什么Au与与f有关呢？什么是频率响应？有关呢？什么是频率响应？ 频率响应：频率响应：指放大器对不同频率的正弦信号指放大器对不同频率的正弦信号的稳态响应。其表示方法：的稳态响应。其表示方法： Au(f) (

2、f) 其中其中 Au(f) 为幅频响应、为幅频响应、(f)为相频响应。为相频响应。 uA= 放大电路的频率特性包括两部分： 幅度频率特性 相位频率特性 幅频特性是描绘输入信号幅度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固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。即而变化的规律。即 = =Aio/UUf () 相频特性是描绘输出信号与输入相频特性是描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化信号之间相位差随频率变化而变化的规律。即的规律。即)(iofUUA这些统称放大电路的频率响应。这些统称放大电路的频率响应。幅频特性偏离中频值的现象称为幅频特性偏离中频值的现象称为幅度频率失

3、真幅度频率失真; 相频特性偏离中频值的现象称为相频特性偏离中频值的现象称为相位频率失真相位频率失真。 放大电路的幅频特性和相频特性，也称为放大电路的幅频特性和相频特性，也称为频率响应。因放大电路对不同频率成分信号的频率响应。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，称为增益不同，从而使输出波形产生失真，称为幅幅度频率失真度频率失真，简称幅频失真。放大电路对不同，简称幅频失真。放大电路对不同频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产频率成分信号的相移不同，从而使输出波形产生失真，称为生失真，称为相位频率失真相位频率失真，简称相频失真。，简称相频失真。幅频失真和相频失真是幅频失

4、真和相频失真是线性失真线性失真。 产生频率失真的原因是产生频率失真的原因是: :1.1.放大电路中存在电抗性元件，放大电路中存在电抗性元件，例如例如 耦合电容、旁路电容、分布电容、变压耦合电容、旁路电容、分布电容、变压 器、器、PNPN结电容、分布电感等结电容、分布电感等; ; 2.三极管的三极管的 ( ( ) )是频率的函数。是频率的函数。 在研究频率特性时，三极管的低频小信号在研究频率特性时，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。模型不再适用，而要采用高频小信号模型。 电路中存在着电抗器件是影响频响的主要因电路中存在着电抗器件是影响频响的主要因素，研究频响实际上是研究电抗

5、元件的存在，对素，研究频响实际上是研究电抗元件的存在，对放大器放大倍数的影响。放大器放大倍数的影响。 当当 f 低时，主要是耦合电容、旁路电容起作用。低时，主要是耦合电容、旁路电容起作用。 当当 f 高时，主要是高时，主要是PN结电容起作用。结电容起作用。5.1 RC电路的频率响应 5.2 双极型三极管的高频小 信号模型 5.3 共发射极接法放大电路 的频率特性 5.4 多级放大器的频率响应 5.1.2 频率响应的基本概念 一、 RC高通电路 二、 RC低通电路)arctg(90Loff一、 RC高通电路RCff21L02LL)(1/ffffAuLLLLio /j1/j/j1/jffffUUA

6、uL11RC。式中式中 下限截止频率、模和相角分别为下限截止频率、模和相角分别为 RC高通电路如图所示。高通电路如图所示。RC 高通电路 其电压传输函数其电压传输函数 为：为：uA 由此可做出由此可做出RC高通电高通电路的近似频率特性曲线。路的近似频率特性曲线。2LL )(1/ffffAu)arctg(90LoffRC高通电路的近似频率特性曲线RC 高通电路 图5.1.1 高通电路及频率响应二、 RC低通电路 RC低通电路如图所示。 arctg(Hff)0io j11j11RCUUAu其电压放大倍数(传递函数)为RC+-io.VV RC低通电路oUiU式中11RCH上限截止频率、模、和相角分别

7、为：RCff21H02H )(11ffAu 由以上公式可做出RC低通电路的近似频率特性曲线： 2H)(11ffAv arctg(Hff) RC低通电路的频率特性曲线RC+-io.VV RC低通电路oUiU低通电路及其频率响应 fH fH f =fH 当当 时，相频特性将滞后时，相频特性将滞后45，并具有，并具有 - -45 /dec的斜率。在的斜率。在0.1 和和10 处与实际的相频处与实际的相频特性有最大的误差，其值分别为特性有最大的误差，其值分别为+5.7和和5.7。 这种折线化画出的频率特性曲线称为这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图波特图，是是分析放大电路频率响应的重要手段。分析放大

8、电路频率响应的重要手段。 幅频特性的幅频特性的X轴和轴和Y轴轴都是采用对数坐标都是采用对数坐标, ,称为上限截止频率。当称为上限截止频率。当 时，幅频特性将以时，幅频特性将以十倍频十倍频20dB的斜率下降，的斜率下降，或写成或写成-20-20dB/dec。在在处的误差最大，有处的误差最大，有3dB。 ffH f =fH fH对于放大电路，通频带为LbwfffHbwf5.2 双极型三极管的高频小信号模型5.2.1.5.2.1.混合混合型高频小信号模型型高频小信号模型5.2.2 5.2.2 电流放大系数电流放大系数的频响的频响根据这一物理模型可以画出混合型高频小信号模型，如图所示。 这一模型中用

9、代替 ，这是因为本身就与频率有关，而gm与频率无关。eb.mUg.b0I（2）用 代替eb.mUg.bI简化的混合模型obuuuCCCKC )1 (bebmCIUgI0uCCC)/(LCmebceRRgUUK.K为中频段电压增益ebbebebbmrIUUIg000简化的混合模型参数计算EQEQebImImrv26v26)1 (00v26mIgEQm的分析)1(e be bmCjrUUgIIIIIebcrcUbcebCEffjCrjrg110e be bmuCCC求CC此式中 为K=0时的值 的分析)1(e be bmCjrUUgIIIIIebcrcUbcebCEffjCrjrg110e be

10、bmuCCC求CC此式中 为K=0时的值 e b21Crf为共射截止频率(手册)uCCC的波特图 fT0 f 可由下式推出ffjCrjrg110e be bm当 f = fT 时, 有1)(11)(2T02e be bmTffCrrgf因fT f ,所以, fT 0 f注意：注意：CCC在 的条件下：有0ceu否则：)1 (KCCCCC C此 是条件下的 。0ceuC 由此可做出的幅频特性和相频特性曲线，如05.10图所示。 图05.10 三极管的幅频特性和相频特性曲线当=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT0f 当20lg下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率5.3 场效应管的高

11、频等效模型(共源)gdgsgsCKCC)1 ()/(LCmRRgK5.4 共发射极接法放大电路的频率特性5.4.1 全频段小信号模型5.4.2 高频段小信号微变等效电路5.4.3 低频段小信号微变等效电路 频响的基本分析方法（频率特性的描写方法）：1、分段描写（高、中、低）根据影响各区段Au 的主要因素进行分析。2、频响特性用对数描写，幅度以分贝为单位，相 位以度为单位。 5.4.1 全频段小信号模型 对于共发射极接法的基本放大电路，分析其频率响应，需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型，如图所示。然后分低、中、高三个频段加以研究。全频段微变等效电路CE接法基本放大电路一、 单管共射放大

12、电路的中频等效电路二、 低频段小信号微变等效电路 低频段的微变等效电路，耦合电容C1、C2和旁路电容Ce被保留，C被忽略。显然，该电路只有一个RC电路环节。当信号频率提高时，C看成短路，相当于高通环节，有下限截止频率。时间常数的求取方法：上限截止频率fL=1/2L L=(Rc +RL)C2 显然这是一个RC低通环节，其时间常数 H=(Rs /Rb)+rbb /rbeC于是上限截止频率fH=1/2H 。三、 高频段小信号微变等效电路 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。完整的频率响应及波特图：完整的频率响应及波特图：)1)(1(HLLf

13、fjffjffjAumAu频率响应表达式：频率响应表达式：四、单管共射放大电路完整的频率响应及波特图完整的频率响应及波特图)1)(1(HLLffjffjffjAumAu频率响应表达式：频率响应表达式：.例1 图示电路：VCC=15V，Rs=1K, Rb=20K, Rc=RL=5K，C=5F，rbb=100,=100，f=0.5MHZ,Cob=5pF.试估算电路的截止频率f H和f L，并画出 的波特图。 全频段微变等效电路CE接法基本放大电路usA 例5.4.1波特图返回返回 5.4.2 单管共源放大电路的频率响应5.4.3频率响应的改善和增益带宽积：频率响应的改善和增益带宽积： 频率响应的改

14、善主要是通频带变宽，即是高频时性能的改善，其高频等效电路如图所示： 1、通频带 （1） fL下降（即是使耦合电容C所在回路的时间常数取值大）亦是R或C增大，改善有限。 （2） fH增大（。）就会使Au下降。于是形成了带宽和增益的矛盾，合理的解决的办法于是形成了带宽和增益的矛盾，合理的解决的办法是综合考虑。是综合考虑。 LHbwfff (要使fbw加宽有两种方法) 2、增益带宽积设（1+gmRL）CC，则有：C=(1+gmRL)C=gmRLC 所以： 当晶体管选定后rbb,C就确定，因此放大倍数与带宽积就确定了。要改善放大电要改善放大电路的高频性能，应选小路的高频性能，应选小rbb，Cob的管子

15、，且的管子，且Rb要尽量小。要尽量小。CrRfAbbbHum)(215.5 多级放大器的频率响应一、多级放大器频响的一般形式 由于多级放大器总的电压放大倍数满足： 其中Aui为第i级的放大倍数。unuuuuAAAAA 321幅频响应： 相频响应： 21lg20lg20lg20uuuAAA 321以上表明以上表明 多级放大器的幅频特性等于对数幅频特性的代 数和，相频特性也是各级的代数和。 若在同一个横坐标下，只要将纵坐标叠加即可得到总的频响特性曲线。由以上分析，可知作波特图的步骤：由以上分析，可知作波特图的步骤：（1）先求出中频电压放大倍数，方法通前； （2）确定分别在高频和低频时影响Au的电容器的 个数；（3）分别求出各电容器回路的时间常数；（4）比较各时间常数，