放大电路频率响应 (三)3

1、第七节 电流源电路在集成电路中，电流源的应用十分广泛，最主在集成电路中，电流源的应用十分广泛，最主要的应用是作直流偏置电路和取代电阻作有源要的应用是作直流偏置电路和取代电阻作有源负载。负载。适用范围：适用范围：主要用集成工艺制造的放大电路中。主要用集成工艺制造的放大电路中。 （一）基本镜像恒流源（一）基本镜像恒流源 R UCC IR Io IB2 IB1 VT1 VT2 则基准电流：则基准电流：/211211cbbcRIIIII若若21若若1，则有：则有：RUEIIIbecRco/ )(1故称为故称为镜像电流源电路镜像电流源电路。IB1= IB2, Ic1 = Ic2,电路优点：电路优点：结构

2、简单，两管参数对称符合集成电路特点、动态结构简单，两管参数对称符合集成电路特点、动态电阻大。电阻大。电路缺点：电路缺点： Ic1数值仍受电源电压、数值仍受电源电压、R和和Ube影响，且不易影响，且不易得到小电流（得到小电流（A级级)（二）比例恒流源（二）比例恒流源在基本恒流源的在基本恒流源的T1 、T2管接入管接入射极电阻射极电阻R1 、R2 ，R2由于电路对称：由于电路对称： UE1=UE2 所以所以 ： IC1R1=IC2R2rccIRRIRRII2112120显然，调整显然，调整R1/R2比值，即可调整比值，即可调整I0与与Ir的比例关系。所以称的比例关系。所以称为比例恒流源。为比例恒流

3、源。3-3 3-3 放大器的频率响应放大器的频率响应一、频率响应的基本概念一、频率响应的基本概念二、二、频率响应的分析方法频率响应的分析方法三、三、单管共射放大电路的高频响应单管共射放大电路的高频响应四、四、 多级放大器的频响多级放大器的频响中频段：中频段：AU=常数常数低频段低频段高频段高频段AU 下降下降一：频响概念一：频响概念（一）、定义（一）、定义：放大电路对输入正弦信号的稳态响应。反映了：放大电路对输入正弦信号的稳态响应。反映了放大器对不同频率信号的放大能力。记作放大器对不同频率信号的放大能力。记作A(jA(j ) )或或 A(jfA(jf) )（二）、频率响应曲线（二）、频率响应曲

4、线幅度频率特性：幅度频率特性：A(jA(j ) ) 或或 A(jfA(jf) ) 相位频率特性：相位频率特性： (j(j ) )或或 (jf(jf) ) 中频段：中频段：UO与与 Ui 间相位差间相位差 =常数常数低频段低频段高频段高频段 改变改变这种描绘输出信号与输入信号之间这种描绘输出信号与输入信号之间相位差随频率变化而变化的规律称为相位差随频率变化而变化的规律称为相频特性相频特性。即。即AVVf.()o.i.这种描绘输入信号幅度固定，输出这种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信号的幅度随频率变化而变化的规律称为律称为幅频特性幅频特性。即。即 = =A.VVoi./f

5、 () CE接法基本放大电路fLfH0.707AVAU图2 频率响应曲线-180-90-270A(jfA(jf) ) (jf(jf) )ff 幅频特性偏离中频值的现象幅频特性偏离中频值的现象称为称为幅度频率失真幅度频率失真; ; 相频特性偏离中频值的现象相频特性偏离中频值的现象称为称为相位频率失真相位频率失真。（四）、频带宽度：（四）、频带宽度：BW=f h - f l高高频截频频截频低低频截频频截频（三）、产生频率失真的原因（三）、产生频率失真的原因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、分耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等布电

6、容、变压器、分布电感等; ;2.2.三极管的三极管的 ( ( ) )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，而要采频小信号模型不再适用，而要采用高频小信号模型。用高频小信号模型。fLfH0.707AVAU图图2 频率响应曲线频率响应曲线-180-90-270A(jfA(jf) ) (jf(jf) )ff传输函数传输函数（一）线性系统的分析：时域（一）线性系统的分析：时域 复频域复频域拉氏变换拉氏变换拉氏逆变换拉氏逆变换自变量：自变量：t t自变量：自变量：s=s= +j+j （二）（二） 传输函数传输函数)1)(1 ()1)(1

7、 ()()()()()()()(2121021210pspszszsHpspspszszszsHsFsYsHnm非标准式非标准式标准式标准式1 系统稳定的条件：所有零、极点均分布在左半平面系统稳定的条件：所有零、极点均分布在左半平面二、频率响应的分析方法二、频率响应的分析方法2 如何求电路的传输函数如何求电路的传输函数2 如何求电路的传输函数如何求电路的传输函数 （1 1） RC低通电路低通电路 （如图如图3所示）所示） AffvH112() ffRC012H arctg(Hff)01111jRCjUUAioURC+-io.VV图3 RC低通电路其其电压增益电压增益(传递函数传递函数)为为 式

8、中011RC。A.v的模和相角分别为由以上公式可做出如图由以上公式可做出如图4 4所示的所示的RC低通电路的近似频率特性曲低通电路的近似频率特性曲线：线：图4 RC低通电路的频率特性曲线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， fH称为上限截止频率。当称为上限截止频率。当 ffH时，幅频时，幅频特性将以特性将以20dB/dec的斜率下降。在的斜率下降。在 f =fH处的误差最大，有处的误差最大，有3dB。当当 f =fH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0.1fH和和10fH处与实际的相频特性有最大的处

9、与实际的相频特性有最大的误差，其值分别为误差，其值分别为+5.7和和5.7)arctg(90Loff（2 2） RC高通电路高通电路（ 如图5所示 ） 其电压放大倍数其电压放大倍数 为：为：v.ARCff21L02LLv)(1/ffffALLLL.i.o/j1/j/j1/jffffVVA.v=L11RC。式中式中 下限截止频率、模和相角分别为下限截止频率、模和相角分别为图5 RC高通电路图6 RC高通电路的近似频率特性曲线波波特特图图3 3 波特图的渐近线画法波特图的渐近线画法采用半对数坐标系采用半对数坐标系)1)(1)(1 ()1 ()(4321jjjjAjjA 式中，式中，A是常数项；分子

10、项有两个零点，是常数项；分子项有两个零点，j 是位于是位于s平面原点的平面原点的微分因子，微分因子， 是位于是位于s平面平面 1的微分因子。的微分因子。)1 (1j若典型的传输函数为若典型的传输函数为 用用dB表示：表示：11lg20lg20lg20lg20 jjAjA4321lg201lg201lg20 jjj图图7 频率特性曲线频率特性曲线0.1 1 110 10.1 1 110 1 lg lg （一）一阶零点（一）一阶零点(极点极点) 的渐近线的渐近线11)1 (j当当0.1 1时，时，y=0当当 = 1 时，时，y=3dB当当10 1时，时，y=20dB当当0.1 1时，时， ( )=

11、0当当 = 1 时，时， ( )= 45当当 10 1时，时， ( )= 902、相频特性：、相频特性： ( )= )(11tg20dB/dec-20dB/dec- -45 /dec45 /dec1、幅频特性：、幅频特性：11lg20j21)(1lg20=（二）一阶零点（二）一阶零点(极点极点) 的渐近线的渐近线11)(j1、幅频特性：、幅频特性：1lg20j=21)(lg20当当0.1 1时，时，y= 20dB当当 = 1 时，时，y=0当当10 1时，时，y=20dB0.1 1 110 10.1 1 110 1lg lg 图图8 频率特性曲线频率特性曲线2、相频特性：、相频特性： ( )=

12、 90-20dB/dec20dB/dec无误差无误差, ,不需要修正不需要修正（三）（三） 画波特图的一般步骤：画波特图的一般步骤： 1、写出标准式：找常数项、写出标准式：找常数项 2、画出各个零、极点的渐近线、画出各个零、极点的渐近线 3、合成波形、合成波形例例1:1:)10j1)(10j1)(10j1 (107645 jA解：解：1. A=10520lgA=20lg105 =100dB2. 存在三个极点存在三个极点104、106和和107，分别画出三个极点的渐近线，分别画出三个极点的渐近线3. 合成波形，进行斜率累加。合成波形，进行斜率累加。将零点与极点的影响累加起来，即可得到总的幅频特性

13、将零点与极点的影响累加起来，即可得到总的幅频特性 经过一个零点，斜率增加经过一个零点，斜率增加20dB/十倍频十倍频 经过一个极点，斜率减小经过一个极点，斜率减小20dB/十倍频十倍频以以100dB为起点。为起点。20lg|A(j )|(dB)lg 10210310410510610710820406080100-20dB/dec-40dB/dec-60dB/declg -450-900-1350-1800-2250 ( )-2700（动画动画5-15-1）（三）画波特图的一般步骤：（三）画波特图的一般步骤： 1、写出标准式：找常数项、写出标准式：找常数项 2、画出各个零、极点的渐近线、画出各

14、个零、极点的渐近线 3、合成波形、合成波形例例1:1:)10j1)(10j1)(10j1 (107645.vfffA 图图9 9 以以20lgAv为为Y坐标的坐标的波特图波特图解：20lgAV=20lg105 =100dB以以100dB为起点。为起点。三个极点的贡献。三个极点的贡献。例2：)10)(100)(20()10(102)(46jjjjjjAV解：1）标准式：)101)(1001)(201 ()101 ()(4jjjjjjAV6040200-20 Av(jAv(j ) ) lg 1 10 102 103 104 105 (jf(jf) )0-45-90-135-180lg 107 10

15、8 109 1010 1011图10 频率特性曲线20lgA=20lg1=0dB为起点为起点带宽带宽BW= H- L 104三、三、 晶体三极管的高频运用晶体三极管的高频运用 rbe- 归算到基极回路的电阻 -发射结电容Ce-集电结电阻rbc-集电结电容 rbb -基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。图图11 双极型三极管双极型三极管物理模型物理模型（一）混合（一）混合 型等效电路型等效电路1 1、晶体三极管高频物理模型、晶体三极管高频物理模型: : - 发射结电阻 re2、 晶体三极管晶体三极管混合混合 模型模型 00 即低频时的即低频时的，即，即hfe，反映了三极管的放大作用。反映了三

16、极管的放大作用。.boIgm称为跨导，反映输入电压对输出电流的控制，称为跨导，反映输入电压对输出电流的控制， gm与频率无关与频率无关ebmCbfeebbbieUgIIhrrhmgTEee001)1 (UIrrUbe=Ib(1+hfe)re（二）单向近似模型电路（二）单向近似模型电路 1。密勒原理。密勒原理Z ZI1I2U1U2设放大倍数设放大倍数K=U2/U1求求Z1：KZUZUUUZUUI1)1 ()(1121211求求Z2：111ZUI KZZ11ZKKZ12Z Z1Z Z2U1U1I1I2 若Z为电容，则CCKKCCKC1,)1 (212 单向近似模型单向近似模型LmeboRgUUK图

17、14 高频单向模型电路CLmeeiCRgCCCC) 1 (1CLmLmLmLmCoCRgRgRgRgCC11 根据电路连接组态的不同，管子的高频截频分为三种：根据电路连接组态的不同，管子的高频截频分为三种：1. 共射截频共射截频f ：当当 下降到下降到 时对应的频率时对应的频率, 0 为中频为中频共射电流放大倍数共射电流放大倍数.20203. 共基截频共基截频f ：当当 下降到下降到 时对应的频率时对应的频率, 0为中频为中频共基电流放大倍数共基电流放大倍数三种截频的关系：三种截频的关系： f f T f f T= 0 f 晶体三极管的高频截频晶体三极管的高频截频2. 特征频率特征频率f T：

18、 当当 | |=1 时对应的频率时对应的频率1 0f f Tf f 、 (dB) 增益带宽积增益带宽积共射截频共射截频f )C(Crjrgcebebem11(ecCC )+j/rUI ebe bb ebmcUgI)C(Crfcebe21ffj100cebcUII当当f=f 时，时，20其中：其中： 特征频率特征频率fT当当 =1 时时, 0jf/f1 0jf/f1 当当ff 时时ff00ff0Tff1. 在在ff 时，时， f保持常数，保持常数， f增益带宽积。增益带宽积。 说明工作频率增加一倍，说明工作频率增加一倍， 就下降一倍。就下降一倍。2. fT增益带宽积增益带宽积3. fT较容易测量

19、，只要测量出较容易测量，只要测量出ff 时的时的 值，即可计算出值，即可计算出 fT（三）放大器的频响分析（三）放大器的频响分析 1、共射放大电路的高频响应、共射放大电路的高频响应图17 CE接法基本放大电路图18 高频段微变等效电路步骤：步骤：1 1）中频电压增益：）中频电压增益：LcLiesLfeieLfeiesiesoUSRRRhRRhhRhhRhUUA/,ebbbsssebbbsebsrrRRUrrRrU/)(2 2）求极点：利用戴维南定理，将上图化简）求极点：利用戴维南定理，将上图化简（动画5-2）,11ishCR) 1 (LmCeiRgCCC,12oLhCRCLmLmoCRgRgC

20、111SihRC021LhRC结论：结论：1.单级单级CE电路具有两个极点电路具有两个极点h1和和 h2（即每一个独立电容都（即每一个独立电容都构成一个极点）。构成一个极点）。2.2.两个极点两个极点h1h1和和 h2h2分别由输入、输出回路提供，其值为该分别由输入、输出回路提供，其值为该回路时间常数的倒数。回路时间常数的倒数。3 3）写出高频增益函数）写出高频增益函数)1)(1 ()(21hhUSUSjjAjA其中：其中：步骤：步骤：1 1、中频电压增益：、中频电压增益：LDDDmGgGUSRRRRgRRRA/),(2 2、求极点：、求极点：,)/(11iGghCRR) 1 (Lmgdgsi

21、RgCCC,)/(12oLDdshCRRrgdLmLmdsoCRgRgCC13 3、写出高频增益函数、写出高频增益函数)1)(1()(21hhUSUSjjAjA 2、共源放大电路的高频响应、共源放大电路的高频响应 图20 高频段微变等效电路图19 共源放大器3 、高频截频的计算、高频截频的计算:由高频增益函数可求得高频截频，由高频增益函数可求得高频截频，方法：方法：1.作波特图法作波特图法2.解析法解析法1）作波特图法）作波特图法3dBh1h2lg|AUS(j) |dB因为因为 h1h2所以高频截频所以高频截频 h h12 ）解析法）解析法 由高频截频定义由高频截频定义2)(UShUSAjA有

22、：有：2112221hhhh上式展开，忽略高次项，经整理近似得到上式展开，忽略高次项，经整理近似得到2221111hhh推广到有推广到有n个极点的系统，求高频截频的公式为：个极点的系统，求高频截频的公式为：222211111hnhhh 4、低频截频的计算、低频截频的计算同理，由低频截频定义同理，由低频截频定义2)(USLUSAjA低频增益函数的基本形式为低频增益函数的基本形式为SPSPSPUUSnASA 111)(21可推导出有可推导出有n个极点的系统求低频截频的公式为：个极点的系统求低频截频的公式为：22221nLPPP 只有只有n个高频极点，高频截频可近似为最小的高频极点个高频极点，高频截

23、频可近似为最小的高频极点.也可用公式计算也可用公式计算零点和极点的个数相同，低频截频可近似为最大的低频极点零点和极点的个数相同，低频截频可近似为最大的低频极点.也可用近似公式计算。也可用近似公式计算。 高频增益函数高频增益函数)j(1)j)(1j(1AjAhnh2h1 低频增益函数低频增益函数)p(j)p)(jp(j)A(jjA21nn 22221nPPPl 2hn2h22h1h1/1/1/1A中频增益中频增益 高低频增益函数高低频增益函数)p(j)p)(jp(j)(j)(j)(jAjA2121nmzzz 零点的个数比极点的个数少即零点的个数比极点的个数少即mn)10)(j100)(j20(j

24、)10(j)(j10jA35 例：例：该增益函数有两个零点和三个极点，因此是高低频增益函数该增益函数有两个零点和三个极点，因此是高低频增益函数中频电压增益为：中频电压增益为： 105/103=100即即40dB低频截频低频截频:100/2fl高频截频高频截频:/210f3h共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应分析放大器频响的重要指标：增益函数、带宽和高低频截频分析放大器频响的重要指标：增益函数、带宽和高低频截频+E-ERLRsRcUsRsUsbRLcegmUbeCcCerberbbbrbbRsUsRLgmUbeCoCirbebeUbeUoUi) Rg(1CCCLmCeiCLmLmoCR

25、gRg1C1 1、中频电压增益：、中频电压增益：soUsUUA2 2、求极点：利用戴维南定理，将等效电路进一步简化、求极点：利用戴维南定理，将等效电路进一步简化频响分析频响分析iesiehRhsiioUUUUieLfehRhiesLfeUshRRhALcL/RRRrbbRsUsRLgmUbeCoCirbebeUbeUoUigmUbeCoCiRLRsUssebbbsebsUrrRrUish1CR1) Rg(1CCCLmCeioLh2CR1CLmLmoCRgRg1Cebbbss)/rr(RR3 3、写出高频增益函数、写出高频增益函数)j)(1j(1AjAh2h1UsUs频响分析频响分析1 1、中频

26、电压增益：、中频电压增益：2 2、求、求极点极点：iesLfeUshRRhAish1CR1oLh2CR14、求高频截频、求高频截频fh和和BWfh可近似等于可近似等于最小的高频极点的频率最小的高频极点的频率，也可用公式来计算，也可用公式来计算:2h22h1h1/1/12hn2h22h1h1/1/1/1推广推广BW=fh-flfh只有只有n个高频极点，高频截频可近似为最小的高频极点个高频极点，高频截频可近似为最小的高频极点.也可用公式计算也可用公式计算零点和极点的个数相同，低频截频可近似为最大的低频极点零点和极点的个数相同，低频截频可近似为最大的低频极点.也可用近似公式计算。也可用近似公式计算。频响分析频响分析 高频增益函