三极管放大电路的频率响应

1、14.7.1 频率响应概述 在放大电路中，由于电抗元件（如电容、电感线圈等）及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移。说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性。 一、频率失真及不失真条件 二、实际的频率特性及通频带定义 三、RC电路的频率响应 四、波特图 2一、频率失真及不失真条件 1、频率失真 我们知道，待放大的信号，如语音信号、电视信号、生物电信号等等，都不是简单的单频率信号，它们都是由许多不同相位、不同频率分量组成的复杂信号，即占有一定的频谱。由于实际的放大器中存在电抗元件（如管子的极间电容、电路

2、的负载电容、分布电容、引线电感等），使得放大器对不同频率信号分量的放大倍数和延迟时间不同。由此而引入的信号失其称为频率失真。 3一、频率失真及不失真条件 如图所示，某待放大的信号是由基波（1）和三次谐波（3 1 ）所组成。4一、频率失真及不失真条件 由于电抗元件的存在，使放大器对三次谐波的放大倍数小于对基波的放大倍数，那么放大后的信号各频率分量的大小比例将不同于输入信号。人们称这种由于放大倍数随频率变化而引起的失真为振幅频率失真。 5一、频率失真及不失真条件 如果放大器对各频率分量信号的放大倍数虽然相同，但延迟时间不同（分别为td1和td3），那么放大后的合成信号也将产生失真。由于相位=t，延

3、迟时间不同，意味着不与成正比。人们称这种失真为相位频率失真。6一、频率失真及不失真条件 2、线性失真和非线性失真 振幅频率失真和相位频率失真都是由电路的线性电抗元件（电阻、电容、电感等）引起的，故又称为线性失真。 线性失真和非线性失真同样会使输出信号产生畸变，但两者有许多不同点： 起因不同 线性失真由电路中的线性电抗元件引起，非线性失真由电路中的非线性元件引起（如晶体管或场效应管的特性曲线的非线性等）。 7一、频率失真及不失真条件 结果不同 线性失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生变化，或滤掉某些频率分量的信号，但决不产生输入信号中所没有的新的频率分量信号。 但非线性失真却完全不同

4、，它的主要特征是产生输入信号中所没有的新的频率分量。如输入为正弦波（单一频率信号），若产生非线性失真，则输出变为非正弦波，它不仅包含输入信号的频率成分（基波1），而且还产生许多新的谐波成分(2 1 、3 1 、)。 8一、频率失真及不失真条件 3、不失真条件-理想频率响应 综上所述，若放大器对所有不同频率成分的放大倍数相同，延迟时间也相同，那么就不可能产生频率失真，故不产生频率失真的条件为：9一、频率失真及不失真条件 不产生线性失真的振幅频率响应和相位频率响应称为理想频率响应，如下图所示：10二、实际的频率特性及通频带定义 实际的振幅频率特性一般如图所示。在低频和高频区放大倍数有所下降，而中间

5、一段比较平坦。为分析方便起见，人们将实际的振幅频率响应划分为三个区域，即中频区、低频区和高频区。并定义上限截止频率H、下限截止频率L以及通频带BW，以便定量表征频率响应的实际状况。11二、实际的频率特性及通频带定义 上限截止频率H定义为高频区放大倍数下降为中频区的1/2时所对应的频率，即： 同理，下限截止频率L为： 通频带为： BW= H- L HumumuHAAA707. 021umumuLAAA707. 02112二、实际的频率特性及通频带定义 上、下限截止频率所对应的H点和L点又称为半功率点（因为功率与电压平方成正比）。 若用分贝表示增益G，则： GH=20lgAuH= 20lgAum-

6、3dB GL=20lgAuL= 20lgAum-3dB 故又称H点和L点为-3dB点，BW为-3dB带宽。13二、实际的频率特性及通频带定义 中频区增益与通频带是放大器的二个重要指标，而且这两者往往又是一对矛盾的指标，所以引进增益带宽乘积来表征放大器的性能： 人们总是希望放大器具有尽可能大的增益带宽乘积。 HumumfABWABWG14二、实际的频率特性及通频带定义 关于通频带的选择，要根据信号的频谱而定。例如，心电图的最高频率分量约为100Hz，那么通频带设计为0100Hz左右即可。语音信号的频谱约为10Hz20KHz左右，而电视图象信号的频带要求为06MHz左右。 通频带不是越宽越好，对给

7、定的信号而言，通频带过宽不仅没有必要，而且还会窜入更多的干扰和噪声。15三、RC电路的频率响应 在放大电路中，存在着耦合电容和半导体管的极间电容。 由于耦合电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失地通过；而当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。 16三、RC电路的频率响应 与耦合电容相反，由于半导体管极间电容的存在，对信号构成了低通电路，即对于频率足够低的信号相当于开路，对电路不产生影响；而当信号频率高到一定程度时，极间电容将分流，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。 为了便于

8、理解有关频率响应的基本要领，这里将对无源单极RC电路的频率响应加以分析。17三、RC电路的频率响应 1、高通电路 RC高通电路如图所示：RCjRCjRUUAiOu111118三、RC电路的频率响应 式中为输入信号的角频率，RC为回路的时间常数，令：LLLLuLLLffjffjjffjARCfRC11111212121119三、RC电路的频率响应 用幅值与相角表示： 称为幅频特性 称为相频特性LLLuffffffAarctan901220三、RC电路的频率响应称为下限截止频率。高通电路，因此，该电路叫趋于，也趋于时，趋于当倍。也下降倍，每下降表明时，当时，当时，当LuuluLuLuLfRCAfA

9、fffAffAffAff00090001010,45,210, 1LLLuffffffAarctan901221三、RC电路的频率响应 RC高通电路的频率特性曲线如下图，上边为幅频特性曲线，下边为相频特性曲线：22三、RC电路的频率响应 2、低通电路 RC低通电路如图所示： RCjCjRCjUUAiOu111123三、RC电路的频率响应 回路的时间常数=RC，令：HHuHHHffjjARCf111121212124三、RC电路的频率响应 用幅值与相角表示： 称为幅频特性 称为相频特性211HuffAHffarctan25三、RC电路的频率响应称为上限截止频率。低通电路，因此，该电路叫趋于，趋于

10、趋于无穷时，当倍。降低倍，每升高表明时，当时，当时，当HuuHuHuHuHfRCAfAfffAffAffAff0009001010,45,210, 1211HuffAHffarctan26三、RC电路的频率响应 RC低通电路的频率特性曲线如下图，上边为幅频特性曲线，下边为相频特性曲线：27四、波特图 在画放大电路的频率特性曲线时，常采用对数坐标，称为波特图。采用对数坐标的好处是： 用对数坐标刻度可将很宽的频率变化范围压缩在较窄的频率坐标内。 当纵坐标以分贝表示函数的幅值时，函数的乘除运算变成了加减运算，使用方便，符合增益的习惯表示法。 可以用渐进线代替绘制十分麻烦的频率特性曲线。28四、波特图

11、（一）、RC高通电路波特图的绘制 1、对数幅频特性曲线的绘制 根据： 计算出f/fH为不同值时的 的值，并列成表：221lg20lg20lg201LLuLLuffffAffffAuAlg2029四、波特图 2、对数相频特性曲线的绘制 根据相频特性表达式计算出数据表： 根据两个表中的数据画出相应的曲线如下图。 30四、波特图31四、波特图 从曲线看出，幅频特性可用一条0分贝线和一条斜率为20dB/十倍频的两条渐进线近似。 32四、波特图 从曲线看出，相频特性可用=0， =90和中间的一条过渡线三段来近似。33四、波特图 这样近似后的误差为：34四、波特图 （二）、RC低通电路波特图的绘制 按照同样的步骤计算出数据表，画出曲线，分析渐进线近似后的误差。35四、波特图36四、波特图37 例、RC低通电路的R=1K，C=100pF；高通电路的 R=10K，C=1F，试画出各自的波特图。 解：先画低通电路的波特图，步骤如下： 计算时间常数，=RC=1103 100 10-12=10-7S H=1/2=1/2 3.14 10-71.6 106Hz 在幅频特性的横坐标上定出= H 1.6 106Hz的点，由此点作斜率为-20dB/十倍频的直线(ffH)和与横轴平行的直线(ffH)即为幅频特性。 38 在相频特性的横坐标上定出0.