第7章频率响应

1、第第7 7章章 频率响应频率响应7.1 频率响应的基本概念频率响应的基本概念本章重点：讨论电路的频率响应与哪些因素有关，从而得本章重点：讨论电路的频率响应与哪些因素有关，从而得到设计宽频带放大器的一些指导原则。到设计宽频带放大器的一些指导原则。频率响应也称为频率响应也称为“频率特性频率特性”，是放大器的一个重要指标。，是放大器的一个重要指标。它描述的是放大器对于不同频率电信号放大率的均匀度。它描述的是放大器对于不同频率电信号放大率的均匀度。由于实际的放大器中存在电抗元件（由于实际的放大器中存在电抗元件（BJT的极间电容、电的极间电容、电路的负载电容、分布电容、引线电感等），使得放大器对路的负载

2、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，由此产生不同频率信号分量的放大倍数和延迟时间不同，由此产生的信号失真称为频率失真。的信号失真称为频率失真。一般地，实际信号（如音频、视频、生物电信号等），都一般地，实际信号（如音频、视频、生物电信号等），都不是单频信号，而是由许多不同相位、不同频率分量组成不是单频信号，而是由许多不同相位、不同频率分量组成的复杂信号，占有一定的频谱。的复杂信号，占有一定的频谱。7.1.1 频率失真频率失真第第7 7章章 频率响应频率响应(a)(a)信号信号(b)(b)振幅频率失真振幅频率失真(c)(c)相位频率失真相位频率失真振

3、幅频率失真（幅频失真）：放大倍数随频率变化而引起的失真振幅频率失真（幅频失真）：放大倍数随频率变化而引起的失真相位频率失真（相频失真）：延迟时间随频率变化而引起的失真相位频率失真（相频失真）：延迟时间随频率变化而引起的失真以上两种失真均由电路中的线性电抗元件（电阻、电容和电感）以上两种失真均由电路中的线性电抗元件（电阻、电容和电感）引起，统称为线性失真。引起，统称为线性失真。当信号通过放大电路时当信号通过放大电路时, ,其频率其频率成分成分不变不变, ,但各频率分量的但各频率分量的振幅及振幅及相位会发生变化相位会发生变化. .第第7 7章章 频率响应频率响应2、线性失真与非线性失真、线性失真与

4、非线性失真线性失真与非线性失真的线性失真与非线性失真的相同点：输出信号产生畸变。相同点：输出信号产生畸变。线性失真与非线性失真的线性失真与非线性失真的不同点：起因和结果均不同。不同点：起因和结果均不同。起因不同起因不同线性失真：是由电路中的线性电抗元件引起的。线性失真：是由电路中的线性电抗元件引起的。非线性失真：是由电路中的非线性元件（非线性失真：是由电路中的非线性元件（BJT或或FET的特的特性曲线的非线性性曲线的非线性等）引起的。等）引起的。结果不同结果不同线性失真：只会使信号中各频率分量的比例关系和时间线性失真：只会使信号中各频率分量的比例关系和时间 关系发生变化，不产生输入信号中没有的

5、新关系发生变化，不产生输入信号中没有的新 的频率分量。的频率分量。非线性失真：会产生输入信号中没有的新的频率分量。非线性失真：会产生输入信号中没有的新的频率分量。第第7 7章章 频率响应频率响应7.1.2 7.1.2 实际的频率响应及通频带的定义实际的频率响应及通频带的定义阻容耦合放大器的实际幅频特性阻容耦合放大器的实际幅频特性集成运放的实际幅频特性集成运放的实际幅频特性耦合电容和旁路电容使低频段放大倍数下降耦合电容和旁路电容使低频段放大倍数下降BJT的极间电容和电路的负载电容、分布电容等使高频段的极间电容和电路的负载电容、分布电容等使高频段放大倍数下降放大倍数下降集成运放是高增益的直接耦合放

6、大器，平坦部分可延伸到零。集成运放是高增益的直接耦合放大器，平坦部分可延伸到零。第第7 7章章 频率响应频率响应中频区增益中频区增益AuI与通频带与通频带BW是放大器的两个重要指标（彼是放大器的两个重要指标（彼此矛盾），还可用增益频带积来表征放大器性能此矛盾），还可用增益频带积来表征放大器性能HuIuIfABWABWG通常希望放大器具有尽可能大的增益频带积通常希望放大器具有尽可能大的增益频带积通频带的选择，要由信号的频谱来决定，对给定的信号，通频带的选择，要由信号的频谱来决定，对给定的信号，通频带过宽不仅无必要，还会窜入不必要的干扰和噪声。通频带过宽不仅无必要，还会窜入不必要的干扰和噪声。第第

7、7 7章章 频率响应频率响应7.2 BJT的高频小信号模型与频率参数的高频小信号模型与频率参数1. BJT的高频等效电路的高频等效电路BJT的高频小信号混合的高频小信号混合型等效电路型等效电路2. BJT的高频参数的高频参数bebmecbcIUgIIj短路、)( 共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数(j)及其上限频率及其上限频率f eeebQbebbcQbecmrrruiiiuig1)1 (000由于由于Cbe的影响，的影响， 将是频率的函数将是频率的函数第第7 7章章 频率响应频率响应ebebebbebebbebCrjrICjrIU1)1/(ffjjCrjIUgjebebbebm111)

8、(000(j)的上限频率的上限频率定义：定义：| |( (j j)|)|下降到下降到1 1时所对应的频率，即时所对应的频率，即| |( (jfjfT T)|=1)|=1 特征频率特征频率f fT T20)(1)(ffjfCrffebeT210ebebCrf21Cbc很小，忽略其对基极电流的分流作用很小，忽略其对基极电流的分流作用第第7 7章章 频率响应频率响应7.3 运用快速估算法分析频率响应的预备知识运用快速估算法分析频率响应的预备知识多电容电路多电容电路中频段等效电路中频段等效电路uIiouARRRjUjUjA212)()()(中频增益与频率无关中频增益与频率无关C1：耦合电容，：耦合电容

9、， 约几十个约几十个F。C2：负载电容，：负载电容， 约几约几几百几百pF。第第7 7章章 频率响应频率响应高频段等效电路高频段等效电路)()(212jURRRjUiiHuIujACRRjRRRjA1)/(11)(221212221)/(1CRRH221)/(CRRH高频时常数高频时常数上限角频率上限角频率随着频率的升高，增益随着频率的升高，增益| |Au(j(j) )| |下降，输出电压下降，输出电压| |Uo(j ) )| |下降。下降。第第7 7章章 频率响应频率响应低频段等效电路低频段等效电路LuIujACRRjRRRjA1)(111)(121212121)(1CRRL121)(CRR

10、L下限角频率下限角频率低频时常数低频时常数随着频率的下降，增益随着频率的下降，增益| |Au(j(j) )| |下降，输出电压下降，输出电压| |Uo(j ) )| |下降。下降。238页页 图图7.3.291页页 图图3.10.1(a)第第7 7章章 频率响应频率响应7.4 单级共射放大器的高频响应分析单级共射放大器的高频响应分析2. Miller定理和高频等效电路的单向化模型定理和高频等效电路的单向化模型1. 共射放大器的高频小信号等效电路共射放大器的高频小信号等效电路Miller定理给出了网络的一种等效变换关系，它可以将跨定理给出了网络的一种等效变换关系，它可以将跨接在网络输入端与输出端

11、之间的阻抗分别等效为并接在输接在网络输入端与输出端之间的阻抗分别等效为并接在输入端与输出端的阻抗。入端与输出端的阻抗。第第7 7章章 频率响应频率响应uAZUUZZUUUIUZ1112211111ZAAZUUUIUZuu112222212UUAu网络网络N的电压增益的电压增益第第7 7章章 频率响应频率响应MucbuCjACjAZZ1)1 (111MuucbuuCjAACjZAAZ1)1(112)1 ()1 (LmcbucbMRgCACCcbcbuuMCCAAC)1(LmebuRgUUUUA012cbCjZ1Miller等效等效后的单向化后的单向化等效电路等效电路第第7 7章章 频率响应频率响

12、应)(bbSebsrRrRcbLmebMebiCRgCCCC)1 (sbesebsebbbsebsUrRrUrrRrUsiSiLmebLmoUCjRCjRgURgU11SiSbesebLmUCRjrRrRg11)(单向化模型单向化模型进一步的简化等效电路进一步的简化等效电路3. 高频增益表达式与上限频率高频增益表达式与上限频率第第7 7章章 频率响应频率响应1111)()(HuIsiSbesebLmsousjACRjrRrRgUUjA附加相移附加相移besLbesebLmuIsrRRrRrRgA0111112HisHHCRf211)(HuIsusffAjA幅频特性幅频特性相频特性相频特性)ar

13、ctan(180)(1Hffjw)arctan()(1Hffjw（7.4.11）（3.10.25）第第7 7章章 频率响应频率响应4. . 频率特性的波特图近似表示法频率特性的波特图近似表示法 371371页页)(1lg20)()(lg20dBjAdBjAHuIsus对数坐标系视野开阔。对数坐标系视野开阔。上限频率处，上限频率处，BODE图与实际幅频特性有图与实际幅频特性有-3dB的误差。的误差。第第7 7章章 频率响应频率响应5 5、负载电容和分布电容对高频响应的影响、负载电容和分布电容对高频响应的影响 LLCceoRRRrRsHuIsLebmoUjARUgU11sHHuIsoLLLoUjj

14、AUCjRCjU2111111)1)(1()(21HHuIssousjjAUUjA第第7 7章章 频率响应频率响应)arctan()arctan()(21HHjwisHCR11LoHCR12由极间电容引入的上限角频率由极间电容引入的上限角频率输入回路时常数的倒数输入回路时常数的倒数由负载电容和分布电容引入的上限角频率由负载电容和分布电容引入的上限角频率输出回路时常数的倒数输出回路时常数的倒数2212111HHH总的上限角频率总的上限角频率第第7 7章章 频率响应频率响应)(大，可加射随器隔离若输入ssHcbTebbbHRRfCfCrf)(大，可加射随器隔离若几百几十矛盾，输出LLCCuICHC

15、CRRARf6、结果讨论（宽带放大器设计依据）、结果讨论（宽带放大器设计依据） 第第7 7章章 频率响应频率响应例例7.4.1 某运算放大器由三级组成，其中相位补偿电容某运算放大器由三级组成，其中相位补偿电容C跨接在第二级的输入和输出端之间，第一级上限频率跨接在第二级的输入和输出端之间，第一级上限频率fH1最低，是主极点，求最低，是主极点，求fH1.pFpFCACuM3003030)10001 ()1 (2HzCRRfMioH5310300301010021)/(21123211第第7 7章章 频率响应频率响应7.5 7.5 共集电路的高频特性共集电路的高频特性一、一、Cbc的影响：因的影响：

16、因CC电路电路C极直接连接到电源，故极直接连接到电源，故Cbc相当于相当于接在接在b和地之间，不存在和地之间，不存在CE电路中的密勒倍增效应。因电路中的密勒倍增效应。因Cbc很很小小(零点几几零点几几pF)，只要，只要Rs及及rbb较小，较小， Cbc对高频响应的影响对高频响应的影响就很小。就很小。 二、二、C be的影响：这是一个跨接在输入端与输出端的电容，利的影响：这是一个跨接在输入端与输出端的电容，利用用Miller定理将其等效到输入端。定理将其等效到输入端。)1(uebMACCTHff1第第7 7章章 频率响应频率响应26111sbessoeCQRrRRmVRrI三、三、CL的影响的影

17、响 只要源电阻只要源电阻Rs较小，工作点电流较小，工作点电流ICQ较大，则较大，则Ro可以做到很可以做到很小，进而时常数小，进而时常数RoCL很小，很小，fH2很高。所以，很高。所以，CC电路有很强电路有很强的承受容性负载的能力。的承受容性负载的能力。结论：结论： CC电路的高频响应很好。所以，在多级放大器电路的高频响应很好。所以，在多级放大器中，总体高频响应将主要取决于中，总体高频响应将主要取决于CE电路。电路。 CC电路的插入，有利于电路的插入，有利于CE电路高频响应的改善，电路高频响应的改善，有利于总体有利于总体fH H的提高。的提高。第第7 7章章 频率响应频率响应7.6 共基电路的高

18、频响应共基电路的高频响应一、一、C be的影响：的影响： 若忽略若忽略rbb的影响，则的影响，则C be直接接于输入端，输入电容直接接于输入端，输入电容Ci= C be ，不存在，不存在Miller倍增效应，且与倍增效应，且与C bc无关。所以，无关。所以，CB电路的输入电容比电路的输入电容比CE电路的小得多。电路的小得多。 同时，同时，CB电路的输入电阻电路的输入电阻Rire26mV/ICQ，也非常小，也非常小，因此，因此，CB电路输入回路的时常数很小，电路输入回路的时常数很小， fH1很高。很高。第第7 7章章 频率响应频率响应 若忽略若忽略rbb的影响，则的影响，则Cbc直接接到输出端，

19、也不存在直接接到输出端，也不存在Miller倍增效应。输出端总电容为倍增效应。输出端总电容为Cbc +CL。此时，输出回。此时，输出回路时常数为路时常数为Ro (Cbc + CL)，输出回路决定的，输出回路决定的fH2为为二二、C bc及及CL的的影响影响2112()2()Hob cMob cLfR CCR CC若若Ro和和CL较大，则较大，则fH2较低。说明较低。说明CB与与CE一样，承受容性一样，承受容性负载的能力较差。负载的能力较差。第第7 7章章 频率响应频率响应三三、CE-CB级联放大器的高频响应级联放大器的高频响应 CB电路的输入阻抗将作为电路的输入阻抗将作为CE电路的集电极负载，

20、由于电路的集电极负载，由于CB电路输入阻抗电路输入阻抗Ri2很小，因此，很小，因此，CE电路的电路的Cbc的的Miller倍倍增电容增电容CM= Cbc(1+gmRi2)将很小，从而使将很小，从而使CE电路的输入电电路的输入电容容Ci减小，最终提高减小，最终提高CE电路的上限频率。电路的上限频率。（展宽频带）（展宽频带）Us.RsV1CbcRCCLUo.Ri2V2第第7 7章章 频率响应频率响应CE-CB差分宽带集成放大器电路差分宽带集成放大器电路(CA3040)第第7 7章章 频率响应频率响应7.7 7.7 场效应管放大器的高频响应场效应管放大器的高频响应第第7 7章章 频率响应频率响应7.8 7.8 放大器的低频响应放大器的低频响应21)(1 ()uIsuIsLAAj（低频增益模值）11()LsbeRrC下限角频率）阻容耦合共射放大器电路阻容耦合共射放大器电路 C1对低频响应对低频响应影响的等效电路影响的等效电路 C2对低频响应影响的等效电路对低频响应影响的等效电路11)(111)()(LuIsiisisiLmsousjACRRjRRR