第四章放大器的频率响应

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础夏炜炜夏炜炜扬州大学物理科学与技术学院扬州大学物理科学与技术学院E-mail：第四章 放大器的频率响应本章节将介绍电子线路频率响应的本章节将介绍电子线路频率响应的概念，以及放大器上、下截止频率概念，以及放大器上、下截止频率和通频带的关系，介绍频率响应波和通频带的关系，介绍频率响应波特图的画法。并用晶体管混合特图的画法。并用晶体管混合参参数等效模型分析晶体管的高频特性。数等效模型分析晶体管的高频特性。要求：要求：l掌握放大电路频率特性的相关概念；掌握放大电路频率特性的相关概念；l会计算只含一个时间常数时电路的会计算只含一个时间常数时电路的f fL L和和f fH

2、H；l能画出近似波特图；能画出近似波特图；l理解增益带宽积的概念；理解增益带宽积的概念；l定性了解多级放大电路频带宽度与单级的定性了解多级放大电路频带宽度与单级的关系关系 问题提出：由于放大电路中存在电抗元件问题提出：由于放大电路中存在电抗元件（如管子的极间电容，电路的负载电容、分（如管子的极间电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等），当布电容、耦合电容、射极旁路电容等），当信号频率较高或较低时，不但放大倍数会变信号频率较高或较低时，不但放大倍数会变小，而且会产生超前或滞后的相移，使得放小，而且会产生超前或滞后的相移，使得放大电路对不同频率信号分量的放大倍数和相大电路对不同频

3、率信号分量的放大倍数和相移都不同。移都不同。 4.1 频率响应的一般概念频率响应的一般概念幅度失真：幅度失真：放大电路对不同频率信放大电路对不同频率信号的幅值放大不同号的幅值放大不同; ;out二次谐波二次谐波基波基波输入信号输入信号tou输出信号输出信号二次谐波二次谐波基波基波幅度失真幅度失真相位失真：相位失真：放大电路对不同频率信放大电路对不同频率信号产生的相移不同；号产生的相移不同；幅度失真和相位失真总称为幅度失真和相位失真总称为线性失真或线性失真或频率失真。频率失真。out二次谐波二次谐波基波基波输入信号输入信号tou输出信号输出信号二次谐波二次谐波基波基波相位失真相位失真2.2.三极

4、管的三极管的 ( ( ) )是频率的函数。是频率的函数。 在研究线性特性时，三极管的低频小信号模在研究线性特性时，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。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元件对放大器放素，研究频响实际上是研究电抗元件对放大器放大倍数的影响。大倍数的影响。当当f 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 f高时，主要是高时，主要是PNPN结电容起作用。结电容起作用。1.1.放大电路中存在电抗性元件。放大电路中存在

5、电抗性元件。 例如耦合电容、旁路电容、分布电容、变压例如耦合电容、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; ;产生线性失真的原因是产生线性失真的原因是: :线性失真与非线性失真线性失真与非线性失真线性失真和非线性失真同样都是使输出信号产生畸线性失真和非线性失真同样都是使输出信号产生畸变，但两者有本质区别。具体体现在以下两点：变，但两者有本质区别。具体体现在以下两点： 起因不同：起因不同：线性失真是由电路中的线性电抗元件对线性失真是由电路中的线性电抗元件对不同信号频率的响应不同而引起不同信号频率的响应不同而引起( (也称频率失真也称频率失真) )，非线性失真

6、由电路中非线性元件的非线性特性（如非线性失真由电路中非线性元件的非线性特性（如BJTBJT、FETFET的特性曲线等）引起的。的特性曲线等）引起的。 2. 2. 结果不同：结果不同：线性失真只会使各线性失真只会使各频率分量信号的比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例关系和时间关系发生变化，或滤掉某些频率分量信号信号。但非线失真，会将正弦波变为非正弦波，它。但非线失真，会将正弦波变为非正弦波，它不仅包含输入信号的频率成分，而且还产生许多新不仅包含输入信号的频率成分，而且还产生许多新的谐波成分的谐波成分。放大器的电压放大倍数与频率的关系。放大器的电压放大倍数与频率的关系。

7、频率响应频率响应( (频率特性频率特性) )：()uAf()()uuAAff )( f 电压放大倍数的幅值与频率电压放大倍数的幅值与频率f f 的函数关系，称为的函数关系，称为幅频响应幅频响应 放大倍数的相位放大倍数的相位 与频率与频率f f的函数关系称为的函数关系称为相频响应相频响应 波特图波特图在研究放大电路的频率响应时，由于信号的在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线为压缩坐标，扩大视野，在画频率

8、特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值（以时，频率坐标采用对数刻度，而幅值（以dBdB为单位）或相角采用线性刻度。在这种半对为单位）或相角采用线性刻度。在这种半对数坐标中画出的幅频特性和相频曲线称为对数坐标中画出的幅频特性和相频曲线称为对数频率特性或波特图。数频率特性或波特图。 为了在同一坐标系中表示比较宽的变化范围，在为了在同一坐标系中表示比较宽的变化范围，在画频率特性曲线时采用对数坐标，称为波特图。画频率特性曲线时采用对数坐标，称为波特图。 (a) 高通电路波特图高通电路波特图 (b) 低通电路波特图低通电路波特图 lg f 波特图由对数幅频特性和波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分

9、组成，它们对数相频特性两部分组成，它们的横轴采用对数刻度的横轴采用对数刻度 uA 幅频特性的纵轴采用幅频特性的纵轴采用20lg 表示，单位是分贝表示，单位是分贝（dB）；相频特性的纵轴用相频特性的纵轴用 表示。表示。 频率响应波特图频率响应波特图放大电路中的频率参数放大电路中的频率参数 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。使动态信号损失，放大能力下降。高通电高通电路路低通低通电路电路 在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容在高频段，随着信号频率逐

10、渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。下限频率下限频率上限频率上限频率LHbwfff结电容结电容4.2 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应 在放大电路的高频区，影响频率响应的主要因在放大电路的高频区，影响频率响应的主要因是是管子的极间电容和接线电容等管子的极间电容和接线电容等，它们在电路中与其，它们在电路中与其它支路是并联的，因此它们对高频响应的影响可用它支路是并联的，因此它们对高频响应的影响可用如图所示的如图所示的 RC 低通电

11、路来模拟。低通电路来模拟。RC低通电路低通电路 电压放大倍数：电压放大倍数：111111( )1( )11( )ouHisCusAssR CRu ssC 解得：解得：112121CRfhH 时间常数：时间常数：11CR h 1( )1uHHAsfjf fjjs 2 21( ) |( )|1()uHuHHAsAsff )arctan(Hff 对上式取对数得：对上式取对数得：220lg|( )|20lg 1()uHHfAsf uHHff20lg|A(s)|0dB uHHHfff20lg|A(s)|-20lg()f uHHff20lg|A(s)|-20lg 23dB 21( ) |( )|1()VH

12、uHHAsAsff 幅频响应幅频响应 相频响应相频响应f10fH，-900；0.1fHf10fH，-450/十倍程十倍程。)arctan(Hff 折线近似法：折线近似法：ffH，用斜率为，用斜率为-20dB-20dB每十倍频直线表示。每十倍频直线表示。可画出如图实线。可画出如图实线。两画法的最大误差为两画法的最大误差为3dB，发生在，发生在f=fH处。处。幅频响应的折线近似画法幅频响应的折线近似画法折线近似法：折线近似法：f10fH， -900； 0.1fHf10fL， 00 ； f0.1fL， 900 ； 0.1fLffffL L，用零分贝即横坐标，用零分贝即横坐标表示；表示；fff10fL

13、， 00 ；f0.1fL， 900 ；0.1fLf Rs，Rb rbe；(1 + gmRc)Cb c Cb eCRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故cbbbs)(21 CrRcbbbsHsm)(21 CrRfAu说明：说明：HsmfAu 式很不严格，但从中可以看出一个大式很不严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和和 Cb c 的值即被的值即被确定，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同样的倍数。提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样

14、的倍数。如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用放大电路，首要的问题是选用 rbb 和和 Cb c 均小的高频均小的高频三极管。三极管。直接耦合单管共射放大电路的频率响应直接耦合单管共射放大电路的频率响应图图 3.3.13fHfdB/lg20uAOmlg20uA 27010 fH 20dB/十倍频十倍频 1800.1fH 90fO 无隔直电容无隔直电容，在低频段在低频段电压放大倍数不会下降，也不产电压放大倍数不会下降，也不产生附加的相位移。生附加的相位移。多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应多级放大电路的幅频特性和相

15、频特性多级放大电路的幅频特性和相频特性多级放大电路的电压放大倍数：多级放大电路的电压放大倍数：unuuuAAAA 21对数幅频特性为：对数幅频特性为： nkukunuuuAAAAA121lg20lg20lg20lg20lg20多级放大电路的总相位移为：多级放大电路的总相位移为： nkkn121 两级放大电路的波特图两级放大电路的波特图图图 3.4.1fHfL幅频特性幅频特性fdB/lg20uAOfL1fH16 dB3 dB3 dBBW1BW一一 级级二二 级级图图 3.4.1相频特性相频特性 270 360fL1fH1fO 540 180 450 90一一 级级二二 级级多级放大电路的通频带，

16、总是比组成它的每一级的多级放大电路的通频带，总是比组成它的每一级的通频带为窄。通频带为窄。多级放大电路的上限频率和下限频多级放大电路的上限频率和下限频率率2H22H21HH1111 .11nffff 2L22L21LL1 . 1nffff 在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数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。相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据。 由于放大器件存在极间电容，以及电路中的电抗性元由于放大器件存在极间电容，以及电路中的电抗性元件，因此，放大电路的电压放大倍数是频度的函数。件，因此，放大电路的电压放大倍数是频度的函数。这种函数关系称为频率响应；这种函数关系称为频率响应； 三个频率参数：三个频率参数：ffTf； 阻容耦合单管共射放大电路，低频段电压放大倍数下阻容耦合单管共射放大电路，低频段电压放大倍数下降主要原因是输入信号在隔直电容上产生压降，同时降主要原因是输入信号在隔直电容上产生压降，同时还将产生还将产生0+900超前附加相位移，高频段主要是由极超前附加相