第四章放大电路频率响应

1、第四章 放大电路的频率响应第四章 放大电路的频率响应4.1频率响应的概念频率响应的概念4.2晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型4.4单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应4.3场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型4.6放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应本章重点和考点：本章重点和考点：2、单管共射放大电路混合、单管共射放大电路混合模型等效电路图、模型等效电路图、 频率响应的表达式及波特图绘制频率响应的表达式及波特图绘制 。1、晶体管、场效应管的混合、晶体管、场效应管的混合模型。模型。本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.为什么

2、要讨论频率响应？如何制定一个为什么要讨论频率响应？如何制定一个RC网络的频网络的频率响应？如何画出频率响应曲线？率响应？如何画出频率响应曲线？2.晶体管与场效应管的晶体管与场效应管的h参数等效模型在高频下还适应吗？参数等效模型在高频下还适应吗？为什么？为什么？3.什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何确定放大电路的通频带？确定放大电路的通频带？4.对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？4.1频率响应的概念频率响应的概念研究放大电路频率响应的必要性研究放大电路频率响应的必要性 由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管

3、极间电由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为称为频率响应或频率特性。频率响应或频率特性。 小小信号等效模型只适用于低频信号的分析。信号等效模型只适用于低频信号的分析。 本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。的描述方法。 ()()ouiUjAUj( )( )uuAAff放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。HLBWff 在

4、在中频区中频区各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍数倍数Au基本上不随信号频率而变化，保持常数。基本上不随信号频率而变化，保持常数。 在在低频区低频区，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使放大倍数下降；影响不可忽略，会使放大倍数下降； 在在高频区高频区，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大倍数下降。可忽略，也会使放大倍数下降。 在绘制频率响应曲线时，常常采用对数坐标，即幅频响应和相频响应可分别绘在两张半对数坐标纸上。这种半对数坐标图，就是

5、横坐标的频率采用对数分度（即用lgf）,幅频特性的纵坐标为 ，单位为分贝（dB），放大倍数用分贝作单位时，常称为增益。相频特性的纵坐标仍为，不取对数。这时得到的频率响应曲线称为对数频率响应或波特图。 20lg|uA 如果采用对数坐标绘制频率响应曲线，那么在波特图中，放大器的下限频率fL和上限频率fH也就是中频电压增益下降3dB时所对应的两个频率。 在实际当中，绘制波特图一般不需要用逐点描绘的方法来绘制曲线的，而是采用折线近似的方法，这是工程上一种既简便又实用的方法。后面我们会结合绘制RC电路的频率响应（波特图）进行介绍。 -2020lgdBuA03dB-20dB/十倍频称20dB/十倍频称-4

6、00.1fLfL10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45o/十倍频称0.1fH（a）（b）图5.17 放大电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应45o90ofH-45o/十倍频称 频率失真又包括幅度失真和相位失真。频率失真又包括幅度失真和相位失真。 幅度失真：幅度失真：是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同 而引起输出波形产生的失真。而引起输出波形产生的失真。相位失真：相位失真：是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而 引起输出波形产生的失真。引起输出波形产生的失真。(a)幅度失真幅度失真(b)

7、相位失真相位失真R1C1+_iUoU图5.3 RC低通电路+_o1uH11111111iUj CAj RCURj C时间常数时间常数H=R1C1，令，令HHH1111222fRCuHHH1111AfjjfuH2H11AffHHarctanff 幅频响应：幅频响应：相频响应：相频响应： uH2H11Aff当当ffH 时，时， 211HuHHfAfff-20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4 RC低通电路的频率响应（a）幅频响应 （b）相频响应uHA随着随着f的上升

8、的上升，越来越小越来越小两条直线的交点两条直线的交点f H称为转折频率。称为转折频率。 当当ffH 时，时， -20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4 RC低通电路的频率响应（a）幅频响应 （b）相频响应HHarctanff 当当f = fH 时，时， H0H90 45OH随着随着f的上升的上升，越来越小越来越小H可以利用可以利用RC低通电路来模低通电路来模拟放大电路的高频响应。拟放大电路的高频响应。 2L20lg20lg1ufAf 则有：则有： ,20lg20

9、lg10 dBHffAu 当时，HH 20lg20lguffAff 当时，H 20lg20lg23dBuffA 当时，放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。uH2H11Aff对数对数幅频特性：幅频特性：0.1 fHfH 10 fHfdB/lg20uA0 20 403dB 20dB/十倍频十倍频对数相频特性：对数相频特性：fH 10 fH 455.715.71 45/十倍频十倍频 900.1 fH 0f在高频段，低在高频段，低通电路产生通电路产生0 90的滞后相的滞后相移。移。（3）低通电路的波特图）低通电路的波特图时间常数时间常数L=R2C2，令，令幅频响应：幅频响

10、应：相频响应：相频响应： 图5.5 RC高通电路+_iUoU+_R2C2o222uL222211iURj R CAj R CURj CLLL2211222fR CLLuLLL11fjjfAfjjfLuL2L1ffAffLLarctanff当当ffL 时，时， uHA随着随着f的下降的下降，越来越小越来越小LLuLLL11fjjfAfjjfLuL2LL1fffAfffLuL2L11ffAff -203dB020lguLAdB-400.1fLfL100fL10fLHzfHzf45o90o0o20dB/十倍频 程-45o/十倍频（a）（b）图5.6RC高通电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应0

11、.1fLfL10fL100fLL0.01fL0.01fL程当当ffH 时，时， -20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4 RC低通电路的频率响应（a）幅频响应 （b）相频响应当当f = fH 时，时， H0H9045OH随着随着f的下降的下降，越来越小越来越小H可以利用可以利用RC高通电路来模高通电路来模拟放大电路的低频响应。拟放大电路的低频响应。 LLarctanff2LL1lg20lg20lg20ffffAu则有：则有：dB 020lg L uAff时时，当

12、当LL 20lg20lgufffAf当时，dB32lg20lg20 L uAff时时，当当L2L1uffAff放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。 实际幅频特性曲线：实际幅频特性曲线：幅频特性幅频特性当当 f fL( (高频高频) )，当当 f fT 时，时，三极管失去放大作用；三极管失去放大作用； f fT 时，由式时，由式；112T0 ff得：得： ff0T 3.共基截止频率共基截止频率 f 值下降为低频值下降为低频 0 时时 的的 0.707 时的频率。时的频率。 ffj10 【f 与与 f 、 fT 之间关系之间关系】：因为因为， 1 ffj10 可得可得

13、 ffffff)1(j11/j11/j100000 比比较较，可可知知与与 ffj10 ff)1(10000【说明：说明：】 ff)1(10000 ，因因为为：所以：所以：1. f 比比 f 高很多，等于高很多，等于 f 的的 (1 + 0) 倍；倍；2. f fT Rs，Rb rbe；(1 + gmRc)Cb c Cb eCRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故cbbbs)(21 CrRcbbbsHsm)(21 CrRfAu说明：说明：HsmfAu 式不很严格，但从中可以看出一个大式不很严格，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，

14、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，确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数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的倍数。如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用电路，首要的问题是选用 rbb 和和 Cb c 均小的高频三极管。均小的高频三极管。复习：复习：1.晶体管、场效应管的晶体管、场效应管的混合混合 模模型型2.单管共射放大电路的单管共射放大电路的频率响应频率响应表达式：表达式：)j1)(j1 (j)j1)(j1

15、(HLLsmHLsmsffffffAffffAAuuu波特图的绘制：波特图的绘制：三段直线构成幅频特性三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性五段直线构成相频特性4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应4.5.1多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路频率特性的定性分析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 在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有中有多个低通电路多个低通

16、电路。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路多个高通电路。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 5.5.1fHfL幅频特性幅频特性fdB/lg20uAOfL1fH16 dB3 dB3 dBfBW1fBW2一一 级级二二 级级 20dB/十倍频十倍频 40dB/十倍频十倍频图图 5.5.1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

17、的通频带，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窄。通频带窄。12uuAA12uuuAAAmm1m2uuuAAAh1h2m1m20.7070.707uuuuAAAAl1l2m1m20.7070.707uuuuAAAAhh1h2m1m20.5uuuuuAAAAAll1l2m1m20.5uuuuuAAAAA为简单起见，我们以两级放大电路为例进行分析，设且fL1=fL2，fH1=fH2。总的电压放大倍数为在中频区在上、下限频率处，即在f=fL1=fL2；f=fH1=fH2处，各级的电压放大倍数均下降到中频区电压放大倍数的0.707倍，即而此时总的电压放大倍数为根据定

18、义，放大器的截止频率应是放大倍数下降至中频区放大倍数的0.707倍时的频率。所以，fL fL1= fL2，fHfH1= fH2。即两级放大电路的通频带变窄了。同理，多级放大电路的通频带小于单级放大电路的通频带；多级放大电路的上限频率小于单级放大电路的上限频率；多级放大电路的下限频率大于单级放大电路的下限频率。4.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算多级放大电路的上限频率和下限频率的估算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

19、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即：即：若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。同理同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。例例4.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求特性如图所示。求下限频率、上限频率下限频率、上限

20、频率和和电压放大倍数电压放大倍数。（2）高频段只有一个拐点，）高频段只有一个拐点，斜率为斜率为-60dB/十倍频程，电十倍频程，电路中应有三个电容，为三级路中应有三个电容，为三级放大电路。放大电路。解：（解：（1）低频段只有一个）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的只有一个电容，故电路的下限频率为的下限频率为10Hz。fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz（3）电压放大倍数）电压放大倍数33510 j(1j)(1j)102 10ufAff例例4.5.2分别求出如图分别求出如图所示所示Q点稳定电路中点稳定电路中C1 C2和和Ce所

21、确定的下限频所确定的下限频率的表达式及电路上限率的表达式及电路上限频率表达式。频率表达式。C1RcRb2+VCCC2RL+ +CeuoRb1Reui图图 2.4.2阻容耦合的静态工作点稳定电路阻容耦合的静态工作点稳定电路b解：交流等效电路解：交流等效电路图图5.5.3(a)Q点稳定电路的交流等效电路点稳定电路的交流等效电路1.考虑考虑C1对低频特性的影响对低频特性的影响(b) C1所在回路的等效电路所在回路的等效电路1121121/2121CRRcrRRRfiSbebbSLI2.考虑考虑C2对低频特性的影响对低频特性的影响(c) C2所在回路的等效电路所在回路的等效电路2222121CRRfL

22、cL3.考虑考虑Ce对低频特性的影响对低频特性的影响(d) Ce所在回路的等效电路所在回路的等效电路eSbbbeeeLICRRRrRf1/2121214.4.考虑结电容对高频特性的影响考虑结电容对高频特性的影响(e)结电容所在回路的等效电路结电容所在回路的等效电路CRRRrrfSbbbbebHH/212121比较比较C1、C2、Ce所在回路的时间常所在回路的时间常数数1 1、2 2、e e, ,当取当取C C1 1C C2 2CeCe时，时，e e将远小于将远小于1 1,2 2，即，即f fLeLe远大于远大于f fL1L1和和f fL2L2因此，因此，f fLeLe就约为电路的下限频率就约为

23、电路的下限频率。4.6 放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应 研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下的频率响应，这种分析方法称为的频率响应，这种分析方法称为频域法频域法。 优点优点:是分析简单，实际测试方便是分析简单，实际测试方便 缺点缺点:是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路的波形失真，的波形失真， 采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分

24、析方法称为方法称为时域法时域法。 优点优点:是可以很直观地判断放大电路的波形失真是可以很直观地判断放大电路的波形失真缺点缺点:是分析比较复杂是分析比较复杂1.阶跃信号阶跃信号0,0( ),0tu tUt2.单级放大电路的阶跃响应单级放大电路的阶跃响应（1）上升时间）上升时间t r上升部分可以采用上升部分可以采用RC低通电路来模拟低通电路来模拟 R1C1图5.20 单级放大电路的上升时间uSuO1.00.90.10trt1t2tOSuU（a）（b）oS(1)tRCuUe（1）上升时间）上升时间t roS(1)tRCuUe 定义上升时间定义上升时间t r来表示前沿失真，来表示前沿失真，上升时间上升时间t r是指是指输出电压从终始值的输出电压从终始值的10%上升到上升到90%所需的时间所需的时间。 11( )10.1tORCSuteU 10.9tRCe22