模拟电子技术基础 第四章 放大电路的频率响应

1、第四章第四章 放大电路的放大电路的频率响应频率响应Frequency Response2本章内容本章内容1. 频率响应的相关概念频率响应的相关概念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4. 单级单级BJT放大电路的频率响应放大电路的频率响应5. 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应3. 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型31. 理解频率响应的相关概念；理解频率响应的相关概念；2. 理解增益带宽积的概念；理解增益带宽积的概念；3. 了解半导体器件的频率特性；了解半导体器件的频率特性；4. 会算：会算：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

2、L和和fH；5. 会画：会画：能画出近似波特图；能画出近似波特图；6. 定性了解多级放大电路频带宽度与单级的关系定性了解多级放大电路频带宽度与单级的关系 。本章要求本章要求1. 频率响应的相关概念频率响应的相关概念1.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性1.2 放大电路的频率参数及波特图放大电路的频率参数及波特图General Frequency Considerations51.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性由于放大电路中存在由于放大电路中存在电抗元件电抗元件（如（如管子的极间管子的极间电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容、射电容，电路的负载电容、分布电容、耦合电容

3、、射极旁路电容等极旁路电容等），当信号频率较高或较低时，不但），当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，放大倍数会变小，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使得放大电路对不同频率信号分量的放大倍数放大倍数和和相相移移都不同都不同。问题的提出问题的提出放大器的增益是输入信号频率的函数放大器的增益是输入信号频率的函数61.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性（1）幅度失真）幅度失真 放大电路对不同频率信号的幅值放大不同。放大电路对不同频率信号的幅值放大不同。iut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

4、次谐波基波基波71.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性iut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（2）相位失真）相位失真 放大电路对不同频率信号产生的相移不同，表放大电路对不同频率信号产生的相移不同，表现为时间延时不同。现为时间延时不同。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线性失真或或频率频率失真失真。81.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性 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、分布电感等器、分布电感等;（3）产

5、生线性失真的原因）产生线性失真的原因电容的电抗（电容的电抗（C1=20 F）f Xc11Hz7962 10Hz796.2 100Hz79.62 1kHz7.962 10kHz0.796 100kHz0.08 1MHz0.008 f 100Hz Xc1 与与rbe = 863 不能短路不能短路f 100Hz Xc1 rbe = 863 可以短路可以短路f Xc1 Ib AV RbviRcRLiVbIcIOVbI固定偏流共射极放大电路固定偏流共射极放大电路C191.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性三极管的三极管的 ( )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

6、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。（3）产生线性失真的原因）产生线性失真的原因低频段：低频段：在低频段，晶体管的极间电容可视为开路，在低频段，晶体管的极间电容可视为开路，耦合电容耦合电容C1、C2不能忽略；不能忽略；中频段：中频段：所有的电容均可忽略；所有的电容均可忽略；高频段：高频段：耦合电容耦合电容C1、C2可以可视为短路，晶体管可以可视为短路，晶体管的极间电容和线路分布电容、杂散电容等不的极间电容和线路分布电容、杂散电容等不能忽略。能忽略。101.1 研究频率响应的必要性研究频率响应的必要性q 电路中存在着电抗器件

7、是影响频响的主要因素；电路中存在着电抗器件是影响频响的主要因素；q 研究频响实际上是研究电抗元件对放大器放大倍数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；的影响；q 当低频时，主要是耦合电容起作用；当低频时，主要是耦合电容起作用；q 当高频时，主要是当高频时，主要是PN结电容起作用；结电容起作用；频率响应是衡量放大电路对不同频率输入频率响应是衡量放大电路对不同频率输入信号适应能力的一项技术指标信号适应能力的一项技术指标111.2 放大电路的频率参数及波特图放大电路的频率参数及波特图放大器的增益与频率的关系可表示为：放大器的增益与频率的关系可表示为：（1）频率响应）频率响应(频率特性频

8、率特性)增益的幅值与频率增益的幅值与频率 f 的函数关系，称的函数关系，称为为幅频响应幅频响应增益的相位与频率增益的相位与频率f 的函数关系称为的函数关系称为相频响应相频响应)(| )(|ffAuAu| )(|fAu)( f121.2 放大电路的频率参数及波特图放大电路的频率参数及波特图典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性典型的单管共射放大电路的幅频特性和相频特性uAOffLfHBWAum0.707Aum- - 90- -180- -270 f0通带增益下限频率上限频率通频带（带宽）半功率线半功率线131.2 放大电路的频率参数及波特图放大电路的频率参数及波特图（2）频率响应的波特图（）

9、频率响应的波特图（Bode Plot）p幅频特性曲线：幅频特性曲线：横轴（横轴（ ）对数坐标；纵轴（对数坐标；纵轴（ ）20lg|AufAup相频特性曲线：相频特性曲线：横轴（横轴（ ）对数坐标；纵轴对数坐标；纵轴 相角（相角（ ）f 横坐标改线性增长为指数增长，以对数坐标表示；横坐标改线性增长为指数增长，以对数坐标表示； 幅频纵坐标以分贝形式表示；幅频纵坐标以分贝形式表示； 曲线做直线化处理。曲线做直线化处理。141.2 放大电路的频率参数及波特图放大电路的频率参数及波特图f-180fHfL-225-270 ffHfL）（dB|lg20uA-20dB/十倍频程十倍频程|lg20usmA-13

10、5-90十十倍倍频频/45 - -20dB/十倍频程十倍频程十十倍倍频频/45 - -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2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应Frequency Response of RC Circuit162.1 RC高高通电路的频率响应通电路的频率响应+_+_CRiUOU RC 高通电路高通电路RCCRRUUAu j111j1iO L1122LfRC 2L11 ffAu模：模：)(arctanLff 相角：相角：令：令：LR C时间常数时间常数11111jjuLLAff-172.1 RC高高

11、通电路的频率响应通电路的频率响应2L11 ffAu2L1lg20lg20 - - ffAu则有：则有：dB 020lg L uAff时时，当当LLLlg20lg20lg20 ffffAffu - - 时，时，当当dB32lg20lg20 L- - - - uAff时时，当当（1）对数幅频特性）对数幅频特性182.1 RC高高通电路的频率响应通电路的频率响应当当 f fL(高频高频)，当当 f fC不通不通通通f fC通通不通不通f 10fC相位滞后相位滞后900001( )1uHA sfjf 1( )1uLA sfjf - - 3. 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型High-Frequ

12、ency Equivalent Model for BJT3.1 混合混合等效等效模型模型3.2 电流放大倍数的频率响应电流放大倍数的频率响应3.3 晶体管的频率参数晶体管的频率参数273.1 混合混合等效模型等效模型,ceCmb euconstigu rbb 基区的体电阻基区的体电阻rbe发射结电阻发射结电阻b是假想的基区内的一个点。是假想的基区内的一个点。Cbe发射结电容发射结电容rbc集电结电阻集电结电阻Cbc集电结电容集电结电容mb eg u 受控电流源，代替了受控电流源，代替了bi 3.1.1混合混合等效模型等效模型283.1 混合混合等效模型等效模型特点特点：（：（1 1）体现了三

13、极管的体现了三极管的电容效应电容效应； （2）用）用 代替了代替了ib 。因为。因为本身就与频本身就与频率有关，而率有关，而gm与频率无关。与频率无关。mb eg u 293.1 混合混合等效模型等效模型rbc很大很大可以忽略可以忽略rce很大很大也可以忽略也可以忽略简化的混合简化的混合等效电路等效电路：可从器件手册中查到；：可从器件手册中查到；并且并且cb CTmeb2 fgC cbeb CC(估算，估算，fT 要从器件要从器件手册中查到手册中查到)303.1 混合混合等效模型等效模型3.1.2 混合混合 参数与参数与 h 参数的关系参数的关系低频时，忽略晶体管低频时，忽略晶体管内部电容，混

14、合内部电容，混合模型与模型与h参数模型等效。参数模型等效。313.1 混合混合等效模型等效模型ebbebbEQbbbeeb26)1( - - - - rrrIrrr bebbmebmIrIgUg 2626)1(EQEQebmIIrg 一般小功率三极管一般小功率三极管 . k1mebbb几十毫西门子几十毫西门子；几十至几百欧；几十至几百欧；grr323.2 电流放大倍数的频率响应电流放大倍数的频率响应（1） 适于频率从适于频率从0至无穷大的表达式至无穷大的表达式0cecbuii ec+_+_+ebm Ugbb reb C_eb Ueb rb cb CceCbbi ci beu ceu 为什么短路

15、？为什么短路？,1/()mcb cbb eb eb cgj CiirjCC - -,()cmb cb eigj Cu - ,11(/)bb eb eb eb cui rj Cj C 当当cbm Cg 时，时，,1()mb eb eb cb eg rjCCr 333.2 电流放大倍数的频率响应电流放大倍数的频率响应,1()mb eb eb cb eg rjCCr 低频时低频时ebm0 rg ebcbebrCCf,)(21 令：令：-ffffff1200tg )(1j1 （2） 电流放大倍数的频率特性曲线电流放大倍数的频率特性曲线-90 0 -45 707. 02 0000，时，；时，；，时，；时

16、，fffffffff343.3. 电流放大倍数的波特图电流放大倍数的波特图: 采用对数坐标系71. 5dB32lg20注意折线化曲线的误差注意折线化曲线的误差20dB/十倍频折线化近似画法折线化近似画法3.2 电流放大倍数的频率响应电流放大倍数的频率响应353.3 晶体管的频率参数晶体管的频率参数（1）共射截止频率）共射截止频率 f 值下降到值下降到 0.707 0 (即即 )时的频率。时的频率。 021 值下降到中值下降到中频频时的时的 70% 左右。或左右。或对数幅频特性下降对数幅频特性下降了了 3 dB。 fTfdB/lg20 Of 20lg 0f0 10 f 0.1f - -45- -

17、90363.3 晶体管的频率参数晶体管的频率参数（2）特征频率）特征频率 f T 值降为值降为 1 时的时的频率。频率。 1 f fT 时，时，三三极管失去放大作用；极管失去放大作用； f = fT 时，由式时，由式；112T0 ff得：得： ff0T fTfdB/lg20 Of 20lg 0f0 10 f 0.1f - -45- -90373.3 晶体管的频率参数晶体管的频率参数（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 的时 的 0.707 时的频率。时的频率。 ffj10 f 与与 f 之间关系：之间关系：1 ffj10 ff)1(1000

18、0低频小功率管低频小功率管 f 值值约为几十至几百千赫，约为几十至几百千赫，高频小功率管的高频小功率管的 f 约为约为几十至几百兆赫。几十至几百兆赫。38 ffj10 晶体管频率特性小结晶体管频率特性小结1. 2. f fT f 001+Tffff ，（）；1.高频混合高频混合等效模型等效模型的频率响应的频率响应fTfdB/lg20 Of 20lg 0f0 10 f 0.1f - -45- -90.晶体管的频率参数晶体管的频率参数4. 单级单级BJT放大电路的频率响应放大电路的频率响应Frequency Response of BJT Amplifier404单管共射极放大电路的频响单管共射极

19、放大电路的频响中频段：中频段：C1 短路，极间电容开路。短路，极间电容开路。低频段：考虑低频段：考虑C1的影响，极间电容开路。的影响，极间电容开路。高频段：考虑极间电容的影响，高频段：考虑极间电容的影响，C1短路。短路。C1RcRb+VCCC2RL+-+sUoU+Rs- -+-iU将将 C2 和和 RL 看成下一级的输入耦合电容和输入电阻。看成下一级的输入耦合电容和输入电阻。411. 1. 中频电压放大倍数中频电压放大倍数（1）中频段）中频段b eb rebm Ugbb rbce +RbsU- -+RcRsebm Ugeb UoUiUcmbeebisisosmRgrrRRRUUAu - - 结

20、论：结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化中频电压放大倍数的表达式，与利用简化 h 参参数等效电路的分析结果一致。数等效电路的分析结果一致。4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响421. 1. 中频电压放大倍数中频电压放大倍数（2）低频段）低频段b eb rebm Ugbb rbce +RbsU- -+RcRseb UoUiUC1 C1 与输入电与输入电阻构成一个阻构成一个 RC 高通电路高通电路112 (/ /LbbesfRrR C ）下限截止频率：下限截止频率：低频电压增益：低频电压增益：4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响ffjAuuALsumsousL-1

21、1431. 1. 中频电压放大倍数中频电压放大倍数幅频响应幅频响应 ： 2120lg20lg20lg1()usLusmLAAff 相频响应相频响应 ： 180arctg()Lff - - f0.01fL-1800.1fL fL10fL-90-135 -450/十倍频程十倍频程f0.01fL0.1fL fL10fL20lg()usLAdB 20dB/十倍频程十倍频程20lgusmA 4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响441. 1. 中频电压放大倍数中频电压放大倍数（3）高频段）高频段4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响45混合混合 型等效电路中的电容型等效电路中的电

22、容cb C 将输入回路与输出将输入回路与输出回路直接联系起来，使解电回路直接联系起来，使解电路的过程变得十分麻烦。路的过程变得十分麻烦。密勒定理简化电路！密勒定理简化电路！4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响46密勒定理回顾密勒定理回顾目的：目的：将阻抗将阻抗Z等效到输入回路和输出回路中。等效到输入回路和输出回路中。ZUUI211-12/UUKZKUI)1 (11-11ZU 令：令：则：则：即：即：ZUUU)/1 (121-ZUUI122-)/11/(2KZU-同理：同理：)1/(1KZZ-)11 (2KZZ-4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响47例例4-1 4-

23、1 如图电路，用密勒定理将图如图电路，用密勒定理将图(a)(a)电路等效为图电路等效为图(b)(b)，求图求图(b)(b)中的中的C C1 1、C C2 2为何值。为何值。4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响48用两个电容来等效用两个电容来等效 Cb c 。分别接在。分别接在 b 、e 和和 c、e 两端。电容值分别为：两端。电容值分别为：其中：其中：cbcb1 )1( - - -CKKCK；cbeb - - CKCC)1(的并联值的并联值与等效电容与等效电容是是cbeb)1( - - CKCCb +bIeb UcIbeUeb rceUebm Ugeb Ccb Cbb rbce图

24、图 3.3.2( (b) )等效电路等效电路 单向化的混合单向化的混合 型等效电路型等效电路b bIcIeb rebm Ugbb rbce+beUeb UceUC cb1 - -CKKceb eUKU4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响494单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响单管共射放大电路高频等效电路单管共射放大电路高频等效电路b eb rebm Ugbb rbce +RbsU- -+RcRseb UoUiUC cb1 - -CKK ebm Ugce +sU - -+RcoUeb UR C 50 ebm Ugce +sU - -+RcoUeb UR C b eis

25、ssibeb ebbsb/ /(/ /)rRUURRrRrrRR b eb cb emcb c(1)(1)CCK CCg R C - C 与与 R 构成构成 RC 低通电路低通电路 1ousmusHsHuAAfujf 上限截止频率：上限截止频率：高频电压增益：高频电压增益：4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响21CRfH51幅频响应幅频响应 ： 2120lg20lg20lg1()usHusmHAAff 相频响应相频响应 ： 180arctg()Hff - - - f0.1fH-180fH10fH100fH-225-270十十倍倍频频程程0 0- -4 45 5 f0.1fHfH1

26、0fH100fH20lg| dBusHA （） -20dB/十倍频程十倍频程20lgusmA4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响52（4）完整的阻容耦合共射放大电路的频率响应）完整的阻容耦合共射放大电路的频率响应4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响)j1(1)j1(1HLusmusffffAA - - f-180fHfL-225-270 ffHfL）（dB|lg20uA-20dB/十倍频程十倍频程|lg20usmA-135-90十十倍倍频频/45 - -20dB/十倍频程十倍频程十十倍倍频频/45 - -53（5）增益带宽积（）增益带宽积（GBW）(2)增益带宽积：

27、增益带宽积：GBW= Aum fBW Aum fHBJT一旦确定，带宽增益积基本为常数一旦确定，带宽增益积基本为常数(1)通频带：通频带：BWHLHffff - - 放大器中频放大器中频电压电压增益与通频带的乘积称增益与通频带的乘积称GBW（Gain-Bandwidth Product）矛盾矛盾b eimcsibe12rRg RRRrR C - cbbbs)(21 CrR4单管共射极放大电路的频响单管共射极放大电路的频响5. 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应Frequency Response of Multistage Amplifier555. 多级放大电路的频率响应多级放大电

28、路的频率响应121muuuukkAAAA 121mmkk 总电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积：总电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积：总对数增益是各级对数增益的代数和：总对数增益是各级对数增益的代数和：总相位移是各级相位移的代数和：总相位移是各级相位移的代数和：12120lg20lg20lg20lg20lguuuunnukkAAAAA565. 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应绘制多级放大电路总的幅频特性和相频特性时，只绘制多级放大电路总的幅频特性和相频特性时，只要将各放大电路的对数增益和相位移在同一横坐标下分要将各放大电路的对数增益和相位移在同一横坐标下分别叠加就行。别叠加就行。多级放大器增益多级放大器增益增加了，但通频带却比增加了，但通频带却比任一级都任一级都窄窄。因增益带。因增益带宽积基本为常数，故宽积基本为常数，故放放大倍数的变化量与通频大倍数的变化量与通频带宽的变化量成反比带宽的变化量成反比。57多级放大电路的