放大电路的频率响应课件

第五章

放大电路的频率响应5.1频率响应概述5.2晶体管的高频等效模型5.4单管放大电路的频率响应5.5多级放大电路的频率响应5.3场效应管的高频等效模型5.6集成运放的频率响应和频率补偿童诗白第三版本章重点和考点：2、单管共射放大电路混合π模型等效电路图、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π模型。本章教学时数：4学时

5.1频率响应概述5.1.1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极间电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。小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。一、

高通电路+_+_CR图5.1.1（a)

RC

高通电路令：5.1.2频率响应的基本概念fL

称为下限截止频率则有：放大电路的对数频率特性称为波特图。对数幅频特性：

实际幅频特性曲线：图5.1.3(a)幅频特性当f≥

fL(高频)，当f<fL(低频)，高通特性：且频率愈低，的值愈小，低频信号不能通过。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大误差为3dB，发生在f=fL处20dB/十倍频对数相频特性图5.1.3(a)相频特性5.71º-45º/十倍频fL0.1fL

10fL45º90º

0f误差

在低频段，高通电路产生0~90°的超前相移。5.71º二、RC

低通电路的波特图图5.1.2

RC

低通电路图+_+_CR令：则：fH

称为上限截止频率图5.1.3(b)低通电路的波特图对数幅频特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍频对数相频特性：fH

10fH-45º5.71º5.71º-45º/十倍频-90º0.1fH

0f在高频段，低通电路产生0~90°的滞后相移。小结（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数τ，即决定了fL和fH。（2）当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降3dB，且产生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。5.2.1晶体管的混合模

型一、完整的混合

模型图5.2.1晶体管结构示意图及混合

模型5.2晶体管的高频等效模型(a)晶体管的结构示意图(b)混合模型二、简化的混合

模型通常情况下，rce远大于c--e间所接的负载电阻，而rb/c也远大于Cμ的容抗，因而可认为rce和rb/c开路。(b)混合模型图5.2.2

混合

模型的简化(a)简化的混合

模型Cμ跨接在输入与输出回路之间，电路分析变得相当复杂。常将Cμ等效在输入回路和输出回路，称为单向化。单向化靠等效变换实现。图5.2.2

简化混合

模型的简化

(b)单向化后的混合

模型图5.2.2

简化混合

模型的简化

(C)忽略C／／μ的混合

模型因为Cπ＞＞，且一般情况下。的容抗远大于集电极总负载电阻R／Ｌ，中的电流可忽略不计，得简化模型图（C）。密勒定理：用两个电容来等效Cμ

。分别接在b

、e和c、e两端。其中：电容值分别为：等效电容的求法图5.2.2

简化混合

模型的简化

(b)单向化后的混合

模型图5.2.2

简化混合

模型的简化

(C)忽略C／／μ的混合

模型三、混合

模型的主要参数将混合

模型和简化的h参数等效模型相比较，它们的电阻参数完全相同。Cμ可从手册中查得Cob

，Cob与Cμ近似相等。Cπ数据可从手册中给定的特征频率fT和放大电路的Q点求解。5.2.2晶体管电流放大倍数β的频率响应

当信号频率发生变化时，电流放大系数β不是常量，而是频率的函数。

电流放大系数的定义：从混合π等效模型可以看出，管子工作在高频段时，若基极注入的交流电流Ib的幅值不变，则随着信号频率的升高，b/-e间的电压Ub/e的幅值将减小，相移将增大；从而使IC的幅值随Ub/e线性下降，并产生与Ub/e相同的相移。求共射接法交流短路电流放大系数ββ的对数幅频特性与对数相频特性对数幅频特性fTfOf

20lg

0-20dB/十倍频f0

对数相频特性10f

0.1f

-45º-90º

1.共射截止频率f

值下降到0.707

0

(即)时的频率。当

f=f

时，值下降到中频时的70%左右。或对数幅频特性下降了3dB。几个频率的分析2.特征频率fT

值降为1时的频率。f>fT

时，，三极管失去放大作用；

f

=

fT

时，由式得：3.共基截止频率f

值下降为低频

0时

的0.707时的频率。

f

与f

、

fT

之间关系：因为可得说明：所以：1.f

比f

高很多，等于f

的(1+

0)倍；2.f

<fT<

f

3.低频小功率管f

值约为几十至几百千赫，高频小功率管的

fT约为几十至几百兆赫。5.3场效应管的高频等效模型场效应管各极之间存在极间电容，其高频等效模型如下图5.3.1场效应管的高频等效模型（a)

一般情况下

rgs和

rds比外接电阻大得多，可认为是开路

Cgd可进行等效变化，使电路单向化

Cgd等效变化g-s之间的等效电容为d-s之间的等效电容为由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多，故分析频率特性时可忽略的影响。图5.3.1场效应管的高频等效模型(b)简化模型5.4单管放大电路的频率响应5.4.1单管共射放大电路的频率响应C1Rb+VCCC2Rc

+++Rs+~

+

图5.4.1单管共射放大电路

中频段：各种电抗影响忽略，Au

与f无关；低频段：隔直电容压降增大，Au降低。与电路中电阻构成RC高通电路；高频段：三极管极间电容并联在电路中，Au

降低。而且，构成RC低通电路。一、中频电压放大倍数耦合电容

可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。1.中频段等效电路图5.4.2中频段等效电路由图可得

bce

+Rb~

+++RcRs2.中频电压放大倍数已知，则

结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化h参数等效电路的分析结果一致。二、低频电压放大倍数考虑隔直电容的作用，其等效电路：图5.4.3低频等效电路

C1

与输入电阻构成一个RC高通电路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~

+++RcRsC1输出电压低频电压放大倍数

bce

+Rb~

+++RcRsC1低频时间常数为：下限(-3dB)频率为：则对数幅频特性对数相频特性因电抗元件引起的相移为附加相移。低频段最大附加相移为+90度三、高频电压放大倍数考虑并联在极间电容的影响，其等效电路：图5.4.4高频等效电路

bce

+Rb~

+++RcRs图5.4.4高频等效电路的简化(a)由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。用戴维南定理简化图5.4.4(b)—C

与R

构成RC

低通电路。

ce

+~

++Rc

高频时间常数：上限(-3dB)频率为：的对数幅频特性和相频特性高频段最大附加相移为-90度四、波特图绘制波特图步骤：1.根据电路参数计算、fL

和

fH

；2.由三段直线构成幅频特性。中频段：对数幅值=20lg

低频段：

f=fL开始减小，作斜率为20dB/十倍频直线；

高频段：f=fH开始增加，作斜率为–20dB/十倍频直线。3.由五段直线构成相频特性。图5.4.5幅频特性fOfL-20dB/十倍频fH20dB/十倍频-270º-225º-135º-180º相频特性-90º10fL0.1fL0.1fH10fHfO

5.4.2单管共源放大电路的频率响应图5.4.7单管共源放大电路及其等效电路在中频段开路，C短路，中频电压放大倍数为在高频段，C短路，考虑的影响，上限频率为：在低频段，开路，考虑C的影响，下限频率为：电压放大倍数5.4.3放大电路频率响应的改善和增益带宽积1.为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，放大电路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限频率fH。问题：fH的提高与Ausm的增大是相互矛盾。3.增益带宽积中频电压放大倍数与通频带的乘积。Ri=Rb//rbe假设Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cb

c>>Cb

e说明：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，rbb

和Cb

c

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电路，首要的问题是选用rbb

和Cb

c

均小的高频三极管。*场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅）复习：1.晶体管、场效应管的混合

模型2.单管共射放大电路的频率响应表达式：波特图的绘制：三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性5.5多级放大电路的频率响应5.5.1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：对数幅频特性为：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多个低通电路。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多个高通电路。多级放大电路的总相位移为：两级放大电路的波特图图5.5.1fHfL幅频特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一级二级-20dB/十倍频-40dB/十倍频图5.5.1相频特性-270º-360ºfL1fH1fO

-540º-180º-450º-90º一级二级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。5.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算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即：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。同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。例5.5.1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。求下限频率、上限频率和电压放大倍数。（2）高频段只有一个拐点，斜率为-60dB/十倍频程，电路中应有三个电容，为三级放大电路。解：（1）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的下限频率为10Hz。fH≈0.52fH1=(0.52×2×105)Hz=106KHz（3）电压放大倍数例5.5.2分别求出如图所示Q点稳定电路中C1C2和Ce所确定的下限频率的表达式及电路上限频率表达式。C1RcRb2+VCCC2RL+

+++

+CeuoRb1Reui

图2.4.2阻容耦合的静态工作点稳定电路b解：交流等效电路图5.5.3(a)Q点稳定电路的交流等效电路1.考虑C1对低频特性的影响(b)C1所在回路的等效电路2.考虑C2对低频特性的影响(c)C2所在回路的等效电路3.考虑Ce对低频特性的影响(d)Ce所在回路的等效电路4.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比较C1、C2、Ce所在回路的时间常数τ1、τ2、τe,当取C1＝C2＝Ce时，τe将远小于τ1,τ2，即fLe远大于fL1和fL2因此，fLe就约为电路的下限频率。5.6集成运放的频率响应和频率补偿5.6.1集成运放的频率响应集成运放有很好的低频特性（fL＝0）：集成运放直接耦合放大电路集成运放高频特性较差：集成运放AOd很大，等效电容或很大；集成运放内部需接补偿电容。末加频率补偿集成运放的频率响应图5.6.1末加频率补偿fC－单位增益带宽fO－附加相