第10講 放大電路的頻率響應(yīng)

1、第第1010講講 放大電路的頻率響應(yīng)放大電路的頻率響應(yīng) 第三章第三章 放大電路的頻率響應(yīng)放大電路的頻率響應(yīng) 3.1頻率響應(yīng)的一般概念頻率響應(yīng)的一般概念 3.2三極管的頻率參數(shù)三極管的頻率參數(shù) 3.3單管共射放大電路的頻率響應(yīng)單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 3.4多級放大電路的頻率響應(yīng)多級放大電路的頻率響應(yīng) 3.1頻率響應(yīng)的一般概念頻率響應(yīng)的一般概念 由于放大電路中存在電抗性元件，所以電路的放大倍由于放大電路中存在電抗性元件，所以電路的放大倍 數(shù)為頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為數(shù)為頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。頻率響應(yīng)或頻率特性。 3.1.1幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性 電壓放大倍數(shù)

2、的幅值和相角都是頻率的函數(shù)。電壓放大倍數(shù)的幅值和相角都是頻率的函數(shù)。 即即 )()(ffAA uu )(：幅頻特性：幅頻特性fAu ：相相頻頻特特性性)( f Rs Rbrb eRc Us Rs C1 RL UCC Rc Rb C2 (a)(b) bc Uo . Ui . Us . Ui . C1 rbb C Uo . C K 1 K gmUb e . Ub e e b 1 、 頻率特性的基本概念頻率特性的基本概念 把電壓增益看作常量的前提條件：把電壓增益看作常量的前提條件： : :, :180 L u be L u be i R A r R A r 共射增益 增益幅度 增益相角 . :, :

3、180 C u be L u be i R A r R A r 增益幅度 增益相角 180: ,: . i be c V be C V r R A r R A 增益相角 增益幅度 把耦合、旁路、極間電容的作用忽略把耦合、旁路、極間電容的作用忽略 不計，不計，Av可看作常數(shù)（在中頻區(qū)范圍）?？煽醋鞒?shù)（在中頻區(qū)范圍）。 o i ( ) ( ) ( ) u Uf Af Uf 幅頻響應(yīng) ( )f相頻響應(yīng) 中頻范圍以外中頻范圍以外，電壓增益是輸入信號的頻率的函數(shù)。電壓增益是輸入信號的頻率的函數(shù)。 (耦合、旁路、極間電容的作用不可忽略耦合、旁路、極間電容的作用不可忽略。) . ( )( )( ) uu

4、AfAff 典型的單管共射放大電路的幅頻特性和相頻特性典型的單管共射放大電路的幅頻特性和相頻特性 3.1.2下限頻率、上限頻率和通頻帶下限頻率、上限頻率和通頻帶 fLfH BW Aum 0.707Aum u A O f 圖圖 3.1.1 fL ：下限頻率；：下限頻率；fH ：上限頻率：上限頻率 BW ：通頻帶：通頻帶 BW = fH fL 我們定義我們定義: 當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)放大倍數(shù)的當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)放大倍數(shù)的0.707 倍時倍時, 即即 時的頻率稱為時的頻率稱為上限頻率上限頻率fH和和上限頻上限頻 率率fL。 um 1 2 u AA 后面我們會看到后面我們會看到,單級共射放大電路

5、的高頻等單級共射放大電路的高頻等 效電路就類似效電路就類似RC低通電路低通電路,低頻等效電路就類似低頻等效電路就類似RC 高通電路。高通電路。 要指標(biāo)之一通頻帶是放大電路的重 LH ffBW:帶帶寬寬( (通通頻頻帶帶) ) 3.1.3頻率失真頻率失真 圖圖 3.1.2頻率失真頻率失真 ( (a) )幅頻失真幅頻失真( (b) )相頻失真相頻失真 3.1.4波特圖波特圖 放大電路的放大電路的對數(shù)頻率特性對數(shù)頻率特性稱為波特圖。稱為波特圖。 之間的對應(yīng)關(guān)系之間的對應(yīng)關(guān)系與與表表 lg20 13 uu AA u A u A lg20 40 20 6 3 0 3 20 40 10010210.707

6、0.10.012 0 3dB 20lg|Au|/dB 帶寬帶寬 2 20 40 60 20 2 102 2 103 2 104 f/Hz fL fH （1）縱軸采用分貝做單位縱軸采用分貝做單位：20lg|Au|=20lg（Uo/Ui） （2）橫軸采用）橫軸采用HZ做單位做單位,該圖稱為波特圖。該圖稱為波特圖。 縱軸：以分貝為單位縱軸：以分貝為單位 橫軸：以頻率為單位橫軸：以頻率為單位 （3）近似畫法：）近似畫法： 采用折線法采用折線法 先計算出上限頻率先計算出上限頻率 和下限頻率和下限頻率,再分別畫三再分別畫三 個區(qū)域的線段。個區(qū)域的線段。 3、波特圖及其畫法、波特圖及其畫法 對波特圖的要求：

7、對波特圖的要求： 了解其畫法，了解其畫法， 看懂圖形?？炊畧D形。 工程上常用對數(shù)頻率特性，又稱為波特圖工程上常用對數(shù)頻率特性，又稱為波特圖 在在fH處，處，Au下降下降3dB， 滯后滯后45度度; 在在fL處，處，Au也下降也下降3dB， 超前超前45度。度。 fbe G u / dB 20 lg| Ausm| O 20 dB / 10 倍頻 程 20 dB / 10 倍頻程 3 dB f f 90 135 180 225 270 (a) 幅頻特性 (b) 相頻特性 flfh fbe Gu / dB 20 lg| Ausm| O 20 dB / 10 倍頻 程 20 dB / 10 倍頻程 3

8、 dB f f 90 135 180 225 270 (a) 幅頻特性 (b) 相頻特性 flfh fbe Gu / dB 20 lg| Ausm| O 20 dB / 10 倍頻 程 20 dB / 10 倍頻程 3 dB f f 90 135 180 225 270 (a) 幅頻特性 (b) 相頻特性 flfh 對數(shù)頻率特性對數(shù)頻率特性 低頻區(qū)是低頻區(qū)是 什么原因什么原因 造成的？造成的？ 高頻區(qū)是高頻區(qū)是 什么原因什么原因 造成的？造成的？ 一、一、RC 高通電路的波特圖高通電路的波特圖 + _ + _ C R i U O U 圖圖 3.1.2 RC 高通電路高通電路 RC C R R

9、U U Au j 1 1 1 j 1 i O 令：令： L L 2 1 2 1 RC f f f Au L L j1 1 j 1 1 1 2 L 1 1 f f Au 模：模： )(arctan L f f 相角：相角： 2 L 1 1 f f Au 2 L 1lg20lg20 f f Au 則有：則有： dB 020lg L u Aff 時時，當(dāng)當(dāng) L L L lg20lg20lg20 f f f f Aff u 時，時，當(dāng)當(dāng) dB32lg20lg20 L u Aff 時時，當(dāng)當(dāng) 對數(shù)幅頻特性：對數(shù)幅頻特性： 實際幅頻特性曲線：實際幅頻特性曲線： 圖圖 3.1.4( (a) ) 幅頻特性幅頻

10、特性 當(dāng)當(dāng) f fL( (高頻高頻) )， 當(dāng)當(dāng) f fT 時，時， 三極管失去放大作用；三極管失去放大作用； 當(dāng)當(dāng)f fT 時，由式時，由式 ；1 1 2 T 0 f f 得：得： ff 0T 共射電流放大系數(shù)的模值降為共射電流放大系數(shù)的模值降為1（0dB）時，）時，對應(yīng)的頻率稱為對應(yīng)的頻率稱為特特 征頻率征頻率，用符號，用符號fT表示。如下圖中對數(shù)幅頻特性與橫坐標(biāo)的交表示。如下圖中對數(shù)幅頻特性與橫坐標(biāo)的交 點處頻率。點處頻率。 fT f dB/lg20 O f 20lg 0-20dB/-20dB/十倍頻十倍頻 特征頻率是三極管的一個重要參 數(shù)， 當(dāng)三極管的工作頻率f fT時，放大 系數(shù)模值

11、將小于1，表明此時三極管 失去了電流放大能力，所以三極管 的工作頻率絕不允許超過特征 頻率。 3.2.3共基截止頻率共基截止頻率 f 值下降為低頻值下降為低頻 0 時時 的的 0.707 時的頻率。時的頻率。 f f j1 0 通常將共基電流放大系數(shù)的模值下降為低頻時 的 0.707倍時的頻率定義為共基截止頻率。用符號 表示。 0 f f 與與 f 、 fT 之間關(guān)系：之間關(guān)系： 因為因為， 1 f f j1 0 可得可得 f f ff ff )1( j1 1 /j1 1 /j1 0 0 0 0 0 比比較較，可可知知與與 f f j1 0 ff)1( 1 0 0 0 0 說明：說明： ff)

12、1( 1 0 0 0 0 ，因為：因為：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 f 3. 低頻小功率管低頻小功率管 f 值約為幾十至幾百千赫，高頻小值約為幾十至幾百千赫，高頻小 功率管的功率管的 fT 約為幾十至幾百兆赫。約為幾十至幾百兆赫。 3.3單管共射放大電路的頻率響應(yīng)單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 定性分析：定性分析： C1 Rb +VCC C2 Rc + + Rs + S U O U i U + 圖圖 3.3.1單管共射放大電路單管共射放大電路 中頻段：中頻段：各種電各種電 抗影響忽略，抗影響忽略，Au 與與 f 無

13、關(guān)；無關(guān)； 低頻段：低頻段： 隔直隔直 電容壓降增大，電容壓降增大， Au 降低。與電路中電阻降低。與電路中電阻 構(gòu)成構(gòu)成 RC 高通電路；高通電路； 高頻段：高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，三極管極間電容并聯(lián)在電路中， Au 降低。降低。 而且，構(gòu)成而且，構(gòu)成 RC 低通電路。低通電路。 3.3.1混合混合 型等效電路型等效電路 一、混合一、混合 型等效電路型等效電路 圖圖 3.3.1混合混合 型等效電路型等效電路 ( (a) )三極管結(jié)構(gòu)示意圖三極管結(jié)構(gòu)示意圖 c b e b b r e b r b c b r ( (b) )等效電路等效電路 b + b I e b U c I be

14、U e b r ce U ebm Ug e b C c b C b b r b c e 二、混合二、混合 參數(shù)與參數(shù)與 h 參數(shù)的關(guān)系參數(shù)的關(guān)系 低頻時，不考慮極間電容作用，混合低頻時，不考慮極間電容作用，混合 等效電路等效電路 和和 h 參數(shù)等效電路相仿，即：參數(shù)等效電路相仿，即： b b I c I e b r ebm Ug b b r b c e b I c I be r b I b c e 圖圖 3.3.1混合混合 參數(shù)與參數(shù)與 h 參數(shù)之間的關(guān)系參數(shù)之間的關(guān)系 通過對比可得通過對比可得 EQ bbbeebbb 26 )1( I rrrr EQ bbbeebbb 26 )1( I rr

15、rr 則則 ebbebb EQ bbbeeb 26 )1( rrr I rrr bebbmebm IrIgUg 則則 26 26 )1( EQ EQ eb m I I r g 一般小功率三極管一般小功率三極管 . k1 m eb bb 幾十毫西門子幾十毫西門子 ； 幾十至幾百歐；幾十至幾百歐； g r r 三、混合三、混合 型等效電路中電容型等效電路中電容 b + b I e b U c I be U e b r ce U ebm Ug e b C c b C b b r b c e 圖圖 3.3.2( (b) )等效電路等效電路 ：可從器件手冊中查到；并且：可從器件手冊中查到；并且 c b

16、C T m eb 2 f g C cbeb CC ( (估算，估算，fT 要從器件手冊中查到要從器件手冊中查到) ) 注意：注意： c b C 將輸入回路與輸出將輸入回路與輸出 回路直接聯(lián)系起來，使解電回路直接聯(lián)系起來，使解電 路的過程變得十分麻煩。路的過程變得十分麻煩。 可用密勒定理簡化電路！可用密勒定理簡化電路！ b + b I e b U c I be U e b r ce U ebm Ug e b C c b C b b r b c e 圖圖 3.3.2( (b) )等效電路等效電路 密勒定理：密勒定理： 用兩個電容來等效用兩個電容來等效 Cb c 。分別接在。分別接在 b 、e 和和

17、 c、e 兩端。兩端。 圖圖 3.3.4單向化的混合單向化的混合 型等效電路型等效電路 b b I c I e b r ebm Ug b b r b c e + + be U e b U ce U C cb 1 C K K 其中：其中： eb ce U U K 電容值分別為電容值分別為： cbcb 1 )1( C K K CK； cbeb CKCC)1( 的并聯(lián)值的并聯(lián)值 與等效電容與等效電容是是 cb eb )1( CK CC 3.3.2阻容耦合單管共射放大電路阻容耦合單管共射放大電路 的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng) 圖圖 3.3.5阻容耦合單管共射放大電路阻容耦合單管共射放大電路 C1 Rc Rb

18、+VCC C2 RL + + + s U o U + Rs + i U 將將 C2 和和 RL 看成下一級的輸入耦合電容和輸入電阻?？闯上乱患壍妮斎腭詈想娙莺洼斎腚娮琛?一、中頻段一、中頻段 C1 可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。 1. 中頻段等效電路中頻段等效電路 圖圖 3.3.6中頻段等效電路中頻段等效電路 b e b r ebm Ug b b r b c e + Rb sU + + + Rc Rs ebm Ug e b U o U i U 由圖可得由圖可得 bebi s be eb is i eb /rRR U r r RR R U 式中式

19、中 scm be eb is i cebmo URg r r RR R RUgU 2. 中頻電壓放大倍數(shù)中頻電壓放大倍數(shù) cm be eb is i s o sm Rg r r RR R U U Au 已知已知 ，則，則 eb m r g be c is i sm r R RR R Au 結(jié)論：結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達式，與利用簡化中頻電壓放大倍數(shù)的表達式，與利用簡化 h 參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。 二、低頻段二、低頻段 考慮考慮隔直電容隔直電容的作用，其等效電路：的作用，其等效電路： 圖圖 3.3.7低頻等效電路低頻等效電路 b e b r ebm Ug b

20、 b r b c e + Rb sU + + + Rc Rs e b U o U i U C1 C1 與輸入與輸入 電阻構(gòu)成一個電阻構(gòu)成一個 RC 高通電路高通電路 s be eb 1 is i eb j 1 U r r C RR R U 式中式中 Ri = Rb / rbe s be eb 1 is i eb j 1 U r r C RR R U 輸出電壓輸出電壓 s 1is cm be eb is i cebmo )(j 1 1 1 U CRR Rg r r RR R RUgU 低頻電壓放大倍數(shù)低頻電壓放大倍數(shù) 1is sm s o sL )(j 1 1 1 CRR A U U A uu

21、低頻時間常數(shù)為：低頻時間常數(shù)為： 1isL )(CRR 下限下限( ( 3 dB) )頻率為：頻率為： 1isL L )(2 1 2 1 CRR f 則則 f f AA L uu j1 1 smsL 阻容耦合的單管共射 放大電路的下限頻率主要決 定于低頻時間常數(shù)L，L 值越大，則fL越小，放大電 路 的低頻響應(yīng)越好。當(dāng)中頻電 壓放大倍數(shù)和下限頻率求得 后，運用波特圖可以方便地 畫出幅頻特性和相頻特性。 三、高頻段三、高頻段 考慮考慮并聯(lián)在極間電容并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：的影響，其等效電路： b e b r ebm Ug b b r b c e + Rb sU + + + Rc Rs

22、e b U o U i U C cb 1 C K K 圖圖 3.3.8高頻等效電路高頻等效電路 三、高頻段三、高頻段 考慮考慮并聯(lián)在極間電容并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：的影響，其等效電路： 圖圖 3.3.9高頻等效電路的簡化高頻等效電路的簡化 ebm Ug c e + s U + + Rc o U e b U R C 由于輸出回路時間常數(shù)遠小于輸入回路時間常數(shù)，故由于輸出回路時間常數(shù)遠小于輸入回路時間常數(shù)，故 可忽略輸出回路的結(jié)電容。并用戴維南定理簡化。可忽略輸出回路的結(jié)電容。并用戴維南定理簡化。 ebm Ug c e + s U + + Rc o U e b U R C 圖中圖中 )/

23、(/ bsbbeb s be eb is i s RRrrR U r r RR R U cbcmebcbeb )1()1( CRgCCKCC C 與與 R 構(gòu)成構(gòu)成 RC 低通電路。低通電路。 sseb j1 1 j 1 j 1 U CR U C R C U scm be eb is i cebmo j1 1 U CR Rg r r RR R RUgU CR A U U A uu j1 1 sm s o sH 高頻時間常數(shù)：高頻時間常數(shù)： CR H 上限上限( ( 3 dB) )頻率為：頻率為： CR f 2 1 2 1 H H H smsH 1 1 f f AA uu 故故 結(jié)論：結(jié)論：單管

24、共射放大電路 的上限頻率取決于時間常 數(shù)H；fH越大，電路的高 頻響應(yīng)越好；為獲得良好 的高頻響應(yīng)，應(yīng)選用極間 電容較小的三極管。 四、完整的波特圖四、完整的波特圖 )j1)(j1( H L sm s f f f f A A u u 繪制波特圖步驟：繪制波特圖步驟： 1. 根據(jù)電路參數(shù)計算根據(jù)電路參數(shù)計算 、fL 和和 fH ； smu A 2. 由三段直線構(gòu)成幅頻特性。由三段直線構(gòu)成幅頻特性。 smu A 中頻段：中頻段：對數(shù)幅值對數(shù)幅值 = 20lg 低頻區(qū)：低頻區(qū)： f = fL開始減小，作斜率為開始減小，作斜率為 20 dB/十倍頻直線；十倍頻直線； 高頻段：高頻段：f = fH 開始

25、增加，作斜率為開始增加，作斜率為 20 dB/十倍頻直線。十倍頻直線。 3. 由五段直線構(gòu)成相頻特性。由五段直線構(gòu)成相頻特性。 幅頻特性波特圖的畫法要點掌握： 1. 波特圖的作圖原理是抓住兩個趨勢(左趨勢、右趨勢)， 2. 根據(jù)電路參數(shù)及計算公式求出中頻電壓放大倍數(shù)Ausm、 下限頻率fL和上限頻率fH； 3. 在幅頻特性的橫坐標(biāo)上，找到對應(yīng)于fL和fH的兩點；在 fL與fH之間的中頻區(qū)作一條20lgAu的水平線；從f=fL點 開始，在低頻區(qū)作一條斜率為20dB/十倍頻程的直線折 向左下方；又從f=fH點開始，在高頻區(qū)作一條斜率為 20dB/十倍頻程的直線折向右下方。以上三段直線構(gòu)成 的折線即

26、是放大電路的幅頻特性。如下圖所示： 相頻特性波特圖的畫法要點掌握： 1. 在10fL至0.1fH之間的中頻區(qū)，=180； 2. 當(dāng)f10fH前，= 270； 4. 在0.1fL至10fL 之間以及0.1fH至10fH之間，相頻特性分 別為兩條斜率為 45/十倍頻程的直線。 以上五段直線構(gòu)成的折線就是放大電路的相頻特性。 如下圖所示： 270 225 135 180 相頻特性 90 10 fL0.1fL0.1fH10 fH f 0 圖圖 3.3.10 幅頻特性幅頻特性 f dB/lg20 u A O fL 20dB/十倍頻十倍頻 fH 20dB/十倍頻十倍頻 sm lg20 u A 270 22

27、5 135 180 相頻特性相頻特性 90 10 fL0.1fL0.1fH10 fH f O 五、增益帶寬積五、增益帶寬積 中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。 CR fRg r r RR R Au 2 1 Hcm be eb is i sm ；因為因為 )/(/ bsbbeb RRrrR cbcmeb )1( CRgCC Ri = Rb / rbe 假設(shè)假設(shè) Rb Rs，Rb rbe； (1 + gmRc)Cb c Cb e CR Rg r r RR R fAu 2 1 cm be eb is i Hsm 故故 cbbbs )(2 1 CrR cbbbs Hsm )(2 1 CrR fAu 說明：說明： Hsm fAu 式很不嚴(yán)格，但從中可以看出一個大式很不嚴(yán)格，但從中可以看出一個大 概的趨勢，即選定放大三極管后，概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb 和和 Cb c 的值即被的值即被 確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，若將放大倍數(shù)確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，若將放大倍數(shù) 提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。 如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的 放大電路，首要的問題是選用放大電路，首要的問題是選用