第5章 放大電路頻率特性

1、模 擬 電 子 技 術(shù)5.1放大電路的頻率特性放大電路的頻率特性放大電路的頻率特性放大電路的頻率特性5.2多級放大器的頻率多級放大器的頻率特性特性小結(jié)小結(jié)模 擬 電 子 技 術(shù)5.1.2 晶體管以及其單級放大電路的頻率特性晶體管以及其單級放大電路的頻率特性5.1.3 集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響集成運算放大器高頻參數(shù)及其影響5.1.1 放大電路頻率特性的基本概念放大電路頻率特性的基本概念模 擬 電 子 技 術(shù)5.1.1 放大電路頻率特性的基本概念放大電路頻率特性的基本概念RsUs+-Uo+-模 擬 電 子 技 術(shù) fOAum1.1.頻率特性頻率特性)()( ffAAuu Au( f ) 幅頻

2、特性幅頻特性 ( f ) 相相頻特性頻特性0.707AumfOAuf L 下限截止頻率下限截止頻率 f H 上限截止頻率上限截止頻率 2. 頻帶寬度頻帶寬度( (帶寬帶寬) )BW( (Band Width) )BW = f H - - f L f HfLfH模 擬 電 子 技 術(shù)3頻率失真頻率失真幅頻失真幅頻失真:通頻帶不夠?qū)?，而輸入信號的頻譜分通頻帶不夠?qū)?，而輸入信號的頻譜分布又很廣，那么輸入信號的不同頻率布又很廣，那么輸入信號的不同頻率成分，就會得不到同倍數(shù)的放大，成分，就會得不到同倍數(shù)的放大，輸出波形就會產(chǎn)生失真輸出波形就會產(chǎn)生失真 放大倍數(shù)模的不同所造成的失真放大倍數(shù)模的不同所造成的

3、失真. 相頻失真相頻失真 :附加相移不同而造成的失真附加相移不同而造成的失真 兩種失真總稱兩種失真總稱頻率失真頻率失真 電路中由于線性的電抗元件，電路中由于線性的電抗元件， 引起的頻率失真引起的頻率失真 ，叫做叫做線性失真線性失真。 模 擬 電 子 技 術(shù)4.4.研究頻率響應(yīng)的方法研究頻率響應(yīng)的方法(1).(1).三個頻段的劃分三個頻段的劃分1).1).中頻區(qū)中頻區(qū)( (段段) )特點特點:Aus:Aus與與f f無關(guān)無關(guān) 與與f無關(guān)無關(guān)原因原因: :不考慮電路中不考慮電路中電容的影響電容的影響2).2).低頻區(qū)低頻區(qū)( (段段) )模 擬 電 子 技 術(shù)特點特點:Aus:Aus與與f f有關(guān)

4、有關(guān)(f(f下降下降A(chǔ)usAus也下降也下降, , 與頻率有關(guān)與頻率有關(guān))原因原因: :由于由于C1C1和和C2C2的存在的存在在頻率比較低時在頻率比較低時電容所產(chǎn)生的容抗不可電容所產(chǎn)生的容抗不可忽略忽略, ,使輸出電壓下降使輸出電壓下降. .所以所以AusAus下降下降模 擬 電 子 技 術(shù)3).3).高頻區(qū)高頻區(qū)( (段段) )特點特點:Aus:Aus與與f f有關(guān)有關(guān)(f(f增大增大AusAus下降下降, , 與與f有關(guān)有關(guān))原因原因: :由晶體管的極間由晶體管的極間電容的存在電容的存在, ,分布電容分布電容的存在引起的存在引起模 擬 電 子 技 術(shù)(2).(2).研究方法研究方法 分頻

5、區(qū)用等效電路法分析計算分頻區(qū)用等效電路法分析計算1).1).中頻區(qū)前邊已經(jīng)講過用中頻區(qū)前邊已經(jīng)講過用H H參數(shù)微變等效電參數(shù)微變等效電 路分析計算路分析計算2).2).低頻區(qū)用中頻區(qū)的等效電路并把低頻區(qū)用中頻區(qū)的等效電路并把C1C1和和C2C2的的影響考慮進去影響考慮進去, ,畫出等效電路畫出等效電路, ,進行分析計算進行分析計算3).3).高頻區(qū)晶體管的高頻區(qū)晶體管的H H參數(shù)模型不能采用參數(shù)模型不能采用, ,因為因為沒有考慮晶體管的極間電容的作用沒有考慮晶體管的極間電容的作用. .所以首先所以首先介紹晶體管的高頻小信號模型介紹晶體管的高頻小信號模型. .模 擬 電 子 技 術(shù)5.單時間常數(shù)

6、單時間常數(shù)RC電路的頻率特性電路的頻率特性(1)RC低通電路低通電路RCjCjRCjUUA1111iouRCf212HHHHu1111ffjjA模 擬 電 子 技 術(shù)-)arctan()(11H2HuffffA-)arctan()(1lg20lg20H2HuffffA模 擬 電 子 技 術(shù)(2)RC高通電路高通電路RCjRCjCjRRUUA11iouRCf212LLffjffjffjjjALLLLLu1111-模 擬 電 子 技 術(shù)-)arctan()(1lg20lg20L2LuffffA模 擬 電 子 技 術(shù)(3).時間常數(shù)的估算時間常數(shù)的估算1）單個電容多個電阻）單個電容多個電阻CRRRR

7、RC)/(21342）單個電阻多個電容）單個電阻多個電容)(21CCRRC模 擬 電 子 技 術(shù)3）多個電阻多個電容）多個電阻多個電容)(/(2121CCRRRC模 擬 電 子 技 術(shù)5.1.2 晶體管的高頻物理模型晶體管的高頻物理模型 -混合混合等效電路等效電路1.1.混合混合等效電路的引出等效電路的引出用晶體管物理模型引出用晶體管物理模型引出NNP基極基極 B集電極集電極 C發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié) 基區(qū)基區(qū) 集電區(qū)集電區(qū)base發(fā)射極發(fā)射極 E模 擬 電 子 技 術(shù)B EBCrbb rb erb cCb cCb e模 擬 電 子 技 術(shù)r bb -基區(qū)電阻幾歐基區(qū)電阻幾歐幾百歐幾百歐r

8、b e-發(fā)射極電阻與工作點發(fā)射極電阻與工作點Q有關(guān)有關(guān)r b c-集電極電阻集電極電阻 一般在幾兆以一般在幾兆以上上,可以看作無窮大可以看作無窮大r c和和re可以忽略不計可以忽略不計Cb c-集電結(jié)電容集電結(jié)電容 可以用可以用C 來來表示表示Cb c-發(fā)射結(jié)電容可以用發(fā)射結(jié)電容可以用C 來表示來表示r ce-輸出電阻一般在幾百輸出電阻一般在幾百K以上以上,可以看作可以看作模 擬 電 子 技 術(shù)gmUb e-發(fā)射結(jié)電壓控制集電結(jié)電流發(fā)射結(jié)電壓控制集電結(jié)電流gm-跨導(dǎo)跨導(dǎo) cb e2.2.混合混合參數(shù)和參數(shù)和H參數(shù)的關(guān)系參數(shù)的關(guān)系模 擬 電 子 技 術(shù)2626(1)bebbb eb eEQCQb

9、bbeb errrrIIrrr-/bm bembebeb beIgUgrUIr模 擬 電 子 技 術(shù)3.3.混合混合等效電路的簡化等效電路的簡化1/(2)mLmTCCK CKg RCgf其中模 擬 電 子 技 術(shù)4. 與頻率與頻率 f 的關(guān)系的關(guān)系 = 0.707 0f 共發(fā)射極截止頻率共發(fā)射極截止頻率fT 特征頻率特征頻率 = 1可可求得求得：)(21 Cbebeb CCrf fCCgf0cbebmT )(2 同樣可求得：同樣可求得：)(21 cbebe CCrf f)1 (0 可見：可見： fff T f f o0.707 o1fTO模 擬 電 子 技 術(shù)5.1.3 晶體管基本放大電路的頻

10、率響應(yīng)晶體管基本放大電路的頻率響應(yīng)1.1.畫出全頻段的微變等效電路畫出全頻段的微變等效電路模 擬 電 子 技 術(shù)2.2.中頻區(qū)的頻率響應(yīng)中頻區(qū)的頻率響應(yīng) f ffH ffL(1). (1). 微變等效電路微變等效電路 C1C1看作短路看作短路 C C看作開路看作開路 (2). (2). 寫出寫出A Ausmusm的表達式的表達式 iebbbebebUrrrU)/(LCebmoRRUgU-ebbbebLCmioum)/(rrrRRgUUA-模 擬 電 子 技 術(shù)(3).(3).寫出表達式的模和相位寫出表達式的模和相位3.3.高頻區(qū)的頻率響應(yīng)高頻區(qū)的頻率響應(yīng) f ffH(1). (1). 微變等效

11、電路微變等效電路 C1C1看作短路看作短路-180)/(lg20lg20ebbbebLCmumrrrRRgA模 擬 電 子 技 術(shù)(2). (2). 寫出表達式寫出表達式 )/(LCebmoRRUgU-ebbbebLCmiouh1/)1/)(/(CjrrCjrRRgUUA-)1/(1/ebbbebebiCjrrCjrUU模 擬 電 子 技 術(shù)ebbbebbbebbbebLCm11)/(rrrrCjrrrRRg-=)/(1ebbbumrrCjA-=ebbbH)/(21Crrf模 擬 電 子 技 術(shù)(3).(3).寫出表達式的模和相位寫出表達式的模和相位HumuH1ffjAA-)(180)(1lg

12、10|lg20|lg20H2HumuhffarctgffAA模 擬 電 子 技 術(shù)4.4.低頻區(qū)的頻率響應(yīng)低頻區(qū)的頻率響應(yīng) f ffL(1). (1). 微變等效電路微變等效電路 C看作開路看作開路 (2). (2). 寫出表達式寫出表達式 模 擬 電 子 技 術(shù)1ebbbB1i1)/(CrrRCR2LC2)(CRR 2LCL21ebbbBL1)(21)/(21CRRfCrrRf模 擬 電 子 技 術(shù)o2LCLo1UCjRRRUebebebbbiUrrrU2LCebbbebLCmioul)(111)/(CRRjrrrRRgUUA-ffjAALumul1-模 擬 電 子 技 術(shù)(3).寫出表達式

13、的模和相位寫出表達式的模和相位-)(180)(1lg10|lg20|lg20L2LumuHffarctgffAA模 擬 電 子 技 術(shù)5.5.波特圖的畫法波特圖的畫法(1).(1).坐標(biāo)軸的選擇坐標(biāo)軸的選擇1).1).幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng) 縱軸用分貝縱軸用分貝 橫軸用對數(shù)表示的頻率橫軸用對數(shù)表示的頻率2).2).相頻響應(yīng)相頻響應(yīng) 縱軸用度縱軸用度 橫軸用對數(shù)表示的頻率橫軸用對數(shù)表示的頻率(2).(2).中頻區(qū)的畫法中頻區(qū)的畫法設(shè)設(shè): : (3).(3).高頻區(qū)的畫法高頻區(qū)的畫法(4).(4).低頻區(qū)的畫法低頻區(qū)的畫法100LfHZ610HfHZ100usmA180 -模 擬 電 子 技 術(shù)將前面畫

14、出的單管共射放大電路頻率特性的中頻段 、低頻段和高頻段畫在同一張圖上就得到了如圖所示的的頻率特性（波特）圖 。 共射電路完整波特圖實際上，同時也可得出單管共射電路完整的電壓放大倍數(shù)表達式， 即(5).(5).完整的單管共射電路頻率響應(yīng)完整的單管共射電路頻率響應(yīng)模 擬 電 子 技 術(shù))1)(1 (HLumuffjffjAA-模 擬 電 子 技 術(shù)，H 由上圖可看出，畫單管共射 放大電路的頻率特性時，關(guān)鍵在于算出下限和上限截止頻率LfHf和下限截止頻率取決于低頻時輸入回路的時間數(shù) ，由圖可知： ，其中， 而同樣，上限截止頻率取決于高頻時輸入回路的 時間常數(shù) ；由圖可知： ，L 1CRRisL eb

15、bbBirrRR CRH 模 擬 電 子 技 術(shù)其中 ，則可以方便的畫出放大電路的頻率特性圖。HHf 21 H L 對數(shù)幅頻特性對數(shù)幅頻特性：在 到 之間，是一條水平直線；在 時，是一條斜率為+20Db/十倍頻程的直線；在 時，是一LfHfusmusAAlg20lg20 Lff Hff 模 擬 電 子 技 術(shù)條斜率為+20Db/十倍頻程的直線；在 時，是一條斜率為-20Db/十倍頻程的直線。放大電路的通頻帶 。Hff LHBWfff- - 在 時， ； 在 時， ； HLfff1 . 010 180- - Lff1 . 0 90- - 在 時， ；Hff10 270- - 模 擬 電 子 技

16、術(shù)而在f從 到 以及從 到 的范圍內(nèi)，相頻特性都是斜率為 十倍頻程的直線。 /45- -前面已經(jīng)指出在畫波特圖時，用折線代替實際的曲線是有一定誤差的。對數(shù)幅頻特性的最大誤差為3dB，相頻特性的最大誤差為 ，都出現(xiàn)在線段轉(zhuǎn)折處。 71. 5 模 擬 電 子 技 術(shù)如果同時考慮耦合電容 和 ，則可分別求出對應(yīng)于輸入回路和輸出回路的兩個下限截止頻率1C2C 1121CRRfiSL 2221CRRfLCL 這時，放大電路的低頻響應(yīng)，應(yīng)具有兩個轉(zhuǎn)折頻率。如果二者之間的比值在45倍以上，則可取較大的值作為放大電路的下限頻率。 模 擬 電 子 技 術(shù)否則，應(yīng)該可以用其他方法處理。此時，波特圖的畫法要復(fù)雜一些

17、。 如果放大電路中，晶體管的射極上接有射極電阻 和旁路電容 ，而且 的電容量不夠大，則在低頻時不能被看作短路。因而，由 又可以決定一個下限截止頻率。需要指出的是，由于 在射極電路里，射極電流 是基極電流 ERECECECECeI模 擬 電 子 技 術(shù)bI的 1倍，它的大小對放大倍數(shù)的影響較大，因此 往往是決定低頻響應(yīng)的主要因素。EC模 擬 電 子 技 術(shù)5.1.4 放大電路頻率的改善和增益帶寬積放大電路頻率的改善和增益帶寬積1.對放大電路頻率響應(yīng)的要求對放大電路頻率響應(yīng)的要求 只有在通頻帶的范圍內(nèi)只有在通頻帶的范圍內(nèi),放大電路的電壓放大倍數(shù)放大電路的電壓放大倍數(shù)才有不變的幅值和相位，才能對不同

18、頻率的信號進行才有不變的幅值和相位，才能對不同頻率的信號進行同樣的放大。否則就要產(chǎn)生頻率失真。同樣的放大。否則就要產(chǎn)生頻率失真。 頻率失真又分為：頻率失真又分為：“幅值失真幅值失真”和和“相位失真相位失真”頻率響應(yīng)的要求是頻率響應(yīng)的要求是： 放大電路的放大電路的 要低于輸入信號中的最低要低于輸入信號中的最低頻率分量頻率分量 要高于輸入信號中的最高頻率分量要高于輸入信號中的最高頻率分量LfHf模 擬 電 子 技 術(shù)2.對放大電路頻率響應(yīng)的改善對放大電路頻率響應(yīng)的改善（1）.減小減小 改善低頻響應(yīng)改善低頻響應(yīng) 方法：加大方法：加大C1、C2和和Ce 或采用直接耦合或采用直接耦合Lf（2）.增大增大

19、 改善高頻響應(yīng)改善高頻響應(yīng) 方法：方法： 減小減小 C 、 C 或采用高頻管或采用高頻管Hf（3）.引入負(fù)反饋引入負(fù)反饋 3.放大電路的增益帶寬積放大電路的增益帶寬積ebbbebbbebLmHum)/(21|CrrrrrRgfAGBP模 擬 電 子 技 術(shù)12usmHsbbAfRrC1(2LmbbLmCRgCrRgLm)1 (CRgCCLm)1 (CRgC1LmRgbb21CrGBP模 擬 電 子 技 術(shù)結(jié)論 當(dāng)管子和信號源選定后，放大電路的增益帶寬積就是一個常數(shù)。如果同頻帶擴大幾倍，則電壓放大倍數(shù)就減小同樣的倍數(shù) 為了即使同頻帶寬又要要求電壓放大倍數(shù)高， 則應(yīng)選 和 都很小的高頻管 Cbbr

20、模 擬 電 子 技 術(shù)一一、小信號頻率參數(shù)小信號頻率參數(shù)f / Hz20lgAud (f ) /dBf HOf T01. 開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬BWBW = f H 4.1.5集成運算放大器高頻參數(shù)及其響集成運算放大器高頻參數(shù)及其響模 擬 電 子 技 術(shù)2. 單位增益帶寬單位增益帶寬 BWGBWG = f T運放閉環(huán)工作時，運放閉環(huán)工作時， 帶寬帶寬增益積增益積 = Aud f HfH 為開環(huán)增益下降為開環(huán)增益下降 3 dB 時的頻率時的頻率通用型通用型集成運放帶寬集成運放帶寬較較窄窄( (幾赫茲幾赫茲) )f T 為開環(huán)增益下降至為開環(huán)增益下降至 0 dB( (即即Aud = 1) )時的頻率時的

21、頻率帶寬增益積帶寬增益積 = 1 f T= f T = BWG= Aud f HBWG = Aud BWf = 0，使，使 Auf = 1，當(dāng)，當(dāng) Auf 降為降為 0.707 時，此時的頻率時，此時的頻率 即為即為 fT。BWG = Auf BWf如如 741 型運放型運放: Aud = 104，BW = 7 Hz，Auf = 10，則則 BWf = 7 kHz模 擬 電 子 技 術(shù)二二、大信號頻率參大信號頻率參數(shù)數(shù)1. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR輸入輸入輸出輸出maxoddtuSR A 741 為為 0.5 V/ s高速型高速型 SR 10 V/ s否則將引起輸出波形失真否則將引起輸出波形失真

22、例如：例如：tUu sinomo om0ooddddmaxUtututt 則：則：須使：須使： SR 2 f Uom A741，Uom= 10 V 最高不失真頻率為最高不失真頻率為 8 kHz模 擬 電 子 技 術(shù)2. 全功率帶寬全功率帶寬 BWP輸出為最大峰值電壓時不產(chǎn)生明顯失真的輸出為最大峰值電壓時不產(chǎn)生明顯失真的最高工作頻率最高工作頻率三三、高速寬帶集成運放高速寬帶集成運放當(dāng)當(dāng) BWG 2 MHz，BWP 20 kHz，SR 6 V/ s選高速寬帶運放選高速寬帶運放模 擬 電 子 技 術(shù)5.2 多級放大器的多級放大器的頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 如果放大器由多級級聯(lián)而成，那么，總增益)()()()

23、()(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)()()()()(121121121jjjjjAjAjAjAjAjAjAjAjAjAknkkunkunuuunkukunuuu 模 擬 電 子 技 術(shù)5.2.1 多級放大器的上限頻率多級放大器的上限頻率fH 設(shè)單級放大器的增益表達式為)(1 )(1)(1 )(111)(1)(2222112211HnHHuIuHnuIHuIHuIukuIkukAjAjAjAjAjAjAjA 模 擬 電 子 技 術(shù))arctan()arctan()arctan()(21HnHHj - 式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|為多級放大器中頻

24、增益。令2)(1 )(1)(1 2)(22221 HnHHHHHuIHuAjA模 擬 電 子 技 術(shù)5.2.2 多級放大器的下限頻率多級放大器的下限頻率fL 設(shè)單級放大器的低頻增益為LnLLLnLLuInuIuIuLnuInLuILuIuLkuIkukjAAAjAjAjAjAjAjAjAarctanarctanarctan)()(1 )(1)(1 )(111)(1)(2122221112111 - -(569) (570) (571) (572) 模 擬 電 子 技 術(shù) 解得多級放大器的下限角頻率近似式為122)(1 112122121- nLLnLLLnLLL若各級下限角頻率相等，即L1=L2=Ln,則模 擬 電 子 技 術(shù)5.2.3 多級放大電路的通頻帶多級放大電路的通頻帶設(shè)某一兩級放大電路是由兩個相同的單級放大設(shè)某一兩級放大電路是由兩個相同的單級放大電路所組成電路所組成 模 擬 電 子 技 術(shù)第第 5章章 小小 結(jié)結(jié)模 擬 電 子 技 術(shù)一、簡單一、簡單 RC 電路的頻率特性電路的頻率特性RC 低