第5章 放大器的頻率響應(yīng)

1、第第5章章 放大器的頻率響應(yīng)放大器的頻率響應(yīng)授課與課件執(zhí)筆授課與課件執(zhí)筆 劉布民劉布民2008年年9月月劉布民劉布民一、放大器頻率響應(yīng)的概念及描述一、放大器頻率響應(yīng)的概念及描述 1.掌握產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因；掌握產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因； 2.理解理解 放大器頻率特性函數(shù)，掌握放大器頻率特性函數(shù)，掌握fL、fH、BW的的 定義；定義； 3.理解幅頻特性和相頻特性函數(shù)；理解幅頻特性和相頻特性函數(shù)； 4.了解頻率失真（幅頻失真、相頻失真）及其與非了解頻率失真（幅頻失真、相頻失真）及其與非線性失真的區(qū)別；線性失真的區(qū)別； 5.了解對數(shù)頻率特性曲線了解對數(shù)頻率特性曲線波特圖的概念。理解放波特圖的概念。理解放大

2、器的增益函數(shù)、零、極點(diǎn)。大器的增益函數(shù)、零、極點(diǎn)。二、掌握放大器的低、高頻截止頻率的估算二、掌握放大器的低、高頻截止頻率的估算 1.用短路時(shí)間常數(shù)法估算用短路時(shí)間常數(shù)法估算 fL ； 2.用開路時(shí)間常數(shù)法估算用開路時(shí)間常數(shù)法估算 fH。劉布民劉布民5.1 頻率響應(yīng)基本概念頻率響應(yīng)基本概念 放大器的頻率響應(yīng)是輸出信號（如輸出電壓）放大器的頻率響應(yīng)是輸出信號（如輸出電壓）隨輸入信號變化的響應(yīng)，這種響應(yīng)通常指輸出信隨輸入信號變化的響應(yīng)，這種響應(yīng)通常指輸出信號振幅和它相對于輸入信號的相移隨輸入信號頻號振幅和它相對于輸入信號的相移隨輸入信號頻率的變化。率的變化。 放大器的頻率響應(yīng)實(shí)質(zhì)就是放大器對正弦輸放

3、大器的頻率響應(yīng)實(shí)質(zhì)就是放大器對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，用入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，用 表示。表示。 jA劉布民劉布民一、產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因一、產(chǎn)生頻率響應(yīng)的原因 放大電路存在耦合電容、旁路電（大放大電路存在耦合電容、旁路電（大電容）和發(fā)射結(jié)電容、集電結(jié)電容（小電電容）和發(fā)射結(jié)電容、集電結(jié)電容（小電容），容抗與頻率有關(guān)，故輸出電壓的大容），容抗與頻率有關(guān)，故輸出電壓的大小與頻率有關(guān)。小與頻率有關(guān)。劉布民劉布民二、放大電路的頻率響應(yīng)特性二、放大電路的頻率響應(yīng)特性1. 1. 放大電路的低頻段頻率響應(yīng)放大電路的低頻段頻率響應(yīng) 在在CECE電路中耦合電容電路中耦合電容C1C1，C2C2一般取值為幾一般取值為幾十

4、十 ，頻率較高時(shí)容，頻率較高時(shí)容抗抗Xc較小，交流通路較小，交流通路可以視為短路可以視為短路 。 但是當(dāng)頻率較低但是當(dāng)頻率較低時(shí)時(shí)XcXc對電路的頻率響對電路的頻率響應(yīng)造成影響。應(yīng)造成影響。F劉布民劉布民,11ciovfvvvAC 電路頻率較低時(shí)，電路頻率較低時(shí)，交流通路的耦合電容交流通路的耦合電容及旁路電容不能視為及旁路電容不能視為短路。短路。 輸入電壓不變時(shí)，輸入電壓不變時(shí)，隨著工作頻率的降低，隨著工作頻率的降低，會(huì)造成輸出電壓的減會(huì)造成輸出電壓的減少，電路放大倍數(shù)減少，電路放大倍數(shù)減小。小。劉布民劉布民2.2.放大電路的高頻段頻率響應(yīng)放大電路的高頻段頻率響應(yīng) 由于由于BJT存在存在PN結(jié)

5、間電容，其容量很結(jié)間電容，其容量很小，頻率低的時(shí)候不小，頻率低的時(shí)候不起作用。但當(dāng)頻率高起作用。但當(dāng)頻率高時(shí)，會(huì)造成放大器輸時(shí)，會(huì)造成放大器輸入端趨于短路。使放入端趨于短路。使放大增益大大降低。大增益大大降低。劉布民劉布民3. 放大電路的中頻段頻率響應(yīng)放大電路的中頻段頻率響應(yīng) 放大器工作在中放大器工作在中頻段，耦合電容和旁頻段，耦合電容和旁路電容（大電容）對路電容（大電容）對交流信號短路，而結(jié)交流信號短路，而結(jié)間電容（小電容）對間電容（小電容）對交流信號開路。因此交流信號開路。因此在中頻段放大器的小在中頻段放大器的小信號模型實(shí)際是一個(gè)信號模型實(shí)際是一個(gè)阻型網(wǎng)絡(luò)，因此其增阻型網(wǎng)絡(luò)，因此其增益是與

6、頻率無關(guān)的常益是與頻率無關(guān)的常數(shù)。數(shù)。劉布民劉布民5.2 頻率響應(yīng)指標(biāo)和頻率失真頻率響應(yīng)指標(biāo)和頻率失真 一、中頻電壓增益一、中頻電壓增益 CE電路：電路：劉布民劉布民berVMLRA AXXjAio ioXX二、放大器頻率特性函數(shù)的數(shù)學(xué)描述二、放大器頻率特性函數(shù)的數(shù)學(xué)描述 表示輸出信號和輸入信號振表示輸出信號和輸入信號振幅之比，它反映了增益的幅度與頻率之幅之比，它反映了增益的幅度與頻率之間的關(guān)系，稱為增益的幅頻特性。間的關(guān)系，稱為增益的幅頻特性。 表示輸出信號和輸入信號相表示輸出信號和輸入信號相位差，它反映了增益的相位與頻率之間位差，它反映了增益的相位與頻率之間的關(guān)系，稱為增益的相頻特性。的關(guān)

7、系，稱為增益的相頻特性。jA 劉布民劉布民三三.放大器頻率特性函數(shù)放大器頻率特性函數(shù)下限截止頻率：下限截止頻率：Lf上限截止頻率：上限截止頻率：Hf通頻帶：通頻帶：BW劉布民劉布民 工程上規(guī)定：當(dāng)信號頻率降低或升高到使工程上規(guī)定：當(dāng)信號頻率降低或升高到使得增益得增益 下降到中頻段增益的下降到中頻段增益的 倍或倍或0.707倍時(shí)所對應(yīng)的頻率，分別稱為低端截止倍時(shí)所對應(yīng)的頻率，分別稱為低端截止頻率頻率 和高端截止頻率和高端截止頻率 。 在在 和和 之間的頻率范圍（中頻區(qū)，增之間的頻率范圍（中頻區(qū)，增益和頻率無關(guān)）成為放大器的通頻帶用益和頻率無關(guān)）成為放大器的通頻帶用 表表示，即通頻帶示，即通頻帶

8、。 在直接耦合放大器中，由于電路沒有在直接耦合放大器中，由于電路沒有“大大電容電容”，故其頻率特性的低頻截止頻率，故其頻率特性的低頻截止頻率 0，故其通頻帶故其通頻帶 。jA21LfHfLfBWHfBWHfLfLfBWHf劉布民劉布民四四. 放大器的頻率失真放大器的頻率失真 信號可以分解為許多不同頻率的正弦信號可以分解為許多不同頻率的正弦分量，因此，應(yīng)將放大器的任意輸入信號分量，因此，應(yīng)將放大器的任意輸入信號看成時(shí)具有一定頻帶的信號?？闯蓵r(shí)具有一定頻帶的信號。 如果放大器對輸入信號不同頻率分量如果放大器對輸入信號不同頻率分量的增益不同，輸出波形就會(huì)畸變，這種輸?shù)脑鲆娌煌?，輸出波形就?huì)畸變，這種

9、輸出失真叫幅頻失真。出失真叫幅頻失真。 如果放大器對輸入信號不同頻率分量如果放大器對輸入信號不同頻率分量的相移不同，輸出波形也就會(huì)畸變，這種的相移不同，輸出波形也就會(huì)畸變，這種輸出失真叫相頻失真。輸出失真叫相頻失真。 劉布民劉布民 幅頻失真和相頻失真統(tǒng)稱為頻率失真；幅頻失真和相頻失真統(tǒng)稱為頻率失真；頻率失真是線性失真。頻率失真是線性失真。頻率失真（線性失真）：頻率失真（線性失真）：幅頻失真幅頻失真相頻失真相頻失真劉布民劉布民 線性失真（頻率失真）和非線性失真（削波線性失真（頻率失真）和非線性失真（削波失真）區(qū)別失真）區(qū)別 ： 1. 頻率失真是輸入信號的頻帶超過放大器的頻率失真是輸入信號的頻帶超

10、過放大器的通頻帶所產(chǎn)生的失真；非線性失真是輸出超過晶通頻帶所產(chǎn)生的失真；非線性失真是輸出超過晶體管放大區(qū)所產(chǎn)生的失真。體管放大區(qū)所產(chǎn)生的失真。 2. 頻率失真時(shí)，輸出波形中不會(huì)出現(xiàn)輸入信頻率失真時(shí)，輸出波形中不會(huì)出現(xiàn)輸入信號中所沒有的新的頻率分量；非線性失真時(shí)，輸號中所沒有的新的頻率分量；非線性失真時(shí)，輸入波形中一定出現(xiàn)輸入信號中沒有的新的頻率分入波形中一定出現(xiàn)輸入信號中沒有的新的頻率分量。量。劉布民劉布民5.3 放大器的頻率響應(yīng)放大器的頻率響應(yīng)一一.放大器的增益函數(shù)放大器的增益函數(shù)njjmiiPjZjKjA11極點(diǎn)極點(diǎn)零點(diǎn)零點(diǎn) 分子有理多項(xiàng)式的根分子有理多項(xiàng)式的根 （i = 1m）使得）使得

11、0，因此稱，因此稱 為零點(diǎn)。為零點(diǎn)。 分母有理多項(xiàng)式的根分母有理多項(xiàng)式的根 （j= 1n）使得）使得為無窮大，因此稱為無窮大，因此稱 為為極點(diǎn)。極點(diǎn)。iZjAjPiZjAjP劉布民劉布民二二. 放大器的增益函數(shù)的特點(diǎn)放大器的增益函數(shù)的特點(diǎn) 1. 物理可實(shí)現(xiàn)放大器增益函數(shù)物理可實(shí)現(xiàn)放大器增益函數(shù) 的零點(diǎn)的零點(diǎn)數(shù)數(shù)m必然小于或等于極點(diǎn)數(shù)必然小于或等于極點(diǎn)數(shù)n； 2. 放大器是穩(wěn)定系統(tǒng)，增益函數(shù)放大器是穩(wěn)定系統(tǒng)，增益函數(shù) 的所的所有極點(diǎn)都位于有極點(diǎn)都位于s平面的左半平面；平面的左半平面； 3. 增益函數(shù)增益函數(shù) 的極點(diǎn)數(shù)目等于電路中獨(dú)的極點(diǎn)數(shù)目等于電路中獨(dú)立電抗的數(shù)目。立電抗的數(shù)目。 sA sA劉布

12、民劉布民三、放大器頻率響應(yīng)兩種分析方法三、放大器頻率響應(yīng)兩種分析方法1、增益函數(shù)法；、增益函數(shù)法；2、時(shí)間常數(shù)法、時(shí)間常數(shù)法1. 低通濾波器低通濾波器（LPF） 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1增益函數(shù)法增益函數(shù)法 - - 電路頻率響應(yīng)分析方法電路頻率響應(yīng)分析方法（一）（一）劉布民劉布民 5.1 1111 RCjCjRCjVVjwvAio 5.3 1111HHvffjjA jAv增增益益函函數(shù)數(shù) 2，則，則令令回路的時(shí)間常數(shù)回路的時(shí)間常數(shù) 1 , HRC 5.2 21212RCfHH 式式得得式式代代入入將將1 . 52 . 5劉布民劉布民 頻頻率率響響應(yīng)應(yīng) 3幅頻特性：幅頻特性： 5.4 1122 HvffA為

13、上限截止頻率為上限截止頻率時(shí)：時(shí)：當(dāng)當(dāng)HvHfAff ,21111 幅幅頻頻特特性性波波特特圖圖 4 1lg20lg20212 HvffA分貝表達(dá)式：分貝表達(dá)式：劉布民劉布民 5.3 1111HHvffjjA :頻率分析頻率分析 0.04dB0.011lg01dB 10 vHHAf f ff時(shí)時(shí)且且當(dāng)當(dāng)3dBlg201dB vHAff時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng)dB02lg1020dB 10 vHHAffff時(shí)時(shí)且且當(dāng)當(dāng)作圖：作圖：線線性性坐坐標(biāo)標(biāo)；縱縱坐坐標(biāo)標(biāo) 對對數(shù)數(shù)坐坐標(biāo)標(biāo)；橫橫坐坐標(biāo)標(biāo) 劉布民劉布民 1lg20lg20212 HvffA 相相頻頻特特性性波波特特圖圖 5 5.3 1111HHvffjjA

14、5.5 1HHffarctgffarctg 建立相頻特性方程式：建立相頻特性方程式：:頻率分析頻率分析71. 5101 10 arctgf fffHH且且當(dāng)當(dāng)451 arctgffH時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) -84.310 10 arctgffffHH時(shí)時(shí)且且當(dāng)當(dāng)劉布民劉布民作圖：作圖：線線性性坐坐標(biāo)標(biāo)；縱縱坐坐標(biāo)標(biāo) 對對數(shù)數(shù)坐坐標(biāo)標(biāo)；橫橫坐坐標(biāo)標(biāo) 主主導(dǎo)導(dǎo)原原因因分分析析 6在在高高頻頻段段。截截止止頻頻率率極極間間電電容容的的存存在在導(dǎo)導(dǎo)致致。晶晶體體三三極極管管的的結(jié)結(jié)電電容容和和Hf 劉布民劉布民劉布民劉布民時(shí)間常數(shù)法時(shí)間常數(shù)法 - 電路頻率響應(yīng)分析方法電路頻率響應(yīng)分析方法（二）（二）1、時(shí)間常數(shù)法目

15、的：完成放大器的低、高截止頻率的估算、時(shí)間常數(shù)法目的：完成放大器的低、高截止頻率的估算1用短路時(shí)間常數(shù)法估算低頻截止頻率用短路時(shí)間常數(shù)法估算低頻截止頻率 fL【1】增益函數(shù)存在主極點(diǎn)的多極點(diǎn)工程修正式】增益函數(shù)存在主極點(diǎn)的多極點(diǎn)工程修正式 : nsssjjjsLjjjsLjjjsjjsLCRfCRfCR1112121121121劉布民劉布民 稱稱為為多多極極點(diǎn)點(diǎn)。大大于于兩兩個(gè)個(gè)以以上上的的極極點(diǎn)點(diǎn)，【2】增益函數(shù)不存在主極點(diǎn)的多極點(diǎn)工程修正式增益函數(shù)不存在主極點(diǎn)的多極點(diǎn)工程修正式 : 215.111215.11115.1 jjjsLjjjsLjjjsjjsLCRfCRfCR【3】增益函數(shù)單極

16、點(diǎn)計(jì)算公式增益函數(shù)單極點(diǎn)計(jì)算公式 : :SL11 劉布民劉布民2用開路時(shí)間常數(shù)法估算高頻截止頻率用開路時(shí)間常數(shù)法估算高頻截止頻率 f H jjjOHjjjOjjOHCRfCR215. 11115. 1【1】 增益函數(shù)多極點(diǎn)、單級增益函數(shù)多極點(diǎn)、單級CE放大器或單級放大器或單級FET 的的 CS放大器放大器 fH 計(jì)算式計(jì)算式 : : jjjOHCRf 21【2】 增益函數(shù)多極點(diǎn)工程修正式增益函數(shù)多極點(diǎn)工程修正式 :情情況況下下。常常用用于于無無法法判判斷斷主主極極點(diǎn)點(diǎn)劉布民劉布民【3】增益函數(shù)單極點(diǎn)條件下計(jì)算公式增益函數(shù)單極點(diǎn)條件下計(jì)算公式 :111211 HHfP劉布民劉布民例例2. 單級單

17、級CE 放大器如下圖所示，試估算出該放大器低頻源電放大器如下圖所示，試估算出該放大器低頻源電 壓增益的低頻截止壓增益的低頻截止 頻率。頻率。LfCE 放大器電路圖放大器電路圖解題方法及其步驟：解題方法及其步驟：低頻交流通路圖低頻交流通路圖（2）繪制低頻交流通路圖）繪制低頻交流通路圖（1）繪制直流通路圖）繪制直流通路圖略略劉布民劉布民Lf（3）繪制低頻微變等效模型圖繪制低頻微變等效模型圖。低頻微變等效模型圖低頻微變等效模型圖（4）確定獨(dú)立電容數(shù)目）確定獨(dú)立電容數(shù)目= 3。獨(dú)立電容是：獨(dú)立電容是：C1、C2、CE（5）用短路法求短路時(shí)間常數(shù)）用短路法求短路時(shí)間常數(shù)（6）求下限截止頻率）求下限截止頻

18、率 fL 。11.152jjsjLRCf短路法：僅保留一個(gè)獨(dú)立電容，短路法：僅保留一個(gè)獨(dú)立電容， 其它電容被短路。其它電容被短路。jsjsj= R C解：解：（1）繪制直流通路圖）繪制直流通路圖略略（2）繪制低頻交流通路圖）繪制低頻交流通路圖略略劉布民劉布民（3）繪制低頻微變等效模型圖。）繪制低頻微變等效模型圖。（4）確定獨(dú)立電容數(shù)目）確定獨(dú)立電容數(shù)目= 3。獨(dú)立電容是：獨(dú)立電容是：C1、C2、CE（5）求時(shí)間常數(shù)求時(shí)間常數(shù)js 求求1S繪制微變等效模型繪制微變等效模型低頻微變等效模型圖低頻微變等效模型圖劉布民劉布民劉布民劉布民1S1S1= R C 求求2SoR劉布民劉布民CceFbesFoR

19、rRrRRRRR 21LCSCCoRRRRRR 2 ; LCSSRRCRC 2222劉布民劉布民 求求3S3S3SE= R C 1beBSorRRR EFoSRRRR 3 5 .766 1ebBSbborRRrR sCReboo 0765. 0101005 .7661211 LCtebBSbbmttebBSbbtttoRRirRRrgiirRRrvivR 2 又又 LCebBSbbmebBSbboRRrRRrgrRRrR 1 2 LComoRRRgR111 k834.291015 .76512004415 .7653 sCRcbOo 029834. 010110834.2912322 Zjjj

20、oHkHCRf07.861029834. 00765. 028. 6215. 1215. 1 共基極放大器的頻率響應(yīng)分析共基極放大器的頻率響應(yīng)分析1、CB 放大器電路結(jié)構(gòu)圖放大器電路結(jié)構(gòu)圖2、CB 直流通路圖直流通路圖 EBBBBONBECCBBBBRRRRRVVRRRI 12121211 BEII 1 劉布民劉布民 ETbbebbbbeIVrrrr 1; ebmrg CACCEAceIVIVVr cecbrr 3、求下限截止頻率發(fā)、求下限截止頻率發(fā) f L - 1CB 低頻段交流通路圖低頻段交流通路圖21BBBRRR 劉布民劉布民劉布民劉布民2判定獨(dú)立電容數(shù)判定獨(dú)立電容數(shù) ： 3個(gè)。個(gè)。短路

21、時(shí)間常數(shù)有三個(gè)。短路時(shí)間常數(shù)有三個(gè)。3求時(shí)間常數(shù)求時(shí)間常數(shù)1s1s; 11 beESSrRRR 11111beESSsrRRCRC劉布民劉布民4求時(shí)間常數(shù)求時(shí)間常數(shù)2s2s beESbebecebeebmbeESorRRvvrrrgrRRR 1 1 beEScebeebmbeESrRRrrrgrRR 1 1 劉布民劉布民 beEScebeebmbeESorRRrrrgrRRR 1 1 beESbeceebmcebeESrRRrrrgrrRR beESbeceebmcerRRrrrgr ; 2LCoSRRRR CoLSsRRRCRC2222 劉布民劉布民5求時(shí)間常數(shù)求時(shí)間常數(shù)BsBs劉布民劉布民

22、: 影響的等效電路影響的等效電路忽略忽略cer ； 1ESbeBSRRrR ;BBSBSRRR ; 1ESbeBBBSBBSBBSRRrCRRCRC 劉布民劉布民6求下限截止頻率求下限截止頻率 fL BsssjjjSLCRf 1111214、求上限截止頻率發(fā)、求上限截止頻率發(fā) f H1CB 高頻段交流通路圖高頻段交流通路圖劉布民劉布民劉布民劉布民2判定獨(dú)立電容數(shù)判定獨(dú)立電容數(shù) ： 2個(gè)。個(gè)。開路時(shí)間常數(shù)有開路時(shí)間常數(shù)有2 2個(gè)。個(gè)。劉布民劉布民3求開路時(shí)間常數(shù)求開路時(shí)間常數(shù)bebeo o劉布民劉布民; 1mEStmtESeSbgRRvgvRRR mESebeobgRRC1劉布民劉布民4求開路時(shí)間常數(shù)求開路時(shí)間常數(shù)bcbco o; 1mebbeESESLCebEScObgrrRRRRRRrRRR ; 1mebebESESLCebEScbcObcbcObgrrRRRRRRrRRCRC 劉布民劉布民5求上限截止頻率求上限截止頻率 fH cObeObjjjOHCRf2121 四