第五章放大電路的頻率響應(yīng)實用課件

第五章

放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型5.6集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償童詩白第三版第五章放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體1童詩白第三版本章重點和考點：2、單管共射放大電路混合π模型等效電路圖、頻率響應(yīng)的表達式及波特圖繪制。1、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型。本章教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時

童詩白第三版本章重點和考點：2、單管共射放大電路混合π模型等2童詩白第三版本章討論的問題：1.為什么要討論頻率響應(yīng)？如何制定一個RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)？如何畫出頻率響應(yīng)曲線？2.晶體管與場效應(yīng)管的h參數(shù)等效模型在高頻下還適應(yīng)嗎？為什么？3.什么是放大電路的通頻帶？哪些因素影響通頻帶？如何確定放大電路的通頻帶？4.如果放大電路的頻率響應(yīng)，應(yīng)該怎么辦？5.對于放大電路，通頻帶愈寬愈好嗎？6.為什么集成運放的通頻帶很窄？有辦法展寬嗎？童詩白第三版本章討論的問題：1.為什么要討論頻率響應(yīng)？如何制35.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容，所以電路的放大倍數(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。小信號等效模型只適用于低頻信號的分析。本章將引入高頻等效模型，并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應(yīng)的描述方法。5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性4一、

高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)RC高通電路令：5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念fL稱為下限截止頻率一、高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)RC高通5則有：放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。則有：放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。6對數(shù)幅頻特性：實際幅頻特性曲線：圖5.1.3(a)幅頻特性當(dāng)f≥

fL(高頻)，當(dāng)f<fL(低頻)，高通特性：且頻率愈低，的值愈小，低頻信號不能通過。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處20dB/十倍頻對數(shù)幅頻特性：實際幅頻特性曲線：圖5.1.3(a)幅7對數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)相頻特性5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o0f誤差在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。5.71o對數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)相頻特性5.71o-4581、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型?？紤]并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：4單管放大電路的頻率響應(yīng)1場效應(yīng)管的高頻等效模型（a)(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。(d)Ce所在回路的等效電路設(shè)某運放第二級放大電路輸入端等效電容所在回路的時間常數(shù)最大2簡化混合模型的簡化單向化靠等效變換實現(xiàn)。fH稱為上限截止頻率單管共射放大電路的頻率響應(yīng)在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：當(dāng)f<fL(低頻)，假設(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。1晶體管的混合模型的對數(shù)幅頻特性和相頻特性二、RC低通電路的波特圖圖5.1.2RC低通電路圖+_+_CR令：則：fH稱為上限截止頻率1、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型。二、RC低通電路的波特9圖5.1.3(b)低通電路的波特圖對數(shù)幅頻特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍頻對數(shù)相頻特性：fH

10fH-45o5.71o5.71o-45o/十倍頻-90o0.1fH0f在高頻段，低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。圖5.1.3(b)低通電路的波特圖對數(shù)幅頻特性：0.110小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)τ，即決定了fL和fH。（2）當(dāng)信號頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)τ，115.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型圖5.2.1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合模型5.2晶體管的高頻等效模型(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖(b)混合模型5.2.1晶體管的混合模型一、完整的混合模型圖12二、簡化的混合

模型通常情況下，rce遠大于c--e間所接的負載電阻，而rb/c也遠大于Cμ的容抗，因而可認為rce和rb/c開路。(b)混合模型圖5.2.2

混合

模型的簡化(a)簡化的混合

模型二、簡化的混合模型通常情況下，rce遠大于c--e間所13Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。單向化靠等效變換實現(xiàn)。圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(b)單向化后的混合模型圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(C)忽略C／／μ的混合模型因為Cπ＞＞，且一般情況下。的容抗遠大于集電極總負載電阻R／Ｌ，中的電流可忽略不計，得簡化模型圖（C）。Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ14密勒定理：用兩個電容來等效Cμ。分別接在b、e和c、e兩端。其中：電容值分別為：等效電容的求法圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(b)單向化后的混合模型圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(C)忽略C／／μ的混合模型密勒定理：用兩個電容來等效Cμ。分別接在b、e和15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。低頻段：f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合模型2簡化混合模型的簡化3(b)低通電路的波特圖即：若某級的下限頻率遠高于其它各級的下限頻率，則可認為整個電路的下限頻率就是該級的下限頻率。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rbb和Cbc均小的高頻三極管。β的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特性7070(即)時的頻率。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性頻率補償：在集成運放電路中接入不同的補償電路，改變集成運放的頻率響應(yīng)，使f=fO時，20lg︱A0d︱<0dB；1已知某電路的各級均為共射放大電路，其對數(shù)幅頻特性如圖所示。用兩個電容來等效Cμ。由三段直線構(gòu)成幅頻特性。多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：考慮結(jié)電容對高頻特性的影響2集成運放的頻率補償三、混合

模型的主要參數(shù)將混合

模型和簡化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)完全相同。Cμ可從手冊中查得Cob

，Cob與Cμ近似相等。Cπ數(shù)據(jù)可從手冊中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點求解。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165.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)

當(dāng)信號頻率發(fā)生變化時，電流放大系數(shù)β不是常量，而是頻率的函數(shù)。

電流放大系數(shù)的定義：從混合π等效模型可以看出，管子工作在高頻段時，若基極注入的交流電流Ib的幅值不變，則隨著信號頻率的升高，b/-e間的電壓Ub/e的幅值將減小，相移將增大；從而使IC的幅值隨Ub/e線性下降，并產(chǎn)生與Ub/e相同的相移。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)當(dāng)信號頻率17求共射接法交流短路電流放大系數(shù)ββ的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特性求共射接法交流短路電流放大系數(shù)ββ的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特18對數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻f0對數(shù)相頻特性10f0.1f-45o-90o對數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻f0191.共射截止頻率f值下降到0.7070

(即)時的頻率。當(dāng)f=f

時，值下降到中頻時的70%左右?；?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個頻率的分析1.共射截止頻率f值下202.特征頻率fT值降為1時的頻率。f>fT時，，三極管失去放大作用；

f

=

fT時，由式得：2.特征頻率fT值降為1213.共基截止頻率f

值下降為低頻0時

的0.707時的頻率。3.共基截止頻率f值下降為低頻0時的0.7022

f

與f

、

fT

之間關(guān)系：因為可得f與f、fT之間關(guān)系：因為可得23說明：所以：1.f比f高很多，等于f的(1+0)倍；2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫，高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。說明：所以：1.f比f高很多，等于f的245.3場效應(yīng)管的高頻等效模型場效應(yīng)管各極之間存在極間電容，其高頻等效模型如下圖5.3.1場效應(yīng)管的高頻等效模型（a)一般情況下

rgs和

rds比外接電阻大得多，可認為是開路

Cgd可進行等效變化，使電路單向化5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型場效應(yīng)管各極之間存在極間電容，25

Cgd等效變化g-s之間的等效電容為d-s之間的等效電容為由于輸出回路的時間常數(shù)比輸入回路的小得多，故分析頻率特性時可忽略的影響。圖5.3.1場效應(yīng)管的高頻等效模型(b)簡化模型Cgd等效變化g-s之間的等效電容為d-s之間的等效電容265.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖5.4.1單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au與f無關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，Au

降低。而且，構(gòu)成RC低通電路。5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻27一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容

可認為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1.中頻段等效電路圖5.4.2中頻段等效電路由圖可得

bce

+Rb~+++RcRs一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容可認為交流短路；極間電容可視為28用戴維南定理簡化圖5.*場效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱）集成運放AOd很大，等效電容或很大；低頻段最大附加相移為+90度g-s之間的等效電容為高頻段最大附加相移為-90度為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL＝0單向化靠等效變換實現(xiàn)。在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。考慮C2對低頻特性的影響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rbb和Cbc均小的高頻三極管?？紤]結(jié)電容對高頻特性的影響求共射接法交流短路電流放大系數(shù)β3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積的對數(shù)幅頻特性和相頻特性3滯后補償前后集成運放的幅頻特性當(dāng)f≥fL(高頻)，1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)3場效應(yīng)管的高頻等效模型2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結(jié)論：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。用戴維南定理簡化圖5.2.中頻電壓放大倍數(shù)已知29二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖5.4.3低頻等效電路C1與輸入電阻構(gòu)成一個RC高通電路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~+++RcRsC1(動畫avi\5-2.avi)二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖5.30輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)

bce

+Rb~+++RcRsC1輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)bce+Rb~+++Rc31低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對數(shù)幅頻特性對數(shù)相頻特性因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對數(shù)幅頻特性對數(shù)32三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖5.4.4高頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRs(動畫avi\5-3.avi)三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖33圖5.4.4高頻等效電路的簡化(a)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。用戴維南定理簡化圖5.4.4(b)圖5.4.4高頻等效電路的簡化(a)由于輸出回路時間常數(shù)34—C

與R

構(gòu)成RC低通電路。

ce

+~++Rc

—C與R構(gòu)成RC低通電路。ce+~+35高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對數(shù)幅頻特性和相頻特性高頻段最大附加相移為-90度高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對數(shù)幅頻特性和相頻36四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL和fH；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算37圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB385.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖5.4.7單管共源放大電路及其等效電路在中頻段開路，C短路，中頻電壓放大倍數(shù)為5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖5.4.7單管共源391多級放大電路頻率特性的定性分析(1+gmRc)Cbc>>Cbe集成運放AOd很大，等效電容或很大；求共射接法交流短路電流放大系數(shù)β本章將引入高頻等效模型，并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應(yīng)的描述方法?？紤]結(jié)電容對高頻特性的影響最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處(b)C1所在回路的等效電路則折合到輸入端的等效電容C/是C的∣Auk∣倍，考慮Ce對低頻特性的影響7070(即)時的頻率。(動畫avi\5-3.(b)單向化后的混合模型1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性Cμ可從手冊中查得Cob，Cob與Cμ近似相等。當(dāng)f<fL(低頻)，（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性?？紤]并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：在高頻段，C短路，考慮的影響，上限頻率為：在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：電壓放大倍數(shù)1多級放大電路頻率特性的定性分析在高頻段，C短路，考慮405.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善413.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb//rbe假設(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe3.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb42說明：式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb和Cbc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)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)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb

和Cbc

均小的高頻三極管。*場效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱）說明：式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨43復(fù)習(xí)：1.晶體管、場效應(yīng)管的混合

模型2.單管共射放大電路的頻率響應(yīng)表達式：波特圖的繪制：三段直線構(gòu)成幅頻特性五段直線構(gòu)成相頻特性復(fù)習(xí)：1.晶體管、場效應(yīng)管的混合模型2.單管共射放大電445.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級放大電路頻率特性的定性分析多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：對數(shù)幅頻特性為：在多級放大電路中含有多個放大管，因而在高頻等效電路中有多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級放大電路頻率特45多級放大電路的總相位移為：兩級放大電路的波特圖圖5.5.1fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一級二級-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻多級放大電路的總相位移為：兩級放大電路的波特圖圖5.5.146圖5.5.1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO-540o-180o-450o-90o一級二級多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。圖5.5.1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO475.5.2多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算在實際的多級放大電路中，當(dāng)各放大級的時間常數(shù)相差懸殊時，可取其主要作用的那一級作為估算的依據(jù)即：若某級的下限頻率遠高于其它各級的下限頻率，則可認為整個電路的下限頻率就是該級的下限頻率。同理若某級的上限頻率遠低于其它各級的上限頻率，則可認為整個電路的上限頻率就是該級的上限頻率。5.5.2多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算在實際48例5.5.1已知某電路的各級均為共射放大電路，其對數(shù)幅頻特性如圖所示。求下限頻率、上限頻率和電壓放大倍數(shù)。（2）高頻段只有一個拐點，斜率為-60dB/十倍頻程，電路中應(yīng)有三個電容，為三級放大電路。解：（1）低頻段只有一個拐點，說明影響低頻特性的只有一個電容，故電路的下限頻率為10Hz。fH≈0.52fH1=(0.52×2×105)Hz=106KHz（3）電壓放大倍數(shù)例5.5.1已知某電路的各級均為共射放大電路，其對數(shù)幅頻特49例5.5.2分別求出如圖所示Q點穩(wěn)定電路中C1C2和Ce所確定的下限頻率的表達式及電路上限頻率表達式。C1RcRb2+VCCC2RL+++++CeuoRb1Reui

圖2.4.2阻容耦合的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路b解：交流等效電路圖5.5.3(a)Q點穩(wěn)定電路的交流等效電路例5.5.2分別求出如圖所示Q點穩(wěn)定電路中C1C2和Ce501.考慮C1對低頻特性的影響(b)C1所在回路的等效電路2.考慮C2對低頻特性的影響(c)C2所在回路的等效電路1.考慮C1對低頻特性的影響(b)C1所在回路的等效電路2513.考慮Ce對低頻特性的影響(d)Ce所在回路的等效電路4.考慮結(jié)電容對高頻特性的影響(e)結(jié)電容所在回路的等效電路比較C1、C2、Ce所在回路的時間常數(shù)τ1、τ2、τe,當(dāng)取C1＝C2＝Ce時，τe將遠小于τ1,τ2，即fLe遠大于fL1和fL2因此，fLe就約為電路的下限頻率。3.考慮Ce對低頻特性的影響(d)Ce所在回路的等效電路4525.6集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償5.6.1集成運放的頻率響應(yīng)集成運放有很好的低頻特性（fL＝0）：集成運放直接耦合放大電路集成運放高頻特性較差：集成運放AOd很大，等效電容或很大；集成運放內(nèi)部需接補償電容。末加頻率補償集成運放的頻率響應(yīng)圖5.6.1末加頻率補償5.6集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償5.6.1集成運放的頻53fC－單位增益帶寬fO－附加相移為±

1800對應(yīng)的頻率集成運放常引入負反饋，容易產(chǎn)生自激振蕩。自激振蕩產(chǎn)生的條件存在fO，且fO＜fC如何消除自激振蕩？圖5.6.1末加頻率補償?shù)募蛇\放的頻率響應(yīng)fC－單位增益帶寬fO－附加相移為±1800集成運放常545.6.2集成運放的頻率補償頻率補償：在集成運放電路中接入不同的補償電路，改變集成運放的頻率響應(yīng)，使f=fO時，20lg︱A0d︱<0dB；或者說當(dāng)f=fC時，附加相移φ>-1800，從而破壞產(chǎn)生自激振蕩的條件，使電路穩(wěn)定。穩(wěn)定裕度幅值裕度相位裕度fCfO一般要求Gm≤-10dB,φm≥4505.6.2集成運放的頻率補償頻率補償：在集成運放電路中接入55一、滯后補償在加入補償電容后，使運放的幅頻特性在大于0dB的頻率范圍內(nèi)只存在一個拐點，并按-20dB/十倍頻的斜率下降，即相當(dāng)于一個RC回路的頻率響應(yīng)。其附加相移為-900。1.簡單電容補償將一個電容并接在集成運放時間常數(shù)最大的那一級電路中，使幅頻特性中的第一拐點的頻率進一步降低，以至增益隋頻率始終按-20dB/十倍頻的斜率下降，直至0dB。一、滯后補償在加入補償電容后，使運放的幅頻特性在大于0dB的56設(shè)某運放第二級放大電路輸入端等效電容所在回路的時間常數(shù)最大圖5.6.3滯后補償前后集成運放的幅頻特性圖5.6.4簡單電容補償加C之前加C之后設(shè)某運放第二級放大電路輸入端等效電容所在回路的時間常數(shù)最大圖57將電容C跨接在某級放大電路的輸入端和輸出端，則折合到輸入端的等效電容C/是C的∣Auk∣倍，（∣Auk∣該級放大電路的電壓放大倍數(shù)）

2.密勒效應(yīng)補償圖5.6.5密勒效應(yīng)補償

滯后補償?shù)娜秉c：降低了上限頻率二、超前補償（略）將電容C跨接在某級放大電路的輸入端和輸出端，2.密勒效應(yīng)補償58第五章

放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型5.6集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償童詩白第三版第五章放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體59童詩白第三版本章重點和考點：2、單管共射放大電路混合π模型等效電路圖、頻率響應(yīng)的表達式及波特圖繪制。1、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型。本章教學(xué)時數(shù)：6學(xué)時

童詩白第三版本章重點和考點：2、單管共射放大電路混合π模型等60童詩白第三版本章討論的問題：1.為什么要討論頻率響應(yīng)？如何制定一個RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)？如何畫出頻率響應(yīng)曲線？2.晶體管與場效應(yīng)管的h參數(shù)等效模型在高頻下還適應(yīng)嗎？為什么？3.什么是放大電路的通頻帶？哪些因素影響通頻帶？如何確定放大電路的通頻帶？4.如果放大電路的頻率響應(yīng)，應(yīng)該怎么辦？5.對于放大電路，通頻帶愈寬愈好嗎？6.為什么集成運放的通頻帶很窄？有辦法展寬嗎？童詩白第三版本章討論的問題：1.為什么要討論頻率響應(yīng)？如何制615.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容，所以電路的放大倍數(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。小信號等效模型只適用于低頻信號的分析。本章將引入高頻等效模型，并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應(yīng)的描述方法。5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性62一、

高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)RC高通電路令：5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念fL稱為下限截止頻率一、高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)RC高通63則有：放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。則有：放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。64對數(shù)幅頻特性：實際幅頻特性曲線：圖5.1.3(a)幅頻特性當(dāng)f≥

fL(高頻)，當(dāng)f<fL(低頻)，高通特性：且頻率愈低，的值愈小，低頻信號不能通過。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處20dB/十倍頻對數(shù)幅頻特性：實際幅頻特性曲線：圖5.1.3(a)幅65對數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)相頻特性5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o0f誤差在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。5.71o對數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)相頻特性5.71o-45661、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型?？紤]并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：4單管放大電路的頻率響應(yīng)1場效應(yīng)管的高頻等效模型（a)(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。(d)Ce所在回路的等效電路設(shè)某運放第二級放大電路輸入端等效電容所在回路的時間常數(shù)最大2簡化混合模型的簡化單向化靠等效變換實現(xiàn)。fH稱為上限截止頻率單管共射放大電路的頻率響應(yīng)在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：當(dāng)f<fL(低頻)，假設(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。1晶體管的混合模型的對數(shù)幅頻特性和相頻特性二、RC低通電路的波特圖圖5.1.2RC低通電路圖+_+_CR令：則：fH稱為上限截止頻率1、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型。二、RC低通電路的波特67圖5.1.3(b)低通電路的波特圖對數(shù)幅頻特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍頻對數(shù)相頻特性：fH

10fH-45o5.71o5.71o-45o/十倍頻-90o0.1fH0f在高頻段，低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。圖5.1.3(b)低通電路的波特圖對數(shù)幅頻特性：0.168小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)τ，即決定了fL和fH。（2）當(dāng)信號頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)τ，695.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型圖5.2.1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合模型5.2晶體管的高頻等效模型(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖(b)混合模型5.2.1晶體管的混合模型一、完整的混合模型圖70二、簡化的混合

模型通常情況下，rce遠大于c--e間所接的負載電阻，而rb/c也遠大于Cμ的容抗，因而可認為rce和rb/c開路。(b)混合模型圖5.2.2

混合

模型的簡化(a)簡化的混合

模型二、簡化的混合模型通常情況下，rce遠大于c--e間所71Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。單向化靠等效變換實現(xiàn)。圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(b)單向化后的混合模型圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(C)忽略C／／μ的混合模型因為Cπ＞＞，且一般情況下。的容抗遠大于集電極總負載電阻R／Ｌ，中的電流可忽略不計，得簡化模型圖（C）。Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ72密勒定理：用兩個電容來等效Cμ。分別接在b、e和c、e兩端。其中：電容值分別為：等效電容的求法圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(b)單向化后的混合模型圖5.2.2簡化混合

模型的簡化(C)忽略C／／μ的混合模型密勒定理：用兩個電容來等效Cμ。分別接在b、e和73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。低頻段：f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合模型2簡化混合模型的簡化3(b)低通電路的波特圖即：若某級的下限頻率遠高于其它各級的下限頻率，則可認為整個電路的下限頻率就是該級的下限頻率。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rbb和Cbc均小的高頻三極管。β的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特性7070(即)時的頻率。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性頻率補償：在集成運放電路中接入不同的補償電路，改變集成運放的頻率響應(yīng)，使f=fO時，20lg︱A0d︱<0dB；1已知某電路的各級均為共射放大電路，其對數(shù)幅頻特性如圖所示。用兩個電容來等效Cμ。由三段直線構(gòu)成幅頻特性。多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：考慮結(jié)電容對高頻特性的影響2集成運放的頻率補償三、混合

模型的主要參數(shù)將混合

模型和簡化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)完全相同。Cμ可從手冊中查得Cob

，Cob與Cμ近似相等。Cπ數(shù)據(jù)可從手冊中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點求解。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745.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)

當(dāng)信號頻率發(fā)生變化時，電流放大系數(shù)β不是常量，而是頻率的函數(shù)。

電流放大系數(shù)的定義：從混合π等效模型可以看出，管子工作在高頻段時，若基極注入的交流電流Ib的幅值不變，則隨著信號頻率的升高，b/-e間的電壓Ub/e的幅值將減小，相移將增大；從而使IC的幅值隨Ub/e線性下降，并產(chǎn)生與Ub/e相同的相移。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)當(dāng)信號頻率75求共射接法交流短路電流放大系數(shù)ββ的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特性求共射接法交流短路電流放大系數(shù)ββ的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特76對數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻f0對數(shù)相頻特性10f0.1f-45o-90o對數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻f0771.共射截止頻率f值下降到0.7070

(即)時的頻率。當(dāng)f=f

時，值下降到中頻時的70%左右?；?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個頻率的分析1.共射截止頻率f值下782.特征頻率fT值降為1時的頻率。f>fT時，，三極管失去放大作用；

f

=

fT時，由式得：2.特征頻率fT值降為1793.共基截止頻率f

值下降為低頻0時

的0.707時的頻率。3.共基截止頻率f值下降為低頻0時的0.7080

f

與f

、

fT

之間關(guān)系：因為可得f與f、fT之間關(guān)系：因為可得81說明：所以：1.f比f高很多，等于f的(1+0)倍；2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫，高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。說明：所以：1.f比f高很多，等于f的825.3場效應(yīng)管的高頻等效模型場效應(yīng)管各極之間存在極間電容，其高頻等效模型如下圖5.3.1場效應(yīng)管的高頻等效模型（a)一般情況下

rgs和

rds比外接電阻大得多，可認為是開路

Cgd可進行等效變化，使電路單向化5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型場效應(yīng)管各極之間存在極間電容，83

Cgd等效變化g-s之間的等效電容為d-s之間的等效電容為由于輸出回路的時間常數(shù)比輸入回路的小得多，故分析頻率特性時可忽略的影響。圖5.3.1場效應(yīng)管的高頻等效模型(b)簡化模型Cgd等效變化g-s之間的等效電容為d-s之間的等效電容845.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖5.4.1單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au與f無關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，Au

降低。而且，構(gòu)成RC低通電路。5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻85一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容

可認為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1.中頻段等效電路圖5.4.2中頻段等效電路由圖可得

bce

+Rb~+++RcRs一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容可認為交流短路；極間電容可視為86用戴維南定理簡化圖5.*場效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱）集成運放AOd很大，等效電容或很大；低頻段最大附加相移為+90度g-s之間的等效電容為高頻段最大附加相移為-90度為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL＝0單向化靠等效變換實現(xiàn)。在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾?？紤]C2對低頻特性的影響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rbb和Cbc均小的高頻三極管?？紤]結(jié)電容對高頻特性的影響求共射接法交流短路電流放大系數(shù)β3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積的對數(shù)幅頻特性和相頻特性3滯后補償前后集成運放的幅頻特性當(dāng)f≥fL(高頻)，1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)3場效應(yīng)管的高頻等效模型2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結(jié)論：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。用戴維南定理簡化圖5.2.中頻電壓放大倍數(shù)已知87二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖5.4.3低頻等效電路C1與輸入電阻構(gòu)成一個RC高通電路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~+++RcRsC1(動畫avi\5-2.avi)二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖5.88輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)

bce

+Rb~+++RcRsC1輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)bce+Rb~+++Rc89低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對數(shù)幅頻特性對數(shù)相頻特性因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對數(shù)幅頻特性對數(shù)90三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖5.4.4高頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRs(動畫avi\5-3.avi)三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：圖91圖5.4.4高頻等效電路的簡化(a)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。用戴維南定理簡化圖5.4.4(b)圖5.4.4高頻等效電路的簡化(a)由于輸出回路時間常數(shù)92—C

與R

構(gòu)成RC低通電路。

ce

+~++Rc

—C與R構(gòu)成RC低通電路。ce+~+93高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對數(shù)幅頻特性和相頻特性高頻段最大附加相移為-90度高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對數(shù)幅頻特性和相頻94四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL和fH；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算95圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO圖5.4.5幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB965.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖5.4.7單管共源放大電路及其等效電路在中頻段開路，C短路，中頻電壓放大倍數(shù)為5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖5.4.7單管共源971多級放大電路頻率特性的定性分析(1+gmRc)Cbc>>Cbe集成運放AOd很大，等效電容或很大；求共射接法交流短路電流放大系數(shù)β本章將引入高頻等效模型，并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應(yīng)的描述方法?？紤]結(jié)電容對高頻特性的影響最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處(b)C1所在回路的等效電路則折合到輸入端的等效電容C/是C的∣Auk∣倍，考慮Ce對低頻特性的影響7070(即)時的頻率。(動畫avi\5-3.(b)單向化后的混合模型1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性Cμ可從手冊中查得Cob，Cob與Cμ近似相等。當(dāng)f<fL(低頻)，（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性?？紤]并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：在高頻段，C短路，考慮的影響，上限頻率為：在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：電壓放大倍數(shù)1多級放大電路頻率特性的定性分析在高頻段，C短路，考慮985.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善993.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb//rbe假設(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe3.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb100說明：式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb和Cbc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)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)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb

和Cbc

均小的高頻三極管。*場效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱）說明：式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨101復(fù)習(xí)：1.晶體管、場效應(yīng)管的混合

模型2.單管共射放大電路的頻率響應(yīng)表達式：波特圖的繪制：三段直線構(gòu)成幅頻特性五段直線構(gòu)成相頻特性復(fù)習(xí)：1.晶體管、場效應(yīng)管的混合模型2.單管共射放大電1025.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級放大電路頻率特性的定性分析多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：對數(shù)幅頻特性為：在多級放大電路中含有多個放大管，因而在高頻等效電路中有多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級放大電路頻率特103多級放大電路的總相位移為：兩級放大電路的波特圖圖5.5.1fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一級二級-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻多級放大電路的總相位移為：兩級放大電路的波特圖圖5.5.1104圖5.5.1相頻特性-