第四章 放大電路的頻率響應

第四章

放大電路的頻率特性內(nèi)容提要由于放大電路中存在著電抗器件，使放大電路對不同頻率的輸入信號的增益量(幅度及時延)可能不同。增益量因工作頻率不同而改變的特性稱為放大電路的頻率響應特性，簡稱頻率特性。研究的問題：放大電路對輸入信號頻率的適應程度，即輸入信號頻率對放大倍數(shù)的影響。內(nèi)容提要頻率特性的分析方法晶體管參數(shù)的頻率特性放大電路的頻率響應特性本章包括：4.1.1放大電路的理想頻率特性第一節(jié)頻率特性的分析方法將放大電路作為一個信號的線性傳輸系統(tǒng)：：輸入信號的拉式變換：輸出信號的拉式變換：系統(tǒng)傳輸函數(shù)一、幅頻特性和相頻特性時，頻率的穩(wěn)態(tài)正弦頻率響應：幅頻響應相頻響應4.1.1

放大電路的理想頻率特性一、幅頻特性和相頻特性中頻段低頻段高頻段4.1.1

放大電路的理想頻率特性二、工作頻段、截止頻率和通頻帶4.1.1

放大電路的理想頻率特性二、工作頻段、截止頻率和通頻帶低頻段使放大倍數(shù)數(shù)值下降的原因：隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失。高頻段使放大倍數(shù)數(shù)值下降的原因：隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失。主要參數(shù)：fL、fH、fbw4.1.1

放大電路的理想頻率特性二、工作頻段、截止頻率和通頻帶三、放大電路的理想頻率特性放大電路應對輸入信號頻譜范圍內(nèi)任何頻率點的信號分量給予同等量的幅度放大和同等量的時延：放大電路的理想幅頻特性是通頻帶應覆蓋輸入信號的頻譜范圍且通頻帶內(nèi)的幅度增益保持為一常數(shù)。放大電路的理想相頻特性是在輸入信號的頻譜范圍內(nèi)相頻特性為線性。4.1.1

放大電路的理想頻率特性幅度失真相位失真4.1.1

放大電路的理想頻率特性三、放大電路的理想頻率特性線性失真：包括幅度失真和相位失真。與輸入信號的頻率有關。非線性失真：由放大器的非線性特性而引起。與輸入信號的相對幅度有關。4.1.1

放大電路的理想頻率特性三、放大電路的理想頻率特性第一節(jié)頻率特性的分析方法4.1.2頻率特性的分析方法在各零、極點均為實數(shù)時，令：極點角頻率零點角頻率一、傳輸函數(shù)和零、極點：標尺因子：零點：極點4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖即對數(shù)頻率特性，橫坐標是頻率f，采用對數(shù)坐標。對數(shù)幅頻特性的縱坐標是電壓放大倍數(shù)幅值的對數(shù) ，單位是分貝(dB)(dB)0.01-400.1-200.707-3103261020100404.1.2

頻率特性的分析方法幅頻特性：4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖對數(shù)相頻特性的縱坐標是相角φ，不取對數(shù)，直接取線性刻度。相頻特性：二、波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實數(shù)極點的波特圖幅頻特性：4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖fH一階低通的幅頻響應4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖1、一階實數(shù)極點的波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實數(shù)極點的波特圖從而可以用兩條直線構成的折線來近似表示一階實數(shù)極點的對數(shù)幅頻特性曲線.幅頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實數(shù)極點的波特圖相頻特性：fH4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖1、一階實數(shù)極點的波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖1、一階實數(shù)極點的波特圖從而可以用三條直線構成的折線來近似表示一階實數(shù)極點的對數(shù)相頻特性曲線。－45o/10倍頻相頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實數(shù)極點的波特圖上限(-3dB)截止角頻率。RC低通網(wǎng)絡頻率響應表達式4.1.2

頻率特性的分析方法RC低通網(wǎng)絡幅頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法高頻段產(chǎn)生負90度滯后相移。RC低通網(wǎng)絡相頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法幅頻特性：相頻特性：一階零點因子的波特圖與一階實數(shù)極點波特圖的畫法類似。注意：上式所對應的零點為負實數(shù)，將提供正的相角，即引起超前相移；若零點值為正實數(shù)則會引起滯后相移4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖2、一階實數(shù)零點的波特圖頻率響應表達式RC高通網(wǎng)絡下限(-3dB)截止角頻率。4.1.2

頻率特性的分析方法其模為：RC高通網(wǎng)絡高通網(wǎng)絡的幅頻響應第一節(jié)頻率特性的分析方法多級相角為：RC高通網(wǎng)絡相頻特性第一節(jié)：頻率特性的分析方法4.1.3多級放大電路的頻率特性第一節(jié)頻率特性的分析方法多級放大電路的通頻帶窄于每一單級電路的通頻帶，且級聯(lián)的級數(shù)越多，通頻帶就越窄?？捎媒飧唠A代數(shù)方程的方法來嚴格求解多級放大電路的上、下限截止頻率1.1為修正系數(shù)，以提高公式的近似精度。一、多級放大電路的通頻帶和截止頻率4.1.3

多級放大電路的頻率特性在一個低通系統(tǒng)中，若有n個極點和m個零點，其中有一個(或幾個靠得很近的)極點(或零點)最低，與其它極、零點相隔較遠，則最低的極點(或零點)稱為主極點(或主零點)。類似地，可以在高通系統(tǒng)中定義主極點(或主零點)。當系統(tǒng)存在主極、零點時，其上、下限截止頻率由主極、零點近似確定，非主極、零點的影響較小。但要注意非主極點對相角的貢獻有時是不能忽略的。二、主極點和主極點頻率單級4.1.3

多級放大電路的頻率特性第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)即混合π模型圖中的輸出端短路。共射電流放大系數(shù)的定義為：低、中頻時可認為電容開路，電流與頻率基本無關。第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)而fT>>f,所以

參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)fT表征晶體管的高頻放大能力。特征頻率第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)管子不再有放大能力。參數(shù)估算共基截止頻率參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)在共基極電路中：注意晶體管的混合π模型，其頻率適用的范圍一般在fT/3以內(nèi)。以上各頻率與工作點有一定關系第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)當20lgβ下降3dB時,頻率f稱為共發(fā)射極接法的截止頻率當β=1時對應的頻率稱為特征頻率fT，且有fT≈β0f第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.2MOS型場效應晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.2MOS型場效應晶體管的高頻參數(shù)+-高頻時，由于電容的存在，柵極電流不再為0。仿照雙極型晶體管也可定義特征頻率：略去中間過程后：分析可知，溝道長度越短，管子的高頻放大能力就會越強。第二節(jié)：晶體管的頻率特性4.2.2MOS型場效應晶體管的高頻參數(shù)第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性從該圖中可以解出電壓傳輸函數(shù)，但是結果非常復雜(二階一零系統(tǒng))。4.3.1單管共射放大電路的高頻特性高頻模型網(wǎng)絡的一種等效變換關系，可以將跨接在網(wǎng)絡輸入端與輸出端之間的阻抗分別等效為并接到輸入端與輸出端的阻抗。一、密勒等效定理4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性密勒等效定理的變換方法4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性一、密勒等效定理二、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性可用中頻增益近似,則二、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性二、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性特征頻率三、共射放大電路的放大倍數(shù)4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性參數(shù)的估算共射放大電路的中頻增益+-Ri中頻時，電容開路，其增益為4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性放大倍數(shù)及上截頻的估算上圖可看作兩個低通電路的級聯(lián)。4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性主極點放大倍數(shù)及上截頻的估算使上截頻嚴重下降4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性放大倍數(shù)及上截頻的估算密勒單向化近似后將二階一零系統(tǒng)簡化為無零系統(tǒng).中頻反相4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性放大倍數(shù)及上截頻的估算若只考慮主極點，密勒單向化近似后成為一階系統(tǒng).單向化后的增益及上截頻參數(shù)分析增益帶寬積：影響上限截止頻率的主要元件及參數(shù)是:在電路參數(shù)及晶體管都選定后，基本上是個常數(shù)，因而要提高增益，其帶寬就要下降.小結：可據(jù)此選器件。同時，信號源內(nèi)阻應盡可能小，即共射放大電路應盡可能恒壓激勵.4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性用時間常數(shù)法估算放大電路的截止頻率4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性用時間常數(shù)法估算放大電路的截止頻率4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性令4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性將電流源分別等效到輸入、輸出回路中。輸入回路的電流源可等效為一純電阻4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性由于輸入回路電容較共射電路要小，且共基回路的輸入電阻也相對較小，故共基電路的輸入回路時間常數(shù)會遠小于共射電路因此共基電路電壓增益的上截止頻率要高于相同工作條件下的共射電路。4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性時間常數(shù)大，決定主極點頻率4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性時間常數(shù)大，決定主極點頻率4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性共基放大電路的電流增益、上限截止頻率、輸入輸出阻抗均可較好地滿足對電流跟隨器的要求。4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性忽略后共基放大電路電壓增益的上限截止頻率主要由輸出回路的極點值決定。對的影響程度與的大小有關；為了擴展頻帶，除選用高的管子外，共基極電路宜于恒流激勵，而且不宜過大。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性若負載帶有容性，則輸出回路的時間常數(shù)可能會限制共基極放大電路的上截頻。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.3單管共集放大電路的高頻特性結電容跨接于輸入、輸出端之間，故可根據(jù)密勒定理來分析其影響。由于共集電路的電壓跟隨特性，的密勒效應較小，電路的上限截止頻率相應會較高，高于相同條件下的共射放大電路。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.3單管共集放大電路的高頻特性由近似分析可知，用減小信號源內(nèi)阻，選基區(qū)體電阻效應較小的管子，增大負載電阻的方法可以提高共集電路的源電壓增益上限截止頻率。當信號源頻率較低時，耦合電容、旁路電容的阻抗增加，從而使得增益的模值減小，相移增大。分析可知，欲降低放大電路的下截止頻率，應增加耦合電容的容量，增大放大電路的輸入電阻和負載電阻。直接耦合電路的下截頻為零頻。4.3.4放大電路的低頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性例題一解：C1、C2、Ce影響低頻特性，每個電容產(chǎn)生一個高通環(huán)節(jié)。利用時間常數(shù)法，C1、C2、Ce中考慮一個電容時，可將其余兩個短路。C1所在回路的等效電路從C1看進的等效電阻為：C2所在回路的等效電路從C2看進的等效電阻為：Ce所在回路的等效電路從Ce看進的等效電阻為：為改善低頻特性，Ce取值要遠大于C1、C2。fHfLefL2fL120--80--60--40--ff-270--0---90---180--fHfLefL2fL190--10fLe0.1fH10fH1、耦合方式?2、在f＝104Hz時，附加相移φ=？解：1、直接耦合；2、φ=3x(-45o)=-135o例題二4.3.5組合放大電路的頻率特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性一、共射—共基組合放大電路又稱為串接放大電路。一、共射—共基組合放大電路中頻交流通路4.3.5

組合放大電路的頻率特性設兩管參數(shù)相同4.3.5

組合放大電路的頻率特性一、共射—共基組合放大電路高頻響應特性好，頻帶寬。4.3.5

組合放大電路的頻率特性一、共射—共基組合放大電路二、共集—共射組合放大電路4.3.5

組合放大電路的頻率特性射隨的輸出電阻較低，故提高了后級共射電路的上截頻。由于射隨的電壓增益近似為1，故組合電路的中頻增益與共射電路接近。二、共集—共射組合放大電路4.3.5

組合放大電路的頻率特性第四節(jié)場效應管放大電路的頻率特性4.4.1基本共源放大電路的頻率特性襯源短路時的MOS管等效模型第四節(jié)場效應管放大電路的頻率特性4.4.1基本共源放大電路的頻率特性由于輸出回路為容性負載，此時密勒等效阻抗的表達式復雜，等效處理失去意義。手動計算時，可以使用電路