第4章放大電路的頻率響應(yīng)chd

第4章

放大電路的頻率響應(yīng)4.1頻率響應(yīng)概述4.2晶體管的高頻等效模型4.4單管放大電路的頻率響應(yīng)4.5多級放大電路的頻率響應(yīng)4.3場效應(yīng)管的高頻等效模型4.6集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償本章重點和考點：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

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？4.1頻率響應(yīng)概念4.1.1頻率響應(yīng)的概念1.頻率響應(yīng)2.通頻帶中頻區(qū)：各種電容的影響均忽略不計，(即耦合C和旁路C足夠大，1/ωc≈0，視為短路；PN結(jié)C足夠小，1/ωc≈∞，視為開路)Au基本上不隨信號頻率而變化，保持常數(shù)。

低頻區(qū)：耦合電容和E極旁路電容的影響（1/ωc≠0），使Au下降；高頻區(qū)：極間電容和接線電容的影響（1/ωc≠0），

使Au下降。3.幅度失真和相位失真

放大器使不同頻率的信號得到不同的放大，使輸出波形產(chǎn)生失真，這種失真稱為頻率失真，又稱為線性失真。幅度失真：是由于放大器對不同頻率信號的放大倍數(shù)不同

而引起輸出波形產(chǎn)生的失真。相位失真：是由于放大器對不同頻率信號的相位移不同而

引起輸出波形產(chǎn)生的失真。4.1.2RC電路的頻率響應(yīng)1.RC低通電路時間常數(shù)τH=R1C1，令幅頻響應(yīng)：相頻響應(yīng)：

（轉(zhuǎn)折頻率）（1）幅頻響應(yīng)：當(dāng)f<<fH

時，

當(dāng)f>>fH

時，

隨著f的上升，越來越小兩條直線的交點fH稱為轉(zhuǎn)折頻率。

當(dāng)f<<fH

時，

當(dāng)f>>fH

時，

(2)相頻響應(yīng)：

當(dāng)f=fH

時，

隨著f的上升，越來越大可以利用RC低通電路來模擬放大電路的高頻響應(yīng)。則有：放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。(3)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-90o0.1fH0在高頻段，低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。（3）低通電路的波特圖f2.RC高通電路時間常數(shù)τL=R2C2，令幅頻響應(yīng)：相頻響應(yīng)：

（轉(zhuǎn)折頻率）2.RC高通電路時間常數(shù)τL=R2C2，令幅頻響應(yīng)：相頻響應(yīng)：

（1）幅頻響應(yīng)：當(dāng)f<<fL

時，

當(dāng)f>>fL

時，

隨著f的下降，越來越小當(dāng)f<<fH

時，

當(dāng)f>>fH

時，

(2)相頻響應(yīng)：

當(dāng)f=fH

時，

可以利用RC高通電路來模擬放大電路的低頻響應(yīng)。隨著f的增大，越來越小則有：(3)高通電路的波特圖對數(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)相頻特性圖5.1.3(a)相頻特性5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o0

f誤差在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。5.71o【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。4.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型4.2晶體管的高頻等效模型第五章三極管的物理等效模型——基區(qū)體電阻Cπ——發(fā)射結(jié)的結(jié)電容；Cμ——集電結(jié)的結(jié)電容——發(fā)射結(jié)的結(jié)電阻——集電結(jié)的結(jié)電阻rce——三極管輸出電阻；

一、完整的混合

模型通常情況下，rce>>RLrb`c遠(yuǎn)大于Cμ的容抗二、簡化混合π型模型

gm為低頻互導(dǎo)：三、混合π型等效模型參數(shù)低頻時Cπ和Cμ的影響可以忽略，用電流源來表示基極回路對集電極回路的控制作用

三、混合π型等效模型參數(shù)（a）低頻混合π型等效模型（b）低頻H參數(shù)微變等效模型【結(jié)論】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)可從手冊中查到：第五章fT——特征頻率

4.2.3晶體管頻率參數(shù)

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：第五章1.共射極截止頻率fβ（截止頻率）

1.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。2.共射極交流電流放大系數(shù)ββ的對數(shù)幅頻特性與對數(shù)相頻特性其模值為對數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻f0對數(shù)相頻特性10f0.1f-45o-90o3.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：3.特征頻率fT一般，故fT的典型數(shù)據(jù)約在100~1000MHz之間。4.共基截止頻率f

值下降為低頻0時

的0.707時的頻率。因為可得令【說明：】所以：1.f

比f

高很多，等于f

的(1+0)倍；2.f

<fT<

f

4.3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一般情況下

rgs和

rds比外接電阻大得多，可認(rèn)為是開路

Cdg可進行等效變化，使電路單向化第五章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。第五章利用密勒定理將Cgd等效變化，設(shè)4.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+

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。第五章4.4單管放大電路的頻率響應(yīng)利用密勒定理將Cμ的分別折合到輸入回路和輸出回路，設(shè)

Cμ折合到b’-e之間為：

Cμ折合到c-e之間為:

與Cπ并聯(lián)為:

利用密勒定理折合后的等效電路一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容

可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流開路。1.中頻段等效電路

bce

+Rb~+++RcRs第五章

式中，

即：Ri=Rb//rbe2.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。第五章二、低頻電壓放大倍數(shù)考慮隔直電容C1的作用，其等效電路：

C1

與輸入電阻構(gòu)成一個RC高通電路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~+++RcRsC1第五章輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)第五章

bce

+Rb~+++RcRsC1低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則第五章fL1與C1所在回路的時間常數(shù)成反比對數(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度第五章同理，當(dāng)只考慮C2的影響時，可得其下限截止頻率fL2為：考慮射極旁路電容Ce的影響，其時間常數(shù)為：則下限截止頻率fL3為：

式中

（很?。ū容^大）（截止頻率）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：圖高頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRs第五章圖高頻等效電路的簡化(a)由于輸出回路時間常數(shù)遠(yuǎn)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4.4(b)第五章—C

與R

構(gòu)成RC

低通電路。

ce

+~++Rc

第五章高頻時間常數(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度第五章四、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。

第五章幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO第五章【例】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【解】交流等效電路第五章1.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第五章3.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當(dāng)取C1＝C2＝Ce時，τe將遠(yuǎn)小于τ1,τ2，即fLe遠(yuǎn)大于fL1和fL2因此，fLe就約為電路的下限頻率。第五章【例】電路如圖所示。已知：VCC＝12V；晶體管的Cμ＝4pF，fT=50MHz，＝100Ω,0＝80。試求解：

（2）；（3）fH和fL；

（4）畫出波特圖。

（1）中頻電壓放大倍數(shù)；第五章【解】（1）靜態(tài)及動態(tài)的分析估算：

第五章（2）估算：

（3）求解上限、下限截止頻率：第五章（4）在中頻段的增益為頻率特性曲線如圖所示

第五章【解】（1）60103

（2）1010

（3）放大倍數(shù)：

第五章【解】

【例】已知某共射放大電路的波特圖如圖所示，試寫出的表達式。觀察波特圖可知，中頻放大倍數(shù)為－100；下限截止頻率為1Hz和10Hz，上限截止頻率為250kHz。第五章【例】已知某電路電壓放大倍數(shù)試求解：fL＝？fH

＝?（1）（2）畫出波特圖?！菊n堂練習(xí)】

【解】（1）變換電壓放大倍數(shù)的表達式，（2）畫波特圖

4.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)圖4.4.7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)為第五章在高頻段，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)第五章【例】電路如圖，已知Cgs＝Cgd＝5pF，C1＝C2＝CS＝10μF，

gm＝5mS。試求fH、fL各約為多少，并寫出的表達式?！窘狻?.5.1多級放大電路頻率特性的定性分析（1）多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：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。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。4.5多級放大電路的頻率響應(yīng)（3）多級放大電路的總相位移為：第五章相頻響應(yīng)也是各級相頻響應(yīng)的代數(shù)和（2）對數(shù)幅頻特性為：對數(shù)幅頻響應(yīng)等于各級對數(shù)幅頻響應(yīng)的代數(shù)和兩級放大電路的波特圖fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一級二級-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻第五章相頻特性-270o-360ofL1fH1fO-540o-180o-450o-90o一級二級第五章多級放大電路的通頻帶小于單級的通頻帶；多級放大電路的上限頻率小于單級的上限頻率；多級放大電路的下限頻率大于單級的下限頻率。fL>fL1=fL2，fH<fH1=fH2

5.5.2多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算

當(dāng)各級放大電路的上、下限頻率相差懸殊時，可取起主要作用的那一級作為估算的依據(jù)第五章如果fL1>fL2，且fL1是fL2的四倍以上，則下限fL≈fL1。如果fH1>fH2，且fH1是fH2的四倍以上，則下限fL≈fH2。【例】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?！窘狻浚?）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。第五章（2）上限頻率：【解】fH≈0.52fH1=(0.52×2×105)Hz=106KHz（3）電壓放大倍數(shù)第五章（1）下限頻率fL=10Hz?！纠恳阎粋€兩級放大電路各級電壓放大倍數(shù)分別為（1）寫出該放大電路的表達式；（2）求出該電路的fL和fH各約為多少；（3）畫出該電路的波特圖。【解】（1）電壓放大電路的表達式

（2）電路的fL和fH

（3）根據(jù)電壓放大倍數(shù)的表達式可知，中頻電壓放大倍數(shù)為104，增益為80dB。波特圖如圖所示。（3）畫波特圖:例4.1電路如圖，已知β=100，rbb′=100Ω，fT=100MHz，Cμ=4PF。試：（1）估算中頻電壓放大倍數(shù)（2）估算下限頻率fL；（3）估算上限頻率fH?！窘狻浚?）估算【解】（1）估算（2）估算下限頻率fL（2）估算下限頻率fL由于fL3>>fL1>fL2，所以（3）估算上限頻率fH則輸入回路的時間常數(shù)為則輸出回路的時間常數(shù)為總的上限頻率為【例】已知某電路的波特圖如圖所示，試寫出的表達式。【解】