電子技術基礎模擬部分(第六版) 康華光ch06

《電子技術基礎》模擬部分（版）2021/5/91電子技術基礎模擬部分1緒論2運算放大器3二極管及其基本電路4場效應三極管及其放大電路5雙極結型三極管及其放大電路6差分式放大與頻率響應7模擬集成電路8反饋放大電路9功率放大電路10信號處理與信號產(chǎn)生電路11直流穩(wěn)壓電源2021/5/926頻率響應6.1放大電路的頻率響應6.2單時間常數(shù)RC電路的頻率響應6.3共源和共射放大電路的低頻響應6.4共源和共射放大電路的高頻響應6.5共柵和共基、共漏和共集放大電路的高頻響應6.6擴展放大電路通頻帶的方法6.7多級放大電路的頻率響應*6.8單級放大電路的瞬態(tài)響應2021/5/936.1放大電路的頻率響應1、需要放大的信號通常都包含許多頻率成份。如話筒輸出的語音信號（20Hz～20kHz），衛(wèi)星電視信號（3.7～4.2GHz）等。2、放大電路中含有電抗元件或等效的電抗元件，導致對不同頻率的信號放大倍數(shù)和時延不同。若信號中不同的頻率成份不能被放大電路同等地放大（包括時延），則會出現(xiàn)失真現(xiàn)象（稱為線性失真或頻率失真）。兩個現(xiàn)實情況2021/5/946.1放大電路的頻率響應

因此，放大電路對不同頻率的輸入信號具有不同的放大能力，即增益是輸入信號頻率的函數(shù)。放大電路對不同頻率信號產(chǎn)生不同響應的根本原因

前兩章分析放大電路的性能指標時，是假設電路中所有耦合電容和旁路電容對信號頻率來說都呈現(xiàn)非常小的阻抗而視為短路；FET或BJT的極間電容、電路中的負載電容及分布電容對信號頻率來說都呈現(xiàn)非常大的阻抗而視為開路。輸入輸出放大電路1、電抗元件的阻抗會隨信號頻率的變化而變化。2、放大電路中有耦合電容、旁路電容和負載電容，F(xiàn)ET或BJT也存在PN結電容，此外實際電路中還有分布電容。2021/5/956.1放大電路的頻率響應放大電路典型的頻率響應曲線阻容耦合單級共源放大電路的典型頻率響應曲線如圖所示，其中圖a是幅頻響應曲線，圖b是相頻響應曲線。一般有

fH>>fL如果信號的所有頻率成份均落在通頻帶內，則基本上不會出現(xiàn)頻率失真現(xiàn)象。

若已知信號的頻率成份，要設計出滿足要求的放大電路，最主要的任務就是設計出頻率響應的fH和fL。2021/5/966.1放大電路的頻率響應1、正弦穩(wěn)態(tài)響應是分析頻率響應的基本方法2、工程上常采用分段分析的簡化方法。即分別分析放大電路的低頻響應、中頻（通頻帶）響應和高頻響應，最后合成全頻域響應。其中通頻帶內的響應與頻率無關，就是前兩章放大電路性能指標的分析結果。3、也可以用計算機輔助分析（如Spice等）的方法，獲得放大電路精確的頻率響應曲線。頻率響應的分析方法

研究放大電路的動態(tài)指標（主要是增益）隨信號頻率變化時的響應。具體包括：1、頻率響應的分析方法2、影響放大電路頻率響應的主要因素3、如何設計出滿足信號頻帶要求的放大電路4、各種組態(tài)放大電路頻率響應特點本章討論的主要內容2021/5/976.2單時間常數(shù)RC電路的頻率響應6.2.1RC高通電路的頻率響應6.2.2RC低通電路的頻率響應2021/5/986.2.1RC高通電路的頻率響應1.增益的傳遞函數(shù)且令又則電壓增益的幅值（模）（幅頻響應）電壓增益的相角（相頻響應）2021/5/996.2.1RC高通電路的頻率響應2.頻率響應曲線描述最大誤差-3dB0分貝水平線幅頻響應2021/5/9106.2.1RC高通電路的頻率響應2.頻率響應曲線描述相頻響應低頻時，輸出超前輸入因為表示輸出與所以輸入的相位差。2021/5/9116.2.2RC低通電路的頻率響應幅頻響應相頻響應1.增益的傳遞函數(shù)2021/5/9126.2.2RC低通電路的頻率響應幅頻響應相頻響應輸出滯后輸入2.頻率響應曲線2021/5/9136.3共源和共射放大電路的低頻響應6.3.1共源放大電路的低頻響應6.3.2共射放大電路的低頻響應2021/5/9146.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)

低頻區(qū)內，電路中的耦合電容、旁路電容的阻抗增大，不能再視為短路。低頻小信號等效電路2021/5/9156.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)為簡化分析，設低頻區(qū)內，有低頻小信號等效電路則Rs可作開路處理2021/5/9166.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)定性討論Cb1所在的輸入回路構成的是RC高通電路Rg上的電壓輸入回路2021/5/9176.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)定性討論

輸出回路也是高通電路，不過不是簡單的單時間常數(shù)RC高通電路。和輸出回路2021/5/9186.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)由電路可列出方程由前兩個方程得2021/5/9196.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)代入第3個方程得源電壓增益2021/5/9206.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)令且通帶內（中頻）增益，與頻率無關Cb1引起的下限截止頻率Cs引起的下限截止頻率Cb2引起的下限截止頻率2021/5/9216.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)其中第1項是與頻率無關的通帶內源電壓增益后三項分別是3個與6.2節(jié)RC高通電路相同的低頻響應?？梢姽苍捶糯箅娐返牡皖l響應是由3個RC高通電路共同作用的結果。則

為簡單起見，假設3個下限截止頻率fL1、fL2和fL3之間相距較遠（4倍以上），可以只考慮起主要作用的截止頻率的影響。例如有fL2>4fL1，fL1>fL3，則上式簡化為2021/5/9226.3.1共源放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)2.增益的頻率響應波特圖水平線不是0dBf

>>fL2時，相頻響應為-180，反映了通帶內輸出與輸入的反相關系2021/5/9236.3.1共源放大電路的低頻響應

若想盡可能降低下限截止頻率，則需要盡可能選擇大的旁路電容Cs和耦合電容Cb1、Cb2。但這種改善是很有限的，因此在信號頻率很低的使用場合，可考慮用直接耦合方式。2021/5/9246.3.2共射放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)低頻小信號等效電路Rb=（Rb1||Rb2）遠大于Ri

Ri2021/5/9256.3.2共射放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)定性討論輸入回路構成的是RC高通電路輸入回路和輸出回路輸出回路也是高通電路2021/5/9266.3.2共射放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)由第2個方程得由電路可列出方程其中2021/5/9276.3.2共射放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)代入第1個方程得源電壓增益2021/5/9286.3.2共射放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)令且通帶內（中頻）增益，與頻率無關由Cb1和Ce引起的下限截止頻率Cb2引起的下限截止頻率2021/5/9296.3.2共射放大電路的低頻響應其中第1項是與頻率無關的通帶內源電壓增益后兩項分別是2個與6.2節(jié)RC高通電路相同的低頻響應?？梢姽采浞糯箅娐返牡皖l響應是由2個RC高通電路共同作用的結果。其中fL1與Cb1和Ce兩個電容有關。則

為簡單起見，假設2個下限截止頻率fL1和fL2之間相距較遠（4倍以上），可以只考慮起主要作用的截止頻率的影響。例如有fL1>4fL2，則上式簡化為1.增益的傳遞函數(shù)2021/5/9306.3.2共射放大電路的低頻響應1.增益的傳遞函數(shù)2.增益的頻率響應波特圖水平線不是0dBf

>>fL1時，相頻響應為-180，反映了通帶內輸出與輸入的反相關系2021/5/9316.3.2共射放大電路的低頻響應2.增益的頻率響應波特圖包含fL2的幅頻響應2021/5/9326.3.2共射放大電路的低頻響應

若想盡可能降低下限截止頻率，則需要盡可能選擇大的旁路電容Ce和耦合電容Cb1、Cb2。但這種改善是很有限的，因此在信號頻率很低的使用場合，可考慮用直接耦合方式。2021/5/933小結

（1）通過對共源和共射放大電路低頻響應的分析看到，影響低頻響應的主要因素是旁路電容和耦合電容。若想盡可能降低放大電路的下限截止頻率，則盡量選用容量較大的旁路電容和耦合電容，其它組態(tài)的放大電路有類似的結論。（2）以上分析過程均假設電路滿足一定條件，進行了簡化處理，實際上通過SPICE仿真可以得到更精確的分析結果。（3）通過選用大容量電容降低下限截止頻率的效果通常是有限的，因此在信號頻率很低的場合，可考慮采用直接耦合的放大電路。2021/5/9346.4共源和共射放大電路的高頻響應6.4.1MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT6.4.2共源放大電路的高頻響應6.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)6.4.4共射放大電路的高頻響應2021/5/9356.4.1MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT1.MOS管的高頻小信號模型Cgs——柵-源電容Cgd——柵-漏電容Csb——源-襯底電容Cdb——漏-襯底電容多數(shù)情況下，MOS管的源極和襯底連在一起，此時Csb被短路，而Cdb變?yōu)镃ds。

當信號頻率處于高頻區(qū)時，F(xiàn)ET或BJT的極間電容的阻抗將減小，不能再視為開路，需考慮它們帶來的影響。2021/5/936其中Cgs的典型值為0.1~0.5pF，Cgd的典型值為0.01~0.04pF及Cds通常小于1pF，rds為(104~106)

。一般可從數(shù)據(jù)手冊上獲得這些參數(shù)。Cgs——柵-源電容Cgd——柵-漏電容Cds——漏-源電容

襯底與源極并接時的高頻小信號模型（也稱為模型）6.4.1MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT1.MOS管的高頻小信號模型2021/5/9372.單位增益頻率fTfT——共源組態(tài)、負載短路時電流增益等于1對應的頻率（也稱為特征頻率）rds和Cds被短路6.4.1MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT2021/5/9382.單位增益頻率fTCgd較小，在所關心的頻率范圍內，該支路電流遠小于受控源中的電流，所以可以忽略。

又電流增益6.4.1MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT2021/5/9392.單位增益頻率fTfT與gm成正比，與MOS管結電容成反比。fT越大，MOS管的高頻性能越好，由它構成的放大電路的上限頻率就越高。早期以微米技術制造的MOS管的fT約為100MHz，現(xiàn)在以高速技術制造的MOS管的fT約為幾個GHz。

由得6.4.1MOS管的高頻小信號模型及單位增益頻率fT2021/5/9406.4.2共源放大電路的高頻響應1.高頻小信號等效電路其中2021/5/9416.4.2共源放大電路的高頻響應1.高頻小信號等效電路定性討論Cgs在輸入回路構成低通電路輸入回路和輸出回路輸出回路也是低高通電路2021/5/9426.4.2共源放大電路的高頻響應2.電路簡化將Cgs左側電路進行電源等效變換其中為簡單起見，作如下假設：，得簡化后的電路2021/5/9436.4.2共源放大電路的高頻響應3.密勒電容對節(jié)點d列KCL得由于輸出回路電流比較大，所以可以忽略的Cgd分流，得而輸入回路電流比較小，所以不能忽略的Cgd分流稱為密勒電容ZM相當于g和s之間存在一個電容，若用CM1表示，則2021/5/9446.4.2共源放大電路的高頻響應3.密勒電容同理，在d、s之間也可以求得一個等效電容CM2，且得等效后的電路再設且2021/5/9456.4.2共源放大電路的高頻響應3.密勒電容得最后簡化電路同理，在d、s之間也可以求得一個等效電容CM2，且得等效后的電路再設且2021/5/9466.4.2共源放大電路的高頻響應4.高頻響應和上限頻率輸入回路是RC低通電路由電路得得其中上限截止頻率通帶內源電壓增益2021/5/9476.4.2共源放大電路的高頻響應4.高頻響應和上限頻率＝－180－arctg(f/fH)

相頻響應幅頻響應RC低通電路幅頻響應常數(shù)項共源通帶增益的相位2021/5/9486.4.2共源放大電路的高頻響應4.高頻響應和上限頻率只要求得通帶增益和上限截止頻率，便可畫出波特圖C由上述關系看出

增益越高，Cgd產(chǎn)生的密勒電容也越大，上限截止頻率越低增益和帶寬相互制約2021/5/9496.4.2共源放大電路的高頻響應5.增益-帶寬積一般放大電路有fH>>fL，則帶寬BW＝fHfLfH若有則MOS管一旦確定，對相同的信號源增益-帶寬積基本為常數(shù)#

如何提高帶寬？2021/5/9506.4.2共源放大電路的高頻響應

為簡化分析，上述分析過程對電路做了一些假設，盡管如此，其分析結果仍能符合大多數(shù)實際情況。使用CAD（如SPICE）工具很容易獲得更精確的分析結果。2021/5/9516.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號模型rb‘e---發(fā)射結電阻re折算到基極回路的電阻

---發(fā)射結電容---集電結電阻---集電結電容

rbb'---基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內的一個點?；?021/5/9526.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號模型高頻區(qū)通常有，模型簡化為2021/5/9536.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)2.模型參數(shù)從手冊中查出（與頻率無關）#

與信號頻率有關嗎？2021/5/9546.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)由電路有低頻時所以當時，3.的頻率響應2021/5/9553.的頻率響應6.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)其中幅頻響應相頻響應將f=fT帶入幅頻響應所以2021/5/9563.的頻率響應6.4.3BJT的高頻小信號模型及頻率參數(shù)——共發(fā)射極的截止頻率——特征頻率——共基極的截止頻率f=(1+0)f

≈f＋fT

另外根據(jù)所以可得2021/5/9576.4.4共射放大電路的高頻響應1.高頻等效電路2021/5/9586.4.4共射放大電路的高頻響應1.高頻等效電路與共源放大電路類似也可求出密勒電容，得到等效電路2021/5/9596.4.4共射放大電路的高頻響應2.高頻響應和上限頻率其中通帶源電壓增益上限截止頻率類似地求得源電壓增益響應2021/5/9606.4.4共射放大電路的高頻響應2.高頻響應和上限頻率與共源放大電路類似2021/5/961例題

解：模型參數(shù)為

設共射放大電路在室溫下運行，其參數(shù)為：負載開路，Rb足夠大忽略不計。試計算它的低頻電壓增益和上限頻率。低頻電壓增益為又因為所以上限頻率為2021/5/9626.5共柵和共基、共漏和共集放大電路的高頻響應6.5.1共柵和共基放大電路的高頻響應6.5.2共漏和共集放大電路的高頻響應2021/5/9636.5.1共柵和共基放大電路的高頻響應1.高頻小信號等效電路2021/5/9646.5.1共柵和共基放大電路的高頻響應2.高頻響應共柵放大電路的Cds均共基放大電路無跨接在輸入輸出之間的電容，所以無密勒電容效應，上限頻率高于共射放大電路。2021/5/9656.5.2共漏和共集放大電路的高頻響應1.高頻小信號等效電路2021/5/9666.5.2共漏和共集放大電路的高頻響應2.高頻響應雖然Cgs和Cb`e都會產(chǎn)生密勒效應，但是應為兩電路的增益均小于等于1，所以它們的密勒電容都很小，上限頻率遠高于同等工作條件下共源和共射放大電路。2021/5/9676.6擴展放大電路通頻帶的方法擴展放大電路的通頻帶是指降低下限頻率和提高上限頻率。采用直接耦合的方式可以將下限頻率降至零，而提高上限頻率通常有三種方法，即將不同組態(tài)的放大電路級聯(lián)組合、外接補償元件、采用負反饋。此處只討論第一種方法。將不同組態(tài)的放大電路級聯(lián)組合，可以減小前級密勒電容CM1=(1+gmRL)Cgd（或CM1=(1+gmRL)Cb′c）中RL的值，從而減小CM1，提高上限頻率，損失的增益由后級補償，共源?共基組合電路便是一例。另外，通過放大電路級聯(lián)組合，還可以減小后級中等效信號源內阻Rsi的值，從而提高fH，如共集?共射組合電路。2021/5/9686.7多級放大電路的頻率響應1.多級放大電路的增益?

前級的開路電壓是下級的信號源電壓?

前級的輸出阻抗是下級的信號源阻抗?

下級的輸入阻抗是前級的負載2021/5/9696.7多級放大電路的頻率響應2.多級放大電路的頻率響應?

多級放大電路的通頻帶比構成它的任何一級都窄。（以兩級為例）則單級的上下限頻率處的增益為當兩級增益和頻帶均相同時，兩級的增益為即兩級的帶寬小于單級帶寬。2021/5/970*6.8單級