模拟电路课件(计算机专业)9-放大电路的频率响应-12

1、蔡竟业 第九章 放大电路的频率响应 蔡竟业 第九章 放大电路的频率响应 9.1 9.1 频率响应概述（模电频率响应概述（模电5.1 5.1 ） 9.2 9.2 晶体管、场效应管的高频等效电路晶体管、场效应管的高频等效电路 （模电（模电5.25.2、 5.3) 5.3) 9.3 9.3 放大电路的频率响应（模电放大电路的频率响应（模电5.45.4、5.55.5） 9.4 9.4 负反馈放大电路的频率特性（模电负反馈放大电路的频率特性（模电 6.5.3 6.5.3、 6.6 ) 6.6 ) 蔡竟业 9.1 9.1 频率响应概述 一、本节要研究的问题一、本节要研究的问题 二、二、高通电路和低通电路高

2、通电路和低通电路 三、放大电路中的频率参数三、放大电路中的频率参数 蔡竟业 一、研究的问题 放大电路对信号频率的适应程度，即信放大电路对信号频率的适应程度，即信 号频率对放大倍数的影响。号频率对放大倍数的影响。 由于放大电路中耦合电容、旁路电容、由于放大电路中耦合电容、旁路电容、 半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为 频率的函数频率的函数。 在使用一个放大电路时应了解其信号频在使用一个放大电路时应了解其信号频 率的适用范围，在设计放大电路时，应满足率的适用范围，在设计放大电路时，应满足 信号频率的范围要求信号频率的范围要求-通频带通频带。 负反馈放大器的

3、频率特性：负反馈放大器的频率特性：1、引入负反、引入负反 馈后带宽的馈后带宽的变化变化，2、电路的、电路的稳定性稳定性分析。分析。 蔡竟业 二、高通电路和低通电路 。超前， 时；，当超前 900 0 ioo io UUU fUU Ui . I . 2. 低通电路:信号频率信号频率越低越低，输出电压越接近输入电压。，输出电压越接近输入电压。 Ui . Uo . I . 。滞后， 时；，当滞后 900 ioo io UUU fUU 使输出电压幅值下降到使输出电压幅值下降到70.7%，相位为，相位为45的信号频率为的信号频率为 截止频率，又称为截止频率，又称为3dB转折点频率转折点频率。 Ui .

4、Uo . I . 1. 高通电路:信号频率信号频率越高越高，输出电压越接近输入电压。，输出电压越接近输入电压。 蔡竟业 三、放大电路中的频率参数 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电 容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。 高通高通 电路电路 低通低通 电路电路 在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和 分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号 损失，放大能力下降。损

5、失，放大能力下降。 下限频率下限频率 上限频率上限频率 LHbw fff 结电容结电容 蔡竟业 四、波特图 为了在同一个坐标系下对比大范围变化的放大倍数和很 宽的频率响应范围，将前频率响应改用对数坐标即所谓 的“波特图”，它也包含幅频特性和相频特性两个部分。 幅频特性改用波特图后将级联放大器增益的“乘/除”运 算变为了“加/减”运算！ 且带外衰减特性暗含了“滤波”特性的阶数N，20N/十倍频 程 蔡竟业 9.2 晶体管、场效应管的高频等效 电路 -考虑结电容的影响 一、混合一、混合 模型模型 二、电流放大倍数的频率响应二、电流放大倍数的频率响应 三、晶体管的频率参数三、晶体管的频率参数 四、场

6、效应管的高频等效四、场效应管的高频等效模型模型 蔡竟业 1. 模型的建立：由结构而建立，形状像由结构而建立，形状像，参数量纲各不相同。，参数量纲各不相同。 gm为跨导，它不随信为跨导，它不随信 号频率的变化而变。号频率的变化而变。 阻值小阻值小 阻值大阻值大 连接了输入回路连接了输入回路 和输出回路和输出回路 一、混合模型 蔡竟业 2. 混合模型的单向化（使信号单向传递）（使信号单向传递） Lm eb ceeb )1 ( Rgk X U k X UU I CC C Lm eb 1Rg X I U X C C C Lm )1 (CRgC 1 C k k C 同理可得， 等效变换后电流不变等效变换

7、后电流不变 蔡竟业 3. 晶体管简化的高频等效电路 EQ T 0eb bb )1 ( CCC I U r Cr 可从手册查得、 T EQ eb 0 m ebbmebmb0 U I r g rIgUgI ？如何得到模型中的参数 ？为什么不考虑 C ？ 蔡竟业 二、电流放大倍数的频率响应 CE b c U I I Lm 0CCCRgk所以，因为 )( 2 1 j1 )( j 1 eb 0 eb eb ebm CCr f f f CC r U Ug 为什么短路？为什么短路？ 1. 适于频率从0至无穷大的表达式 蔡竟业 2. 电流放大倍数的频率特性曲线 f f f f f f 1 2 0 0 tg )

8、(1 j1 0 0 0 0 0 0.707 -45 2 0 -90 ff ff f fff f 时，； 时，； 时，；时， o 蔡竟业 3. 电流放大倍数的波特图: 采用对数坐标系采用对数坐标系 71. 5 ， lg20 采用对数坐标系，横轴为采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为，可开阔视野；纵轴为 单位为单位为“分贝分贝” （dB），使得），使得 “ ” “ ” 。 lg f dB32lg20 注意折线化曲线的误差注意折线化曲线的误差 20dB/十倍频 折线化近似画法折线化近似画法 蔡竟业 三、晶体管的频率参数 1 0T T fff f 时的频率为使 )CC(r f f f e

9、b 0 2 1 j1 。、)( obT CCfff 共射截共射截 止频率止频率 共基截共基截 止频率止频率 特征特征 频率频率 集电结电容集电结电容 通过以上分析得出的结论：通过以上分析得出的结论： 低频段和高频段放大倍数的表达式；低频段和高频段放大倍数的表达式； 截止频率与时间常数的关系；截止频率与时间常数的关系； 波特图及其折线画法；波特图及其折线画法； C的求法。的求法。 手册手册 查得查得 蔡竟业 四、场效应管的高频等效四、场效应管的高频等效模型模型 参见书中参见书中p230-231，自学，自学 自学要点：注意与三极管的自学要点：注意与三极管的区别与不同区别与不同。 蔡竟业 讨论 1.

10、 若干个放大电路的放大倍数分别为若干个放大电路的放大倍数分别为1、10、102、 103、104、105，它们的增益分别为多少？，它们的增益分别为多少？ 2. 为什么波特图开阔了视野？同样长度的横轴，在为什么波特图开阔了视野？同样长度的横轴，在 单位长度不变的情况下，采用对数坐标后，最高频单位长度不变的情况下，采用对数坐标后，最高频 率是原来的多少倍？率是原来的多少倍？ 102030405060 O f 10102103104105106lg f 蔡竟业 9.39.3 放大电路的频率响应 一、单管共射放大电路的频率响应一、单管共射放大电路的频率响应 二、多级放大电路的频率响应二、多级放大电路的

11、频率响应 蔡竟业 一、单管共射放大电路的频率响应 适用于信号频率从适用于信号频率从0的的 交流等效电路交流等效电路 中频段：中频段：C 短路，短路， 开路。开路。 C C低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响， 开路。开路。 高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 开路。开路。 C 蔡竟业 1. 中频电压放大倍数 eb o i eb s i s o sm U U U U U U U U A u )( Lcm be eb is i sm RRg r r RR R Au 带负载时：带负载时： )( cm be eb is i smo Rg r r RR R Au 空载时：空载时： 蔡竟业

12、 2. 低频电压放大倍数: :定性分析定性分析 0 U . oo U . o I . o 。超前，时，当超前900 0 ooooooo UUUfUU )( cm be eb is i smo Rg r r RR R Au Au . Ui . Uoo . Uo . C RLs U Rs 蔡竟业 2. 低频电压放大倍数：定量分析：定量分析 j 1 Lc L smo oo o s oo s o sl R C R R A U U U U U U A uu CRR A RR RR R C R R AA u uu )(j 1 1 j 1 Lc sm Lc Lc Lc L smosl )( cm be eb

13、 is i smo Rg r r RR R Au )(2 1 j1 ) j ( )(j1 Lc L L Lsm L sm sl RR f ff ffA ff A A uu u C所在回路的时间常数？所在回路的时间常数？ Au . Ui . Uoo . Uo . C RLs U Rs 蔡竟业 2. 低频电压放大倍数：低频段频率响应分析：低频段频率响应分析 )arctan90(180 )(1 1 lg20lg20lg20 L 2 L smsl f f f f AA uu CRR f ff ffA A u u )( 2 1 j1 )j ( Lc L L Lsm sl 135 dB3lg20 sL ，

14、下下降降时时， u Aff )lg(20lg20 L smsL f f AAff uu 时， 。，时，90 0 0 s u Af smsL lg20lg20 uu AAff 时， 中频段中频段 20dB/十倍频十倍频 蔡竟业 3. 高频电压放大倍数：定性分析：定性分析 0 U . C Is . U . s 。滞后 ，时，当 ，滞后 )90( 0 s s UU Uf UU C C C )( sbbbeb be eb is i i eb s i s s RRrrR r r RR R U U U U U U ， Au . Uo . RL s U Rb e 蔡竟业 )( sbbbeb RRrrR 3.

15、 高频电压放大倍数：定量分析：定量分析 )( 2 1 2 1 j1 sbbbeb H H sm s o sh CRRrrRC f f f A U U A u u )( j 1 j 1 Lm be eb is i C o s C s s s o sh Rg C R C r r RR R U U U U U U U U Au 蔡竟业 3. 高频电压放大倍数：高频段频率响应分析：高频段频率响应分析 )( 2 1 j1 sbbbeb H H sm s o sh CRRrr f f f A U U A u u -225 dB3lg20 sh H ，下下降降 时时， u A ff H 2 H msh ar

16、ctan180 )(1lg20lg20lg20 f f f f AA uu ；下降倍，每增大时，dB20lg20 10 shHu Afff 。，时，-270 0 sh u Af ； 时时， smsh H lg20lg20 uu AA ff 蔡竟业 4. 电压放大倍数的波特图 )j1)( j 1 ( )j1)(j1 ( )j ( H L sm HL L sm s o s f f f f A f f f f f f A U U A u u u 全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达式： 蔡竟业 5. 带宽增益积：定性分析：定性分析 fbw fH fL fH )( 2 1 sbbbeb H CRR

17、rr f Lm )1 (CRgCC Hmbwm fAfA uu 带宽增益积 m Lm H Lm u ARg fCRg )( Lcm be eb is i sm RRg r r RR R Au 矛盾矛盾 当提高增益时，当提高增益时， 带宽将变窄；反带宽将变窄；反 之，增益降低，之，增益降低， 带宽将变宽。带宽将变宽。 蔡竟业 5. 带宽增益积：定量分析：定量分析 )( 2 1 sbbbeb H CRRrr f Lm )1 (CRgCC )( Lcm be eb is i sm RRg r r RR R Au 若若rbeRb、 Rs fL1， fH fH1，频带变窄！，频带变窄！ 蔡竟业 2. 多

18、级放大电路的频率响应与各级的关系 ), 2 , 1( bwbw HH LL nk ff ff ff k k k n k k n k k f . f f.f 1 2 HH 1 2 LL 1 11 1 11 对于对于n级放大电路，若各级的下、上限频率分别为级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、 fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为，整个电路的下、上限频率分别为fL、 fH，则，则 n k k n k uku AA 1 1 lg20lg20 由于由于求解使增益下降求解使增益下降3dB的频的频 率，经修正，可得率，经修正，可得 1.1为修正系数为修正系数 蔡竟业 讨论一 1.

19、信号频率为信号频率为0时电压放大倍数的表达式？时电压放大倍数的表达式？ 2. 若所有的电容容量都相同，则下限频率等于多少？若所有的电容容量都相同，则下限频率等于多少？ 蔡竟业 时间常数分析： 所确定的截止频率。、分别考虑 e21 CCCC 1beb2b1s1 )(CrRRR 2Lc2 )(CRR e b2b1sbe ee ) 1 (C RRRr R C C)RRRr(r b2b1sbbeb C2、Ce短路，短路， 开路，求出开路，求出 C C1、Ce短路，短路， 开路，求出开路，求出 C C1、C2短路，短路， 开路，求出开路，求出 C C1、 C2、 Ce短路，求出短路，求出 若电容值均相等

20、，则若电容值均相等，则e 1、2 无本质区别无本质区别 蔡竟业 清华大学 华成英 讨论二 1. 该放大电路为几级放大电路该放大电路为几级放大电路? 2. 耦合方式耦合方式? 3. 在在 f 104Hz 时，增益下降多少？附加相移时，增益下降多少？附加相移？ 4. 在在 f 105Hz 时，附加相移时，附加相移？ 5. 画出相频特性曲线；画出相频特性曲线； 6. fH？ ? u A 已知某放大电路的幅频特性已知某放大电路的幅频特性 如图所示，讨论下列问题：如图所示，讨论下列问题： 课堂练习课堂练习 蔡竟业 作业（模电254-257）： 5.1 5.2 5.10 5.13 蔡竟业 9.49.4 负

21、反馈放大电路的频率特性 一、展宽频带一、展宽频带 二、自激振荡产生的原因及条件二、自激振荡产生的原因及条件 三、负反馈放大电路稳定性的分析三、负反馈放大电路稳定性的分析 四、负反馈放大电路稳定性的判断四、负反馈放大电路稳定性的判断 五、消除自激振荡的方法五、消除自激振荡的方法 蔡竟业 一、展宽频带：设反馈网络是纯电阻网络设反馈网络是纯电阻网络 A lg20 f H m H L m L f j1 j 1 1 f f A A f f A A FA A A O 引入负反馈后的幅频特性引入负反馈后的幅频特性 bwbwf L Lf HHf )1 ( 1 )1 ( fAFf AF f f fAFf 可推导

22、出引入负反馈后可推导出引入负反馈后 的截止频率、通频带的截止频率、通频带 fLfH FA 1lg20 fLffHf 蔡竟业 二、自激振荡产生的原因及条件 1. 现象：输入信号为：输入信号为0 0时，输出有一定幅值、一时，输出有一定幅值、一 定频率的信号，称电路产生了自激振荡。定频率的信号，称电路产生了自激振荡。 负反馈放大电路自激振荡的频率在低频段或高频段。负反馈放大电路自激振荡的频率在低频段或高频段。 低频干低频干 扰或产扰或产 生了轻生了轻 微低频微低频 振荡振荡 高频干高频干 扰或产扰或产 生了轻生了轻 微高频微高频 振荡振荡 实验波实验波 形形 蔡竟业 o ifo XXXX 在电扰动下

23、，如合闸通电，必含有频率为在电扰动下，如合闸通电，必含有频率为f0的信号，对于的信号，对于f = f0 的信号，产生的信号，产生 正反馈过程正反馈过程 输出量逐渐增大，直至达到动态平衡，电路产生了输出量逐渐增大，直至达到动态平衡，电路产生了自激振荡自激振荡。 2. 原因 fi i XXX 在低频段或高频段，若存在在低频段或高频段，若存在一个频率一个频率f0， 且当且当 f f0 时时附加相移为附加相移为，则则 蔡竟业 ooi 0XXX 维持时， oo XFAX 1FA 3. 自激振荡的条件 1FA )( ) 12( 1 FA 为整数nn FA 由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的过程，

24、起振条件为由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的过程，起振条件为 幅值平衡条件幅值平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 蔡竟业 三、负反馈放大电路稳定性的分析 附加相移由放大电路决定附加相移由放大电路决定; 振荡只可能产生在高频段。振荡只可能产生在高频段。 090 A Af ，时， 设反馈网络为电阻网络，放大电路为直接耦合形式。设反馈网络为电阻网络，放大电路为直接耦合形式。 因没有满足相位条件的频率，故引入负反馈后不可能振荡。因没有满足相位条件的频率，故引入负反馈后不可能振荡。 0180 A Af ，时， 因没有满足幅值条件的频率，故引入负反馈后不可能振荡。因没有满足幅值条件的频率，故引入

25、负反馈后不可能振荡。 0270 A Af ，时， 对于产生对于产生180附加相移的信号频率，有可能满足起振条件，故引入负反馈后可能附加相移的信号频率，有可能满足起振条件，故引入负反馈后可能 振荡。振荡。 对于单管放大电路对于单管放大电路: 对于两级放大电路对于两级放大电路: 对于三级放大电路对于三级放大电路: 蔡竟业 什么样的放大电路引入负反馈后容易产生 自激振荡？ 三级或三级以上放大电路引入负反馈后有可能三级或三级以上放大电路引入负反馈后有可能 产生高频振荡；同理，耦合电容、旁路电容等为三产生高频振荡；同理，耦合电容、旁路电容等为三 个或三个以上的放大电路，引入负反馈后有可能产个或三个以上的

26、放大电路，引入负反馈后有可能产 生低频振荡。生低频振荡。 放大电路的级数越多，耦合电容、旁路电放大电路的级数越多，耦合电容、旁路电 容越多，引入的负反馈越深，产生自激振荡容越多，引入的负反馈越深，产生自激振荡 的可能性越大。的可能性越大。 环路放大倍数环路放大倍数AF越大，越容易满足起振条件，闭越大，越容易满足起振条件，闭 环后越容易产生自激振荡。环后越容易产生自激振荡。 蔡竟业 四、负反馈放大电路稳定性的判断 已知环路增益的频率特性来判断闭环后电路的稳定性。已知环路增益的频率特性来判断闭环后电路的稳定性。 使环路增益下降到使环路增益下降到0dB的频率，记作的频率，记作fc； 使使AF(2n1

27、) 的频率，记作的频率，记作f0。 fc f0 fc f0 蔡竟业 稳定性的判断 fc f0 满足起满足起 振条件振条件 电路不稳定电路不稳定 电路稳定电路稳定 f0 fc，电路不稳定，可能会产生自激振荡；，电路不稳定，可能会产生自激振荡； f0 fc，电，电 路稳定，不会产生自激振荡。路稳定，不会产生自激振荡。 fc f0 Gm 幅值裕幅值裕 度度 m 相位裕度相位裕度 电路稳定电路稳定 当当Gm10dB且且m45，才具有可靠的，才具有可靠的 稳定性。稳定性。 不满足不满足 起振条件起振条件 蔡竟业 五、消除自激振荡的方法 1. 简单滞后补偿 )j(1)j(1)j(1 H3H2H1 mm f f f f f f FA FA 常用的方法为滞后补偿方法。常用的方法为滞后补偿方法。 设放大电路为直接耦合方式，反馈网络为电阻网络。设放大电路为直接耦合方式，反馈网络为电阻网络。 20dB/十倍频 40dB/十倍频 60dB/十倍频 fH1fH2fH3 f