第5章 放大器频率响应

1、第第5章章 放大器的频率响应放大器的频率响应授课与课件执笔授课与课件执笔 刘布民刘布民2008年年9月月刘布民刘布民一、放大器频率响应的概念及描述一、放大器频率响应的概念及描述 1.掌握产生频率响应的原因；掌握产生频率响应的原因； 2.理解理解 放大器频率特性函数，掌握放大器频率特性函数，掌握fL、fH、BW的的 定义；定义； 3.理解幅频特性和相频特性函数；理解幅频特性和相频特性函数； 4.了解频率失真（幅频失真、相频失真）及其与非了解频率失真（幅频失真、相频失真）及其与非线性失真的区别；线性失真的区别； 5.了解对数频率特性曲线了解对数频率特性曲线波特图的概念。理解放波特图的概念。理解放大

2、器的增益函数、零、极点。大器的增益函数、零、极点。二、掌握放大器的低、高频截止频率的估算二、掌握放大器的低、高频截止频率的估算 1.用短路时间常数法估算用短路时间常数法估算 fL ； 2.用开路时间常数法估算用开路时间常数法估算 fH。刘布民刘布民5.1 频率响应基本概念频率响应基本概念 放大器的频率响应是输出信号（如输出电压）放大器的频率响应是输出信号（如输出电压）随输入信号变化的响应，这种响应通常指输出信随输入信号变化的响应，这种响应通常指输出信号振幅和它相对于输入信号的相移随输入信号频号振幅和它相对于输入信号的相移随输入信号频率的变化。率的变化。 放大器的频率响应实质就是放大器对正弦输放

3、大器的频率响应实质就是放大器对正弦输入信号的稳态响应，用入信号的稳态响应，用 表示。表示。 jA刘布民刘布民一、产生频率响应的原因一、产生频率响应的原因 放大电路存在耦合电容、旁路电（大放大电路存在耦合电容、旁路电（大电容）和发射结电容、集电结电容（小电电容）和发射结电容、集电结电容（小电容），容抗与频率有关，故输出电压的大容），容抗与频率有关，故输出电压的大小与频率有关。小与频率有关。刘布民刘布民二、放大电路的频率响应特性二、放大电路的频率响应特性1. 1. 放大电路的低频段频率响应放大电路的低频段频率响应 在在CECE电路中耦合电容电路中耦合电容C1C1，C2C2一般取值为几一般取值为几十

4、十 ，频率较高时容，频率较高时容抗抗Xc较小，交流通路较小，交流通路可以视为短路可以视为短路 。 但是当频率较低但是当频率较低时时XcXc对电路的频率响对电路的频率响应造成影响。应造成影响。F刘布民刘布民,11ciovfvvvAC 电路频率较低时，电路频率较低时，交流通路的耦合电容交流通路的耦合电容及旁路电容不能视为及旁路电容不能视为短路。短路。 输入电压不变时，输入电压不变时，随着工作频率的降低，随着工作频率的降低，会造成输出电压的减会造成输出电压的减少，电路放大倍数减少，电路放大倍数减小。小。刘布民刘布民2.2.放大电路的高频段频率响应放大电路的高频段频率响应 由于由于BJT存在存在PN结

5、间电容，其容量很结间电容，其容量很小，频率低的时候不小，频率低的时候不起作用。但当频率高起作用。但当频率高时，会造成放大器输时，会造成放大器输入端趋于短路。使放入端趋于短路。使放大增益大大降低。大增益大大降低。刘布民刘布民3. 放大电路的中频段频率响应放大电路的中频段频率响应 放大器工作在中放大器工作在中频段，耦合电容和旁频段，耦合电容和旁路电容（大电容）对路电容（大电容）对交流信号短路，而结交流信号短路，而结间电容（小电容）对间电容（小电容）对交流信号开路。因此交流信号开路。因此在中频段放大器的小在中频段放大器的小信号模型实际是一个信号模型实际是一个阻型网络，因此其增阻型网络，因此其增益是与

6、频率无关的常益是与频率无关的常数。数。刘布民刘布民5.2 频率响应指标和频率失真频率响应指标和频率失真 一、中频电压增益一、中频电压增益 CE电路：电路：刘布民刘布民berVMLRA AXXjAio ioXX二、放大器频率特性函数的数学描述二、放大器频率特性函数的数学描述 表示输出信号和输入信号振表示输出信号和输入信号振幅之比，它反映了增益的幅度与频率之幅之比，它反映了增益的幅度与频率之间的关系，称为增益的幅频特性。间的关系，称为增益的幅频特性。 表示输出信号和输入信号相表示输出信号和输入信号相位差，它反映了增益的相位与频率之间位差，它反映了增益的相位与频率之间的关系，称为增益的相频特性。的关

7、系，称为增益的相频特性。jA 刘布民刘布民三三.放大器频率特性函数放大器频率特性函数下限截止频率：下限截止频率：Lf上限截止频率：上限截止频率：Hf通频带：通频带：BW刘布民刘布民 工程上规定：当信号频率降低或升高到使工程上规定：当信号频率降低或升高到使得增益得增益 下降到中频段增益的下降到中频段增益的 倍或倍或0.707倍时所对应的频率，分别称为低端截止倍时所对应的频率，分别称为低端截止频率频率 和高端截止频率和高端截止频率 。 在在 和和 之间的频率范围（中频区，增之间的频率范围（中频区，增益和频率无关）成为放大器的通频带用益和频率无关）成为放大器的通频带用 表表示，即通频带示，即通频带

8、。 在直接耦合放大器中，由于电路没有在直接耦合放大器中，由于电路没有“大大电容电容”，故其频率特性的低频截止频率，故其频率特性的低频截止频率 0，故其通频带故其通频带 。jA21LfHfLfBWHfBWHfLfLfBWHf刘布民刘布民四四. 放大器的频率失真放大器的频率失真 信号可以分解为许多不同频率的正弦信号可以分解为许多不同频率的正弦分量，因此，应将放大器的任意输入信号分量，因此，应将放大器的任意输入信号看成时具有一定频带的信号。看成时具有一定频带的信号。 如果放大器对输入信号不同频率分量如果放大器对输入信号不同频率分量的增益不同，输出波形就会畸变，这种输的增益不同，输出波形就会畸变，这种

9、输出失真叫幅频失真。出失真叫幅频失真。 如果放大器对输入信号不同频率分量如果放大器对输入信号不同频率分量的相移不同，输出波形也就会畸变，这种的相移不同，输出波形也就会畸变，这种输出失真叫相频失真。输出失真叫相频失真。 刘布民刘布民 幅频失真和相频失真统称为频率失真；幅频失真和相频失真统称为频率失真；频率失真是线性失真。频率失真是线性失真。频率失真（线性失真）：频率失真（线性失真）：幅频失真幅频失真相频失真相频失真刘布民刘布民 线性失真（频率失真）和非线性失真（削波线性失真（频率失真）和非线性失真（削波失真）区别失真）区别 ： 1. 频率失真是输入信号的频带超过放大器的频率失真是输入信号的频带超

10、过放大器的通频带所产生的失真；非线性失真是输出超过晶通频带所产生的失真；非线性失真是输出超过晶体管放大区所产生的失真。体管放大区所产生的失真。 2. 频率失真时，输出波形中不会出现输入信频率失真时，输出波形中不会出现输入信号中所没有的新的频率分量；非线性失真时，输号中所没有的新的频率分量；非线性失真时，输入波形中一定出现输入信号中没有的新的频率分入波形中一定出现输入信号中没有的新的频率分量。量。刘布民刘布民5.3 放大器的频率响应放大器的频率响应一一.放大器的增益函数放大器的增益函数njjmiiPjZjKjA11极点极点零点零点 分子有理多项式的根分子有理多项式的根 （i = 1m）使得）使得

11、0，因此称，因此称 为零点。为零点。 分母有理多项式的根分母有理多项式的根 （j= 1n）使得）使得为无穷大，因此称为无穷大，因此称 为为极点。极点。iZjAjPiZjAjP刘布民刘布民二二. 放大器的增益函数的特点放大器的增益函数的特点 1. 物理可实现放大器增益函数物理可实现放大器增益函数 的零点的零点数数m必然小于或等于极点数必然小于或等于极点数n； 2. 放大器是稳定系统，增益函数放大器是稳定系统，增益函数 的所的所有极点都位于有极点都位于s平面的左半平面；平面的左半平面； 3. 增益函数增益函数 的极点数目等于电路中独的极点数目等于电路中独立电抗的数目。立电抗的数目。 sA sA刘布

12、民刘布民三、放大器频率响应两种分析方法三、放大器频率响应两种分析方法1、增益函数法；、增益函数法；2、时间常数法、时间常数法1. 低通滤波器低通滤波器（LPF） 结构结构 1增益函数法增益函数法 - - 电路频率响应分析方法电路频率响应分析方法（一）（一）刘布民刘布民 5.1 1111 RCjCjRCjVVjwvAio 5.3 1111HHvffjjA jAv增增益益函函数数 2，则，则令令回路的时间常数回路的时间常数 1 , HRC 5.2 21212RCfHH 式式得得式式代代入入将将1 . 52 . 5刘布民刘布民 频频率率响响应应 3幅频特性：幅频特性： 5.4 1122 HvffA为

13、上限截止频率为上限截止频率时：时：当当HvHfAff ,21111 幅幅频频特特性性波波特特图图 4 1lg20lg20212 HvffA分贝表达式：分贝表达式：刘布民刘布民 5.3 1111HHvffjjA :频率分析频率分析 0.04dB0.011lg01dB 10 vHHAf f ff时时且且当当3dBlg201dB vHAff时时当当dB02lg1020dB 10 vHHAffff时时且且当当作图：作图：线线性性坐坐标标；纵纵坐坐标标 对对数数坐坐标标；横横坐坐标标 刘布民刘布民 1lg20lg20212 HvffA 相相频频特特性性波波特特图图 5 5.3 1111HHvffjjA

14、5.5 1HHffarctgffarctg 建立相频特性方程式：建立相频特性方程式：:频率分析频率分析71. 5101 10 arctgf fffHH且且当当451 arctgffH时时当当 -84.310 10 arctgffffHH时时且且当当刘布民刘布民作图：作图：线线性性坐坐标标；纵纵坐坐标标 对对数数坐坐标标；横横坐坐标标 主主导导原原因因分分析析 6在在高高频频段段。截截止止频频率率极极间间电电容容的的存存在在导导致致。晶晶体体三三极极管管的的结结电电容容和和Hf 刘布民刘布民刘布民刘布民时间常数法时间常数法 - 电路频率响应分析方法电路频率响应分析方法（二）（二）1、时间常数法目

15、的：完成放大器的低、高截止频率的估算、时间常数法目的：完成放大器的低、高截止频率的估算1用短路时间常数法估算低频截止频率用短路时间常数法估算低频截止频率 fL【1】增益函数存在主极点的多极点工程修正式】增益函数存在主极点的多极点工程修正式 : nsssjjjsLjjjsLjjjsjjsLCRfCRfCR1112121121121刘布民刘布民 称称为为多多极极点点。大大于于两两个个以以上上的的极极点点，【2】增益函数不存在主极点的多极点工程修正式增益函数不存在主极点的多极点工程修正式 : 215.111215.11115.1 jjjsLjjjsLjjjsjjsLCRfCRfCR【3】增益函数单极

16、点计算公式增益函数单极点计算公式 : :SL11 刘布民刘布民2用开路时间常数法估算高频截止频率用开路时间常数法估算高频截止频率 f H jjjOHjjjOjjOHCRfCR215. 11115. 1【1】 增益函数多极点、单级增益函数多极点、单级CE放大器或单级放大器或单级FET 的的 CS放大器放大器 fH 计算式计算式 : : jjjOHCRf 21【2】 增益函数多极点工程修正式增益函数多极点工程修正式 :情情况况下下。常常用用于于无无法法判判断断主主极极点点刘布民刘布民【3】增益函数单极点条件下计算公式增益函数单极点条件下计算公式 :111211 HHfP刘布民刘布民例例2. 单级单

17、级CE 放大器如下图所示，试估算出该放大器低频源电放大器如下图所示，试估算出该放大器低频源电 压增益的低频截止压增益的低频截止 频率。频率。LfCE 放大器电路图放大器电路图解题方法及其步骤：解题方法及其步骤：低频交流通路图低频交流通路图（2）绘制低频交流通路图）绘制低频交流通路图（1）绘制直流通路图）绘制直流通路图略略刘布民刘布民Lf（3）绘制低频微变等效模型图绘制低频微变等效模型图。低频微变等效模型图低频微变等效模型图（4）确定独立电容数目）确定独立电容数目= 3。独立电容是：独立电容是：C1、C2、CE（5）用短路法求短路时间常数）用短路法求短路时间常数（6）求下限截止频率）求下限截止频

18、率 fL 。11.152jjsjLRCf短路法：仅保留一个独立电容，短路法：仅保留一个独立电容， 其它电容被短路。其它电容被短路。jsjsj= R C解：解：（1）绘制直流通路图）绘制直流通路图略略（2）绘制低频交流通路图）绘制低频交流通路图略略刘布民刘布民（3）绘制低频微变等效模型图。）绘制低频微变等效模型图。（4）确定独立电容数目）确定独立电容数目= 3。独立电容是：独立电容是：C1、C2、CE（5）求时间常数求时间常数js 求求1S绘制微变等效模型绘制微变等效模型低频微变等效模型图低频微变等效模型图刘布民刘布民刘布民刘布民1S1S1= R C 求求2SoR刘布民刘布民CceFbesFoR

19、rRrRRRRR 21LCSCCoRRRRRR 2 ; LCSSRRCRC 2222刘布民刘布民 求求3S3S3SE= R C 1beBSorRRR EFoSRRRR 3 5 .766 1ebBSbborRRrR sCReboo 0765. 0101005 .7661211 LCtebBSbbmttebBSbbtttoRRirRRrgiirRRrvivR 2 又又 LCebBSbbmebBSbboRRrRRrgrRRrR 1 2 LComoRRRgR111 k834.291015 .76512004415 .7653 sCRcbOo 029834. 010110834.2912322 Zjjj

20、oHkHCRf07.861029834. 00765. 028. 6215. 1215. 1 共基极放大器的频率响应分析共基极放大器的频率响应分析1、CB 放大器电路结构图放大器电路结构图2、CB 直流通路图直流通路图 EBBBBONBECCBBBBRRRRRVVRRRI 12121211 BEII 1 刘布民刘布民 ETbbebbbbeIVrrrr 1; ebmrg CACCEAceIVIVVr cecbrr 3、求下限截止频率发、求下限截止频率发 f L - 1CB 低频段交流通路图低频段交流通路图21BBBRRR 刘布民刘布民刘布民刘布民2判定独立电容数判定独立电容数 ： 3个。个。短路

21、时间常数有三个。短路时间常数有三个。3求时间常数求时间常数1s1s; 11 beESSrRRR 11111beESSsrRRCRC刘布民刘布民4求时间常数求时间常数2s2s beESbebecebeebmbeESorRRvvrrrgrRRR 1 1 beEScebeebmbeESrRRrrrgrRR 1 1 刘布民刘布民 beEScebeebmbeESorRRrrrgrRRR 1 1 beESbeceebmcebeESrRRrrrgrrRR beESbeceebmcerRRrrrgr ; 2LCoSRRRR CoLSsRRRCRC2222 刘布民刘布民5求时间常数求时间常数BsBs刘布民刘布民

22、: 影响的等效电路影响的等效电路忽略忽略cer ； 1ESbeBSRRrR ;BBSBSRRR ; 1ESbeBBBSBBSBBSRRrCRRCRC 刘布民刘布民6求下限截止频率求下限截止频率 fL BsssjjjSLCRf 1111214、求上限截止频率发、求上限截止频率发 f H1CB 高频段交流通路图高频段交流通路图刘布民刘布民刘布民刘布民2判定独立电容数判定独立电容数 ： 2个。个。开路时间常数有开路时间常数有2 2个。个。刘布民刘布民3求开路时间常数求开路时间常数bebeo o刘布民刘布民; 1mEStmtESeSbgRRvgvRRR mESebeobgRRC1刘布民刘布民4求开路时间常数求开路时间常数bcbco o; 1mebbeESESLCebEScObgrrRRRRRRrRRR ; 1mebebESESLCebEScbcObcbcObgrrRRRRRRrRRCRC 刘布民刘布民5求上限截止频率求上限截止频率 fH cObeObjjjOHCRf2121 四