华工模电chapter5

1、2010.1.30第五章 放大电路的频率响应5.1 频率响应概述5.2 晶体管的高频等效模型5.3 场效应管的高频等效模型5.4 单管放大电路的频率响应5.5 多级放大电路的频率响应2010.1.301. 研究的问题： 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。 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，使放大倍数为频率的函数。 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，应满足信号频率的范围要求。5.1 频率响应概述2010.1.30 fOAum2.2.幅频特性和相频特性)()( ffAAuu Au( f ) 幅频特性 ( f ) 相频

2、特性0.707AumfOAuf L 下限截止频率 f H 上限截止频率 3. 频带宽度( (带宽) )BW( (Band Width) )BW = f H - - f L f HfLfH5.1 频率响应概述2010.1.30一、RC 低通电路的频率特性4. 简单 RC 低通和高通电路的频率特性(1). 频率特性的描述RCoUiU j11 j/1j/1 ioRCCRCUUAu H j11ff 令 1/RC = H则 fH = 1/2 RC2010.1.30 )/(11 2H ffAu H arctan f/f- - 滞后 90 0 H - - ；时时，uAff 0 1 , 0 ；时时uAf -

3、- 45 0.707 21 H ；时时，uAfffO|Au |10.707O45 90 fHf幅频特性幅频特性相频特性相频特性2010.1.30(2). 频率特性的波特图f / fH020lg|Au |/dB20045 90 fH400.1 1 10 1000.1 1 10f / fH频率特性频率特性波特图波特图90 f0|Au |10.707045 fHf 3 dB 20 dB/十倍频十倍频 45 /十倍频十倍频H/ arctan ff- - )/(11 2 HuffA 2010.1.30二、RC 高通电路的频率特性RCCRRUUAu 1/j11 j/1 io ffL j11- - 令 1/

4、RC = L则 fL = 1/2 RC超前f/f arctan L )/(11 2L ffAu f 10 fL20lg|Au| = 0 dB 0 f = fL20lg|Au| = 20lg0.7071 = - -3 dB 45 f 0.1 fL20lg|Au| = - -20lg f / fH 90 RCoUiU2010.1.30例 5.1.1求已知一阶低通电路的上限截止频率。0.01 F1 k 1 k 1/1 k 0.01 FRCf 21HF01. 0k5 . 014. 321 kHz)(8 .31 例 5.1.2已知一阶高通电路的 fL = 300 Hz，求电容 C。500 C2 k Rf

5、CL21 2500Hz30014. 321F)(212. 0 戴维宁定理等效戴维宁定理等效2010.1.30一、单级阻容耦合放大器的中频和低频特性+VCCRCC1C2VRL+RB1RB2RSUS1. 中频特性C1、C2 可视为短路极间电容可视为开路s0sbeLs uuARrRA - - - - 180 2. 低频特性： 极间电容视为开路耦合电容 C1、C2 与电路中电阻串联容抗不能忽略5.2 晶体管的高频等效模型2010.1.30bISRSUberCRLR1C2CBRcIbI SUSRberCRLR1C2CbICRIb oIiUoU2Ls0s)/ (1 ffAAuu )/(arctan180

6、Lff - - ),(max L2 L1 Lfff : 频率降低频率降低, Aus 随之减小随之减小, 输出比输入电压输出比输入电压相位超前。相位超前。 )(211beS 1L；CrRf 2L L2)(21 CRRfC R B rbeffAAuu/j1 Ls0s- - 2010.1.30二、晶体管的高频等效电路 1. 1. 混合模型：形状像，参数量纲各不相同结构：由体电阻、结电阻、结电容组成。rbb：基区体电阻rbe：发射结电阻C：发射结电容re：发射区体电阻rbc：集电结电阻C：集电结电容rc：集电区体电阻因多子浓度高而阻值小因面积大而阻值小2010.1.30混合模型：忽略小电阻，考虑集电极

7、电流的受控关系 gm为跨导，它不随信号频率的变化而变。为什么引入参数gm？因在放大区iC几乎仅决定于iB而阻值大因在放大区承受反向电压而阻值大2010.1.30混合模型：忽略大电阻的分流 C连接了输入回路和输出回路，引入了反馈，信号传递有两个方向，使电路的分析复杂化。2010.1.30混合模型的单向化（即使信号单向传递）Lmebceeb)1 (RgkXUkXUUICCC-Lmeb 1RgXIUXCCCLm)1 (CRgC 1CkkC-同理可得，等效变换后电流不变2010.1.30晶体管简化的高频等效电路EQT0ebbb)1 (CCCIUrCr可从手册查得、TEQeb0mebbmebmb0 UI

8、rgrIgUgI？如何得到模型中的参数？为什么不考虑 C？2010.1.302. 电流放大倍数的频率响应CEbc UIILm 0CCCRgk-所以，因为)( 21j1 )( j1 eb0ebebebmCCrfffCCrUUg由于c、e之间的动态电压为零，短路！2010.1.30电流放大倍数的频率特性曲线-ffffff1200tg )(1j1 -90 0 -45 707. 02 0000，时，；时，；，时，；时，fffffffffo2010.1.30电流放大倍数的波特图: 采用对数坐标系71. 5， lg20 采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为 单位为“分贝” （dB），使得 “

9、 ” “ ” 。lg fdB32lg20注意折线化曲线的误差20dB/十倍频折线化近似画法2010.1.303. 晶体管的频率参数 1 0TTffff 时的频率为使)CC(rfffeb0 21 j1 。、)(obTCCfff共射截止频率共基截止频率特征频率集电结电容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； 截止频率与时间常数的关系； 波特图及其折线画法； C的求法。手册查得2010.1.30例题例题 解：解： 模型参数为设共射放大电路在室温下运行，其参数为：， 1ksR，pF5 . 000MHz41001mA100cbT0Cbb CfIr 。 k5cR 负载开路，Rb足够大忽

10、略不计。试计算它的低频电压增益和上限频率。 mgTVIEmV26mA1 S 038. 0 ebrm0g S 038. 0001 k 6 . 2 ebCcbTm2 - -CfgpF 8 .14 M1Ccbcm)1( CRgpF 7 .96 2010.1.30 SMVAcmRg- -ebbbseb rrRr51.133- - Ceb CM1C pF 5111. 低频电压增益为 R)(bbs rReb| r k 77. 0又因为所以上限频率为 HfRC21MHz 85. 1 dB/lg20SVA SMlg20VA51.133lg20- -dB 5 .42 2010.1.305.3 场效应管的高频等效

11、电路可与晶体管高频等效电流类比，简化、单向化变换。很大，可忽略其电流单向化变换极间电容极间电容CgsCgdCds数值数值/pF1101100.11dgLmgsgs)1 (CRgCC忽略d-s间等效电容2010.1.30适用于信号频率从0的交流等效电路中频段：C 短路， 开路。CC低频段：考虑C 的影响， 开路。高频段：考虑 的影响，C 开路。C5.4 单管放大电路的频率响应2010.1.301. 1. 中频电压放大倍数eboiebsisosmUUUUUUUUAu)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu-带负载时：)( cmbeebisismoRgrrRRRAu-空载时：2010.1.

12、302. 2. 低频电压放大倍数: :定性分析0U.ooU.oI.o。超前，时，当超前900 0 oooooooUUUfUU)(cmbeebisismoRgrrRRRAu-Au.Ui.Uoo.Uo.CRLsURs2010.1.302. 低频电压放大倍数：定量分析 j1LcLsmoooosoososlRCRRAUUUUUUAuuCRRARRRRRCRRAAuuu)(j11j1LcsmLcLcLcLsmosl)(cmbeebisismoRgrrRRRAu-)(21 )(j1LcLLsmslRRfffAAuuC所在回路的时间常数？Au.Ui.Uoo.Uo.CRLsURs2010.1.302. 低频电

13、压放大倍数：低频段频率响应分析-)arctan90(-180 )(11lg20lg20lg20L2LsmslffffAAuuCRRfffffAAuu)( 21 j1)j ( LcLLLsmsl-135 dB3lg20 sL，下降时，uAff)lg(20lg20 LsmsLffAAffuu时，。，时，-90 0 0suAfsmsLlg20lg20 uuAAff时，中频段20dB/十倍频2010.1.303. 高频电压放大倍数：定性分析0U.CIs.U.s。滞后，时，当，滞后)90(0 ss-UUUfUUCCC)(sbbbebbeebisiiebsissRRrrRrrRRRUUUUUU，Au.Uo

14、.RLsURbe2010.1.30)(sbbbebRRrrR3. 高频电压放大倍数：定量分析 )( 21 21 j1sbbbebHHsmsoshCRRrrRCfffAUUAuu)( j1 j1 LmbeebisiCosCsssoshRgCRCrrRRRUUUUUUUUAu-2010.1.303. 高频电压放大倍数：高频段频率响应分析 )( 21 j1sbbbebHHsmsoshCRRrrfffAUUAuu-225 dB3lg20 shH，下降时，uAff-H2Hmsharctan-180 )(1lg20lg20lg20ffffAAuu；下降倍，每增大时，dB20lg20 10 shHuAfff

15、。，时，-270 0 shuAf；时，smshHlg20lg20 uuAAff2010.1.304. 电压放大倍数的波特图 )j1)( j1 ()j1)(j1 ()j (HLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全频段放大倍数表达式：2010.1.305. 带宽增益积：定性分析fbw fH fL fH )( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCCHmbwm fAfAuu带宽增益积mLmHLmuARgfCRg)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu-矛盾 当提高增益时，带宽将变窄；反之，增益降低，带宽将变宽。2010.1.305. 带宽增益积：定量分析

16、)( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCC)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu-若rbeRb、 RsRb、 ，则可以证明图示电路的LmLm1CRgRg、sbbHm)(21CRrfAu说明决定于管子参数 对于大多数放大电路，增益提高，带宽都将变窄。 要想制作宽频带放大电路需用高频管，必要时需采用共基电路。约为常量根据2010.1.30 如果放大器由多级级联而成，那么，总增益)j ()j ()j ()j ()j (lg20)(lg20)j (lg20)j (lg20)j(lg20) j ()j()j()j()j(k1kk21u1ku2u1un1kukunu2u1u n

17、nunAjAAAAAAAAA5.5 多级放大电路的频率响应2010.1.30 1 多级放大器的上限频率fH 设单级放大器的增益表达式为)(1 )(1)(1 )j (j1j1j1)j (j1)j (2Hn22H2H1uIuHnuIn2H2uI1HuI1ukuIkuk AAAAAAAA2010.1.30)arctan()arctan()arctan()(21HnHHj - 式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|为多级放大器中频增益。令2)(1 )(1)(1 2)j (2HnH2H2H21HHuIHu AA2010.1.30 2 多级放大器的下限频率fL 设单级放大器的低频增益为LnL2

18、L12Ln2L22L1uInuI1uI1uLnuInL2uI1L1uI1LkuIkukarctanarctanarctan)j ()(1 )(1)(1 )j (j1j1j1)j (j1)j ( - -AAAAAAAAAAu2010.1.30 解得多级放大器的下限角频率近似式为122)(1 11L2LL12Ln2L12L1L- nLn若各级下限角频率相等，即L1=L2=Ln,则2010.1.303、多级放大电路的频率响应总结 ), 2 , 1( bbwHHLLnkffffffwkkknkknkkf.ff.f12HH12LL1111 11 对于N级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn

19、、 fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为fL、 fH，则nkknkukuAA11 lg20lg20由于求解使增益下降3dB的频率，经修正，可得1.1为修正系数2010.1.30讨论一：问题 1. 信号频率为0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？2010.1.30讨论一：时间常数分析所确定的截止频率。、分别考虑e21CCCC1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrRCC)RRRr(rb2b1sbbebC2、Ce短路， 开路，求出CC1、Ce短路， 开路，求出CC1、C2短路， 开路，求出CC1、 C2

20、、 Ce短路，求出2010.1.30讨论一：电压放大倍数分析1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrRCC)RRRr(rb2b1sbbeb)j(1)j(1)j(1)j(1jHL3L2L1L3L2L133mffffffffffffAAuu)2(1)2(1)2(1)2(1HeL32L21L1Cffff很小！2010.1.30讨论二1. 该放大电路为几级放大电路?2. 耦合方式?3. 在 f 104Hz 时，增益下降多少？附加相移？4. 在 f 105Hz 时，附加相移？5. 画出相频特性曲线；6. fH？?uA 已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论

21、下列问题：2010.1.30第第5 5章章 作业作业P254257：5.3、5.5、5.6、5.10、2010.1.30第 5 章 结束2010.1.30 )/(11 2H ffAu H arctan f/f- - 滞后 90 0 H - - ；时时，uAff 0 1 , 0 ；时时uAf - - 45 0.707 21 H ；时时，uAfffO|Au |10.707O45 90 fHf幅频特性幅频特性相频特性相频特性2010.1.30例 5.1.1求已知一阶低通电路的上限截止频率。0.01 F1 k 1 k 1/1 k 0.01 FRCf 21HF01. 0k5 . 014. 321 kHz)(8 .31 例 5.1.2已知一阶高通电路的 fL = 300 Hz，求电容 C。500 C2 k