第五章放大电路的频率响应

1、5.1 5.1 简单简单RCRC低通和高通电路的频率响应低通和高通电路的频率响应5.2 5.2 三极管放大电路的频率响应三极管放大电路的频率响应 5.3 5.3 负反馈放大电路的自激和频率负反馈放大电路的自激和频率补偿补偿 在放大电路中，由于电抗元件（如电容、电感线圈等）在放大电路中，由于电抗元件（如电容、电感线圈等）及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率过低或过高及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率过低或过高时，不但时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移后的相移。这说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数。这说明放大倍数是信号

2、频率的函数，这种函数关系称为关系称为频率响应频率响应或频率特性。或频率特性。5.1 5.1 简单简单RCRC低通和高通电路的频率响应低通和高通电路的频率响应若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益可表达为放大电路的电压增益可表达为)j(U)j(U)j(AiOu)()(AAuu或式中式中为信号的角频率，为信号的角频率，A Au u（）表示电压增益的表示电压增益的模与角频率之间的关系，称为模与角频率之间的关系，称为幅频响应幅频响应；（）表示放大电路输出与输入电压信号的相位差与角频表示放大电路输出与输入电压信号的相位差与角频率之间的关系，

3、称为率之间的关系，称为相频响应相频响应。1kHz100MHz20Hz波特图波特图 波特图由对数幅频特性和对数的相频特性两部分波特图由对数幅频特性和对数的相频特性两部分组成。横轴用组成。横轴用，纵轴，纵轴 与与 。flgvAlg20 信号的频率范围常常在几赫到上百兆赫，放大倍信号的频率范围常常在几赫到上百兆赫，放大倍数从几倍到上百万倍，为了在同一个坐标系中表示数从几倍到上百万倍，为了在同一个坐标系中表示如此宽的变化范围，在画频率特性曲线时常采用对如此宽的变化范围，在画频率特性曲线时常采用对数坐标，称为数坐标，称为波特图波特图。 画波特图时，常采用折线化画法，称为近似折线画波特图时，常采用折线化画

4、法，称为近似折线的波特图，以截止频率为拐点，由两段直线近似曲的波特图，以截止频率为拐点，由两段直线近似曲线。线。幅频响应幅频响应 在输入信号幅值保持不变条件下，增益下降在输入信号幅值保持不变条件下，增益下降3 3dBdB的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一半，通常称为半，通常称为半功率点。半功率点。中频区中频区 高低两个高低两个半功率点间半功率点间的频率差定的频率差定义为放大电义为放大电路的路的带宽。带宽。LHbWfff上限截止频率上限截止频率下限截止频率下限截止频率研究方法研究方法：研究频率特性时，三极管的低：研究频率特性时，三极管的低频小

5、信号等效模型已经不适用，而要采用频小信号等效模型已经不适用，而要采用高高频小信号模型频小信号模型。 在放大电路中由于耦合电容的存在，对信号构成在放大电路中由于耦合电容的存在，对信号构成高通电路高通电路。由于半导体器件的极间电容的存在，对。由于半导体器件的极间电容的存在，对信号构成信号构成低通电路低通电路。回路的时间常数回路的时间常数=R1C1，令令H=1/则则11212CRfHH111111111ouiUj CAUj RCRj C111()1()ouiHHUAfUjjf用幅值和相角表示，则用幅值和相角表示，则)ff(arctgH111()1()ouiHHUAfUjjf211 ()uHAfff

6、0.1fH时时1uA 0f = fH时时12uA 45f 10fH 时时HufAf 90用分贝表示，则用分贝表示，则20lg|Au|=0dB 这是一条与横轴平行的零分贝线。这是一条与横轴平行的零分贝线。用分贝表示，则用分贝表示，则20lgAu=20lg|fH/f|(dB)这是一条斜线，其斜率为这是一条斜线，其斜率为-20dB/十倍十倍频频。它与零分贝线相交于。它与零分贝线相交于f=fH处。处。用分贝表示，则用分贝表示，则20lg|Au|=-3dB该点是放大电路的该点是放大电路的半功率点半功率点，称为低，称为低通电路的通电路的上限频率上限频率。211()uHAff)ff(arctgH f fH

7、H称称转折频率转折频率，它也，它也是放大电路的上限频率。是放大电路的上限频率。 由于由于f f/ /f fH H=0.1=0.1或或f f/ /f fH H=10=10时，相应的可近时，相应的可近似得似得=0=0o o和和=-90=-90o o，当频率为当频率为fhfh时，相位滞时，相位滞后后4545o o故在故在0.10.1f fH H和和1010f fH H称之间称之间可用一条斜率为可用一条斜率为-45-45o o/ /十十倍频倍频的直线来表示。的直线来表示。波特图波特图 回路的时间常数回路的时间常数=R2C2，令令L=1/则则22212CRfLL222221111ouiURAURj Cj

8、 R C111()1()ouLLiUAfUjjf用幅值和相角表示，则用幅值和相角表示，则)ff(arctgL111()1()ouLLiUAfUjjf211 ()uLAff)ff(arctgLf 0.1fL时时uLfAf 90用分贝表示，则用分贝表示，则20lgAu=20lg|f/fL |(dB)这是一条斜线，其斜率为这是一条斜线，其斜率为20dB/十倍频十倍频。它与零分贝线相交于它与零分贝线相交于f=fL处。处。f = fL时时12uA 45用分贝表示，则用分贝表示，则20lg|Au|=-3dB该点是放大电路的该点是放大电路的半功率点半功率点，称为高通，称为高通电路的电路的下限频率下限频率。f

9、 10fL 时时1uA 0用分贝表示，则用分贝表示，则20lg|Au|=0dB 这是一条与横轴平行的零分贝线。这是一条与横轴平行的零分贝线。211 ()uLAff f fL L称称转折频率转折频率，它也是放大电路的它也是放大电路的下限频率下限频率。波特图波特图 rc和和re分别为集电区和分别为集电区和发射区体电阻，它们的值比发射区体电阻，它们的值比较小，常常忽略不计。所以较小，常常忽略不计。所以ebebcbcbrrrrebebcbcbCCCC5.25.2三极管放大电路的频率响应三极管放大电路的频率响应基区体电阻基区体电阻 约在约在50 300之之间。间。bbr发射结电阻发射结电阻 约为几十欧，

10、约为几十欧，在共射极接法中大约几千欧。在共射极接法中大约几千欧。ebr发射结电容发射结电容 约为几十约为几十几几百皮法。百皮法。ebC集电结电容集电结电容 约在约在210pF范围范围内。内。cbC集电结电阻集电结电阻 约为约为100K10M 之间之间 。cbrCbcCbe 由于结电容的影响，由于结电容的影响， 和和 不能保证正比关系，因而不能保证正比关系，因而用用 表示受控电流源。表示受控电流源。bIcIebmUg 电流源电阻电流源电阻rce很大，约为很大，约为100K。CbcCbe000(1)EQcbmTb eb eb eTEIIIgUUUrUI00(1)(1)Tb eeEQUrrI2mb

11、eTgCff fT T是特征频是特征频率率，从手册，从手册中可以查到。中可以查到。三极管的频率参数三极管的频率参数12()b eb cb efrCC2mTb egfC1 共发射极截止频率共发射极截止频率2 特征频率特征频率3 共基极截止频率共基极截止频率0(1)ff电流放大倍数下降到电流放大倍数下降到0.7070电流放大倍数下降到电流放大倍数下降到1(/)omb ecLUg URR ()b ebeib ebbb eb eb eUrUrrUrr(/)(/)ssibbebesbbesbeUUURrrRRrRr()()ooiUSmsisb emLbebeSbeb emLSbeUUUAUUUrg Rr

12、rRrrg RRr耦合电容短路耦合电容短路,三极管结电容断开三极管结电容断开 对高频信号，耦合电容可认为短路，则高频等效对高频信号，耦合电容可认为短路，则高频等效电路简化：电路简化：(1)MmCb cCg RC电容电容CM称为称为密勒电容密勒电容ebMebMCCCCC/ /()b eb bsRrrRb essbesrUUrR 输入回路构成低通电路输入回路构成低通电路)(11HUSmUSHffjAARCfH21设1sb eUUj RComb eLUg UR 11()1oob esb eUSmUSHmLsb esssbeUUUUrAAg RUUUUj RCRrj RC CRC 对低频信号，两个结电

13、容可认为开路，对低频信号，两个结电容可认为开路，则低频等效电路简化为：则低频等效电路简化为：C输入回路输入回路构成高通构成高通电路电路ffjAALUSmUSL11则12 ()LsbefRrC)1)(1 (1)1)(1 (HLUSmHLLUSmUSffjffjAffjffjffjAA)(11HUSmUSffjAA1、在中频（、在中频（ ）HLfffUSmUSAA2、在低频（、在低频（ ）Lff ffjAALUSmUS113、在高频（、在高频（ ）Hff全频段的频率响应为全频段的频率响应为:某放大电路中的对数幅频特性如图题所示。（某放大电路中的对数幅频特性如图题所示。（1 1）试求该）试求该电路的

14、中频电压增益，上限频率，下限频率；（电路的中频电压增益，上限频率，下限频率；（2 2）当输）当输入信号的频率入信号的频率 或或 时，该电路实际的电压增时，该电路实际的电压增益是多少分贝？（益是多少分贝？（3 3）写出该电路的电压增益的表达式。）写出该电路的电压增益的表达式。 Lff Hff dBAUM60MHzHzfH100108HzfL100dBdBAAUMU573)101)(1001 (1000)101)(1001 (100100088fjfjfjfjfjAU 将中频电压增益与通频带相乘所得到的乘积称为将中频电压增益与通频带相乘所得到的乘积称为增益带宽积增益带宽积。或用直接耦合方式CfLU

15、SmmebebHAgCCfHLHbWffff共射极放大电路在室温下运行，其共射极放大电路在室温下运行，其参数为：参数为：RS=1K，C1=C2=4.7FpFCMHzfrVVobbbBE55 . 0501007 . 0试估算电路的截止频率试估算电路的截止频率f fH H。ARVVIbBECCB38mAIIBC9 . 1VRIVVCCCCCE4 . 4684)1 (BTETebIVIVrpFCCobcb5mSVIgTEm1 .73pFCfgCcbTmeb4612MHzffT25pFCRgCcbLmM736)1 (sssbeebsVVRrrV38. 0422)/(bsbbebRRrrRMHzRCfH

16、31. 021pFCCCebM1202多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应对于多级放大电路对于多级放大电路nAAAAu2u1uu其幅频特性为其幅频特性为|lg20|lg20|lg20|lg20u2u1unuAAAA相频特性为相频特性为nAAAAu2u1uu画多级放大电路的波特图，只要将各单级放大电路的画多级放大电路的波特图，只要将各单级放大电路的幅频特性波特图相幅频特性波特图相叠加叠加，相频特性波特图相叠加即可，相频特性波特图相叠加即可对于多级放大电路的上限频率和下限频率对于多级放大电路的上限频率和下限频率上限频率近似公式上限频率近似公式222211111 . 11HnHHHffff下

17、限频率近似公式下限频率近似公式222211 . 1LnLLLffff当某级的上限频率比其他各级小的多时（一般在当某级的上限频率比其他各级小的多时（一般在5倍倍以上以上），总的上限频率近似等于该级的上限频率。），总的上限频率近似等于该级的上限频率。当某级的下限频率比其他各级大的多时（一般在当某级的下限频率比其他各级大的多时（一般在5倍以倍以上），总的下限频率近似等于该级的下限频率。上），总的下限频率近似等于该级的下限频率。例：已知单级例：已知单级共发射极放大电路的幅频特性如图所示，共发射极放大电路的幅频特性如图所示，（1）求放大电路的中频电压放大倍数、下限频率和）求放大电路的中频电压放大倍数、下

18、限频率和上限频率。（上限频率。（2）画出相频特性波特图）画出相频特性波特图2u| 2010mAdBHzfL100HzfH5102 画低频段波特图，：当频率小于画低频段波特图，：当频率小于L时，波特图为时，波特图为=-=-180 +90= - -90的水平线，图中的的水平线，图中的AB段。频率在段。频率在0.1L到到L时，波特图为斜率为时，波特图为斜率为-45/十倍频的斜线。十倍频的斜线。3 画高频段波特图，：当频率大于画高频段波特图，：当频率大于 H时，波特图为时，波特图为=-=-180 - - 90 =- -270 的水平线，图中的的水平线，图中的EF段。频率在段。频率在0.1H到到H时，波

19、特图为斜率为时，波特图为斜率为-45/十倍频的斜线。十倍频的斜线。1 在中频区，由于单级共射放大电路的倒相作用，所以在中频区，由于单级共射放大电路的倒相作用，所以中频段放大倍数的相位为中频段放大倍数的相位为- -180，首先画出中频段的，首先画出中频段的相频特性：从相频特性：从L到到0.1 H，= -= -180 ，图中的，图中的CD段。段。例：在两级放大电路中，已知第一级的中频电压放大倍数例：在两级放大电路中，已知第一级的中频电压放大倍数Au1= - -100、下限频率、下限频率L1=10Hz，上限频率，上限频率H1=20kHz；第；第二级的中频电压放大倍数二级的中频电压放大倍数 Au2=

20、- -10 、下限频率、下限频率L2=100Hz，上限频率上限频率H2=150kHz；（；（1）求放大电路的总的中频电压）求放大电路的总的中频电压放大倍数。（放大倍数。（2）写出电压放大倍数表达式。（）写出电压放大倍数表达式。（3）画出幅）画出幅频特性、相频特性波特图。频特性、相频特性波特图。解解（1 1）放大电路的总的中频电压放大倍数为：放大电路的总的中频电压放大倍数为：3u21uu10AAA（2 2）放大电路的电压放大倍数表达式为：放大电路的电压放大倍数表达式为：ffjffjffjffjALLHH21213u111110根据表达式根据表达式（2 2）画出幅频特性）画出幅频特性画出单级画出单

21、级的幅频特的幅频特性，再叠性，再叠加加ffjffjffjffjALLHH21213u11111010100 1k10k 102k2040lgf /Hz|A|lgu2010320k60fH H1 1fH H2 2fL1 1fL2 2第第1 1级放大电路级放大电路第第2 2级放大电路级放大电路总的放大电路总的放大电路先画出单级的相频特性，再叠加先画出单级的相频特性，再叠加画出相频特性画出相频特性101001k10k 102klgf /Hz103fL1fH120kfH2fL2+90o-90o180o150kffjffjffjffjALLHH21213u111110几点结论：几点结论：1.1.放大电路

22、的耦合电容是引起低频响放大电路的耦合电容是引起低频响应的主要原因，下限截止频率主要由应的主要原因，下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定；低频时间常数中较小的一个决定；2.2.三极管的结电容和分布电容是引起三极管的结电容和分布电容是引起放大电路高频响应的主要原因，上限放大电路高频响应的主要原因，上限截止频率由高频时间常数中较大的一截止频率由高频时间常数中较大的一个决定；个决定；)ffj)(ffj)(ffj(AALLHsms21uu1115.3 负反馈放大电路的自激与频率补偿负反馈放大电路的自激与频率补偿对于多级放大电路，如果引入过深的负反馈，对于多级放大电路，如果引入过深的负反馈，可能

23、引起自激振荡。可能引起自激振荡。5.3.1产生自激振荡原因产生自激振荡原因放大电路的闭环增益为：放大电路的闭环增益为：FAAA 1f自激振荡的幅度条件和相位条件自激振荡的幅度条件和相位条件01 FA， fA当当 时说明，此时放大电路没有输入信时说明，此时放大电路没有输入信号，但仍有一定的输出信号，因此产生了自激振荡。号，但仍有一定的输出信号，因此产生了自激振荡。所以，所以，负反馈放大电路产生自激振荡负反馈放大电路产生自激振荡的条件是：的条件是：1 FA幅度条件幅度条件0| 180af相位条件相位条件)FA(1 刚起振时刚起振时1AF 注意注意:单级放大电路不会产生自激振荡；两级放单级放大电路不

24、会产生自激振荡；两级放大电路当频率趋于无穷大或趋于零时，才满足大电路当频率趋于无穷大或趋于零时，才满足相位条件，所以也不会产生自激振荡；但相位条件，所以也不会产生自激振荡；但三级三级放大电路放大电路，在深度负反馈条件下，对于，在深度负反馈条件下，对于某个频某个频率率的信号，既满足相位条件，也满足幅度条件，的信号，既满足相位条件，也满足幅度条件，可以产生可以产生自激振荡自激振荡。5.3.2 自激振荡的判断方法自激振荡的判断方法利用负反馈放大电路回路增益的波特图，利用负反馈放大电路回路增益的波特图，分析是否同时满足自激振荡的幅度和相位条件。分析是否同时满足自激振荡的幅度和相位条件。FA例：例：某负

25、反馈放大电路的波特图为：某负反馈放大电路的波特图为：FAf / HZf / HZfofo60dB/lg20FA402000-90-180 AF由波特图中的相频特性由波特图中的相频特性可见，当可见，当 f = f0 时，相位时，相位移移 AF = -180，满足相位满足相位条件；条件；1 FA结论：结论：当当 f = f0 时，电路同时满足自激振荡的相位条件和时，电路同时满足自激振荡的相位条件和幅度条件，将产生自激振荡。幅度条件，将产生自激振荡。此频率对应的对数幅频此频率对应的对数幅频特性位于横坐标轴之上，特性位于横坐标轴之上，即：即：(a)产生自激产生自激结论：结论：该负反馈放大电路不会产生自激振荡，能够稳定工该负反馈放大电路不会产生自激振荡，能够稳定工作。作。1 FA例：例：由负反馈放大电路由负反馈放大电路 的的波特图可见，当波特图可见，当 f = f0 ，相，相位移位移 AF = -180 时。时。FAf / HZf / HZf0f060dB/lg20FA4020OO-90-180 AFfcfc(b)不产生自激不产生自激Gm三、负反馈放大电路的稳定裕度三、负反馈放大电路的稳定裕度当环境温度、电路参数及电源电压等在一定范围内变当环境温度、电路参数及