青岛科技大学数电陈爽版第5章放大电路的频率效应

1、模 拟 电 子 技 术5.1 频率响应概述频率响应概述 5.2 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型5.3* 场效应管的高频等效模型场效应管的高频等效模型5.4 单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应5.5 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应5.6* 集成运放的频率响应和频率补偿集成运放的频率响应和频率补偿5.7* 频率响应与阶跃响应频率响应与阶跃响应第五章第五章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应模 拟 电 子 技 术 本章本章主要讲述主要讲述:频率响应的基本概念、晶体管频率响应的基本概念、晶体管的高频等效模型、放大电路频率响应的分析方法的高频等效模型、放大电路频率响应

2、的分析方法等。等。重点掌握重点掌握:频率响应的基本概念和单管放大电频率响应的基本概念和单管放大电路的频率响应的分析方法，并能画出波特图路的频率响应的分析方法，并能画出波特图；了解：了解：多级放大电路的频率响应及其与各级多级放大电路的频率响应及其与各级电路频率响应之间的关系，了解集成运放的频率电路频率响应之间的关系，了解集成运放的频率响应和相位补偿方法。响应和相位补偿方法。Home内容简介模 拟 电 子 技 术5.1 频率响应概述频率响应概述5.1.1 5.1.1 研究放大电路频率响应的必要性研究放大电路频率响应的必要性频率特性：频率特性： 在放大电路中，由于电抗元件在放大电路中，由于电抗元件(

3、如电容、电感线如电容、电感线圈等圈等)及晶体管极间电容的存在，当输入信号的频率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，不但过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小放大倍数的数值会变小，而且，而且还将还将产生超前或滞后的相移产生超前或滞后的相移。说明放大倍数是信号。说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特频率响应或频率特性。性。)()( ffAAuu Au( f ) 幅频特性幅频特性 ( f ) 相频特性相频特性模 拟 电 子 技 术一、高通电路一、高通电路RCCRRUUAu 1/j11 j/1 io 令令则则RCoUiU5.1.2

4、5.1.2 频率响应的基本概念频率响应的基本概念无源单极无源单极RC电路的频率特性电路的频率特性角频率角频率时间常数时间常数=RC 1 RCLRCfLL 1 (5.1.1)LLLLuffjffjjffjA (5.1.3)模 拟 电 子 技 术Lff/ arctan-90 )f/f(f/fALLu(5.1.4a)LLuffjffjA1(5.1.4b)幅频特性幅频特性相频特性相频特性将将uA用其幅值及相角表示用其幅值及相角表示OuO,|A| 11. 当当 f fL的时候的时候2. 当当 f = fL的时候的时候Ou,.|A|45707021 3. 当当 f fL的时候的时候Luff|A|每十倍频程

5、每十倍频程|Au|下降十倍下降十倍， 趋于趋于900下限截止频率下限截止频率模 拟 电 子 技 术图图5.1.1 高通电路及频率响应高通电路及频率响应幅频特性曲线幅频特性曲线相频特性式曲线相频特性式曲线fL相角超前相角超前Y1Y2.uoui模 拟 电 子 技 术二二、RC 低通电路低通电路RCoUiU j11 j/1j/1 ioRCCRCUUAu H j11ff 令令 H = 1/RC则则 fH = 1/2 RC(5.1.7)模 拟 电 子 技 术 )/(11 2H ffAu H arctan f/f 滞后滞后 90 0 H ；时时，uAff 0 1 , 0 ；时时uAf H1 0.707 4

6、52uffA 时，；fO|Au |10.707O45 90 fHf幅频特性幅频特性相频特性相频特性(5.1.8a)(5.1.8b)模 拟 电 子 技 术频率愈高频率愈高，衰减愈大，衰减愈大，相移愈大相移愈大；当信号频率当信号频率f fL时，时，UoUi 。fL 称为下限截止频率，简称称为下限截止频率，简称下限频率下限频率;fL频率下，频率下，Au 70.7， =+450。RC高通电路高通电路：结论结论RCoUiURCoUiU模 拟 电 子 技 术5.1.3 波特图波特图 输入信号输入信号(即加在放大电路输入端的测试信号即加在放大电路输入端的测试信号)的的频率范围常常设置在频率范围常常设置在几赫

7、到上百兆赫几赫到上百兆赫；放大电路的放大倍数可从放大电路的放大倍数可从几倍到上百万倍几倍到上百万倍；为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围，在画为了在同一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数坐标，称为频率特性曲线时常采用对数坐标，称为波特图波特图。在研究放大电路的频率响应时在研究放大电路的频率响应时:模 拟 电 子 技 术将放大倍数的乘除运算转换成加减运算。将放大倍数的乘除运算转换成加减运算。uA 波特图波特图对数幅频特性对数幅频特性对数相频特性对数相频特性横轴采用对数刻度横轴采用对数刻度 ：lg f纵轴：纵轴：20lg分贝分贝 (dB)纵轴仍用纵轴仍用 表示表示模 拟

8、电 子 技 术f 与与 lg f 的对应关系的对应关系f (Hz)1101001K10K100K1M100101102103104105106lg f01234560101102103104105106f (Hz)横轴用频率的对数值（横轴用频率的对数值（lg f ）划分，用频率值标注。）划分，用频率值标注。f (Hz)12345678910lg f00.3010.4770.6020.6990.7780.8450.9030.9541模 拟 电 子 技 术波特图的幅值用波特图的幅值用20lg 分划，用分贝（分划，用分贝（dB）标注，）标注，相位仍用相位仍用 表示。表示。uA20lguA有时用有时用

9、LA表示。表示。为了书写方便，为了书写方便，20lguA0102030dB分贝与倍数的对应关系分贝与倍数的对应关系dB0102030405060708090100倍数倍数13.1610131.61023161033162104316201052010dBuA uAlgdB 继续继续模 拟 电 子 技 术高通电路的对数幅频特性：高通电路的对数幅频特性：21LLuffffA21202020LLufflgfflgAlg由：由：可得：可得：RCoUiURCfL 模 拟 电 子 技 术020|A|lgu1. 当当 f fL的时候的时候2. 当当 f = fL的时候的时候dBlglg|A|lgu32102

10、202021202020LLufflgfflgAlg1Lff（ lg 2 0.301）分析：分析：模 拟 电 子 技 术3. 当当 f fL时时,LLuflgflgfflg|A|lg2020202012Lff21202020LLufflgfflgAlg=0图像是一条斜率图像是一条斜率为为 ( ( 20dB十倍十倍频频 ) ) 的直线。的直线。模 拟 电 子 技 术低通电路的对数幅频特性：低通电路的对数幅频特性：211HuffA212020HufflgAlg由由可得：可得：RCoUiURCfH 模 拟 电 子 技 术0200|A|lg,ffuL1. 当当 f fH的时候的时候flgflgfflg

11、|A|lgHHu20202020212020HufflgAlg分析：分析：模 拟 电 子 技 术折线化的波特图折线化的波特图高通电路高通电路低通电路低通电路450十倍频十倍频450十倍频十倍频模 拟 电 子 技 术5.2 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型从晶体管的从晶体管的物理结构物理结构出发，考虑出发，考虑发射结发射结和和集电集电结结电容的影响电容的影响，得到在高频信号作用下的物理模型，得到在高频信号作用下的物理模型，称为称为混合混合模型模型。晶体管的晶体管的混合混合模型模型与第二章所介绍的与第二章所介绍的H参数参数等效模型等效模型在低频信号作用下具有一致性。在低频信号作用下具有一致

12、性。可用可用H参数来计算混合参数来计算混合模型中的某些参数，模型中的某些参数，模 拟 电 子 技 术5.2.1 晶体管的混合晶体管的混合模型模型一、完整的混合一、完整的混合模型模型跨导跨导与频率无关。与频率无关。成线性关系，成线性关系，与与becUI模 拟 电 子 技 术二、简化的混合二、简化的混合模型模型Ccee bCXUUIe bceUUK令令e bceUKU即即将将C单向化，单向化，C C等效为等效为C流过流过的电流为的电流为可得：可得：UCE跨接在输入和输出回路之跨接在输入和输出回路之间，处理困难。间，处理困难。中频时为负值中频时为负值模 拟 电 子 技 术 Ce bCcee bCXU

13、KXUUI1e bceUUK 其中：其中：模 拟 电 子 技 术由图中可以看出，由图中可以看出，CIC中流过的电流仍为中流过的电流仍为 ，CI两端的电压为两端的电压为e bUe bU研究研究C C和和为保证变换的等效性，为保证变换的等效性，不能改变电路原来的工作参数。不能改变电路原来的工作参数。模 拟 电 子 技 术的电抗为：的电抗为：C KXXUKUIUXCCe be bCe bC KCjCj 111 KK 又又 C)K(C)K(C 11b-e间的总电容间的总电容: C)K(CC （5.2.2）（5.2.1）（5.2.3） C.KKC 1 同同理理：Lme bLe bme bceRgURUg

14、UUK 其中：其中：模 拟 电 子 技 术图图5.2.2 混合混合模型的简化模型的简化模 拟 电 子 技 术三、混合三、混合模型的主要参数模型的主要参数boe bmcIUgI EQTebIUr)( 1（5.2.5）（5.2.4）e boe bbboe bbomrrIIUIg TEQe bomUIrg 低通电路低通电路模 拟 电 子 技 术Ib信号幅值不变、信号幅值不变、频率升高时，晶体管结频率升高时，晶体管结电容电容 的容抗变小，的容抗变小，必然使必然使 Ube5.2.2 晶体管电流放大倍数晶体管电流放大倍数 的频率响应的频率响应me bCgUI C CbcII 又又 也是频率的函数。也是频率

15、的函数。图图5.2.3 的分析的分析模 拟 电 子 技 术的频率特性的频率特性 Cr eb0 j1 )CCC(Crf eb 21 共射截止频率：共射截止频率：(5.2.7) ffj1 0 (5.2.8)模 拟 电 子 技 术的对数频率特性的对数频率特性 ffj1 0 (5.2.9a)(5.2.9b)201202020 fflglglg ff arctan 模 拟 电 子 技 术图图5.2.4 的波特图的波特图 fT为为 0dB频率频率 ff T 当：当： ff T (5.2.8)模 拟 电 子 技 术5.4 单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应图图5.4.1 单管共射放大电路及其等效电

16、路单管共射放大电路及其等效电路模 拟 电 子 技 术中频段中频段低频段低频段高频段高频段中频中频低频低频高频高频输入信号频率范围输入信号频率范围极间电容极间电容视为视为开路开路耦合电容耦合电容不考虑不考虑电容电容的影响的影响(或旁路电容或旁路电容)视为视为短路短路主要考虑主要考虑耦合电容耦合电容(或旁路电容或旁路电容)的影响的影响极间电容极间电容视为视为开路开路耦合电容耦合电容(或旁路电容或旁路电容)仍视为仍视为短路短路主要考虑主要考虑极间电容极间电容的影响的影响模 拟 电 子 技 术一、中频电压放大倍数一、中频电压放大倍数当信号频率可以使电容器容抗被忽略时，称其为当信号频率可以使电容器容抗被

17、忽略时，称其为中频频率中频频率段段。这时，。这时，串联电容器的容抗足够小串联电容器的容抗足够小，并联电容器的容抗并联电容器的容抗足够大足够大，在电路中可以忽略。，在电路中可以忽略。Ri图图5.4.2 单管共射放大电路的中频等效电路单管共射放大电路的中频等效电路模 拟 电 子 技 术bebbebbebirRrRrRR/RieboiebsisousmUU.UU.UUUUA )Rg.(rr.RRRLmbeebisi （5.4.1）)R/RR(LcL 其中：其中：isisiRRRUUbeebebbbebiebrrrrrUU模 拟 电 子 技 术e bmrg0 见见P216（5.2.5）代入式（代入式（

18、5.4.2），可得：），可得：becisiusmrRRRRA 0 bee bbee bmbee br)r(rr)g(rr00 与以前学过的相同与以前学过的相同见见P99式（式（2.3.14）和（和（2.3.17）当不带负载时（当不带负载时（RL开路）开路）)Rg(rrRRRUUACmbee bisiSOusm （5.4.2）模 拟 电 子 技 术二、低频电压放大倍数二、低频电压放大倍数当当低频低频电压信号作用时，电压信号作用时，耦合电容和旁路电容起作用。耦合电容和旁路电容起作用。图图5.4.3 单管共射放大电路的低频等效电路单管共射放大电路的低频等效电路要考虑了要考虑了输出电容输出电容C的作用

19、。的作用。OUUO为空载输出电压。为空载输出电压。模 拟 电 子 技 术低频电压放大倍数低频电压放大倍数:分子、分母同除以分子、分母同除以jc并移项得并移项得)RR(CjRRR)RR(Cj)RR(CjCRjUULcLcLLcLcLoO 11oososouslUU.UUUUA Cj)RR(RUULcLoo 1 模 拟 电 子 技 术代入上式代入上式)Rg(rrRRRUUACmbee bisiSOusm （5.4.2）)RR(Cj)RR(Cj).Rg(rrRRRALcLcLmbee bisiusl 1定义：定义：)(LcLRRCf 21LLusmuslffjffjAA （5.4.3）模 拟 电 子

20、 技 术单管共射电路低频段的幅频特性和相频特性表达式单管共射电路低频段的幅频特性和相频特性表达式基本相移基本相移：输入与输出反相所产生的相移（单管为：输入与输出反相所产生的相移（单管为 -180o ）附加相移附加相移：由电路或器件中的电抗产生的相移，与频率有关。：由电路或器件中的电抗产生的相移，与频率有关。LLffarctan)ffarctan( LLsmslff1fflg|A|lg|A|lg 模 拟 电 子 技 术三、高频电压放大倍数三、高频电压放大倍数考虑高频信号作用时，考虑高频信号作用时，C的影响，可得等效电路如下的影响，可得等效电路如下图图5.4.4 单管共射放大电路的高频等效电路单管

21、共射放大电路的高频等效电路模 拟 电 子 技 术（5.4.9a）HusmushffjAA 11（5.4.8）定义：定义： CRfH 21（5.4.9b）Hffarctan Hsmshff1lg|A|lg|A|lg 模 拟 电 子 技 术四、波特图四、波特图（5.4.10）1、完整的单管共射放大电路的频率特性、完整的单管共射放大电路的频率特性综合前面的单管共射放大电路频率特性的综合前面的单管共射放大电路频率特性的中频段中频段 、低频段、低频段和高频段和高频段放大倍数表达式，得到完整的电压放大倍数放大倍数表达式，得到完整的电压放大倍数。 HLLusmusffjffjffjAA模 拟 电 子 技 术

22、2、单管共射放大电路的波特图、单管共射放大电路的波特图模 拟 电 子 技 术由上图可看出，画单管共射放大电路的频率特性由上图可看出，画单管共射放大电路的频率特性时，关键在于算出时，关键在于算出下限下限和和上限截止频率上限截止频率fL和和 fH 下限截止频率下限截止频率取决于低频时取决于低频时输入输出输入输出耦合电容耦合电容C回路的时间常数回路的时间常数 ，L RCL H CRH 上限截止频率上限截止频率取决于高频时极间电容取决于高频时极间电容C输入输入回路的时间常数回路的时间常数 ；HHf21 LLf 模 拟 电 子 技 术 ，则可以方便的画出放大电路的频率特性图。则可以方便的画出放大电路的频

23、率特性图。H L 对数幅频特性对数幅频特性：在在 fL到到 fH之间，之间， 是一条是一条水平直线水平直线； 在在ffH时，是一条时，是一条斜率为斜率为-20Db/十倍频程十倍频程的直线。的直线。模 拟 电 子 技 术在在 时，时， ； 在在 时，时， ； HLfff1 . 010 180 Lff1 . 0 90 在在 时，时， ；Hff10 270 450十倍频十倍频模 拟 电 子 技 术在画波特图时，用折线代替实际的曲线是有一在画波特图时，用折线代替实际的曲线是有一定误差的。定误差的。最大误差出现在最大误差出现在线段转折处：线段转折处： 对数幅频特性的对数幅频特性的最大误差为最大误差为3d

24、B， 相频特性的相频特性的最大误差为最大误差为5.71。模 拟 电 子 技 术例题例题5.4.11234ABCD4321DCBA0Protel International P/LL3, 12a Rodborough RdFrenchs ForestNSWAustralia 2086021-Oct-200512:18:47D:lxf.共射放大电路1.SchTitleSize:Number:Date:File:Revision:SheetofTime:A4RsRs1KRbRb3KRcRc5KRLRL5KC2C25uFT1T1A AViVccVcc+15VVoVoVoVs已知已知:rbb =100,=100,=100,f f=0.5MH,Cob=5pF=0.5MH,Cob=5pF估算估算: :电路的截止频率电路的截止频率f fH H和和f fL L解：解：（1 1）求）求Q Q点点（2 2）求混合）求混合参数参数模 拟 电 子 技 术5.4.3 放大电路频率响应的改善和增益带宽放大电路频率响应的改善和增益带宽积积一、频率响应的改善一、频率响应的改善1. 为为改善放大电路的低频特性改善放大电路的低频特性，需加大耦合电容及，需加大耦合电容及其回路电阻，以增大回路时间常数。其回路电阻，以增大回路时间常数。如果需要很低的下限频率，应如果需要很低的下限频率，应采用直接耦