模拟电路第5章放大电路的频率特性

1、模 拟 电 子 技 术5.1概述概述5.2 放大电路的高频小信号模型放大电路的高频小信号模型5.3 单管共射放大电路的频率特性单管共射放大电路的频率特性5.4 放大电路的增益带宽积放大电路的增益带宽积5.5 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性模 拟 电 子 技 术5.1.2 放大电路频率特性的研究方法放大电路频率特性的研究方法5.1.3 单时间常数单时间常数RC电路的频率特性电路的频率特性5.1.1 放大电路频率特性的基本概念放大电路频率特性的基本概念模 拟 电 子 技 术5.1.1 放大电路频率特性的基本概念放大电路频率特性的基本概念RsUs+-Uo+-模 拟 电 子 技 术 fO

2、Aum1.1.频率特性频率特性)()( ffAAuu Au( f ) 幅频特性幅频特性 ( f ) 相相频特性频特性0.707AumfOAuf L 下限下限截止截止频率频率 f H 上限截止频率上限截止频率 2. 频带宽度频带宽度( (带宽带宽) )BW( (Band Width) )BW = f H - - f L f HfLfH模 拟 电 子 技 术3频率失真频率失真幅频失真幅频失真:通频带不够宽，而输入信号的频谱分通频带不够宽，而输入信号的频谱分布又很广，那么输入信号的不同频率布又很广，那么输入信号的不同频率成分，就会得不到同倍数的放大，成分，就会得不到同倍数的放大，输出波形就会产生失真

3、输出波形就会产生失真 放大倍数模的不同所造成的失真放大倍数模的不同所造成的失真. 相频失真相频失真 :附加相移不同而造成的失真附加相移不同而造成的失真 两种失真总称两种失真总称频率失真频率失真 电路中由于线性的电抗元件，电路中由于线性的电抗元件， 引起的频率失真引起的频率失真 ，叫做叫做线性失真线性失真。 模 拟 电 子 技 术 4.波特图波特图 （1）用分贝（）用分贝（dB）表示放大倍数）表示放大倍数 （2）波特图）波特图 画频率特性曲线时，为了缩短坐标，扩大视野，简化分析，画频率特性曲线时，为了缩短坐标，扩大视野，简化分析，代表频率的横坐标采用代表频率的横坐标采用对数刻度对数刻度。此时，每

4、一个。此时，每一个十十 倍频率范围倍频率范围在横坐标轴上所占的长度是相等的；用在横坐标轴上所占的长度是相等的；用分贝分贝 表示放大倍数和用角度表示相位的纵坐标采用线性分度。表示放大倍数和用角度表示相位的纵坐标采用线性分度。 |lg20uAAL（dB） 模 拟 电 子 技 术5.1.2 5.1.2 放大电路频率特性的研究方法放大电路频率特性的研究方法1.1.三个频段的划分三个频段的划分（1).1).中频区中频区( (段段) )特点特点:Aus:Aus与与f f无关无关 与与f无关无关原因原因: :不考虑电路中不考虑电路中电容的影响电容的影响（2).2).低频区低频区( (段段) )模 拟 电 子

5、 技 术特点特点:Aus:Aus与与f f有关有关(f(f下降下降AusAus也下降也下降, , 与频率有关与频率有关)原因原因: :由于由于C1C1和和C2C2的存在的存在在频率比较低时在频率比较低时电容所产生的容抗不可电容所产生的容抗不可忽略忽略, ,使输出电压下降使输出电压下降. .所以所以AusAus下降下降模 拟 电 子 技 术（3).3).高频区高频区( (段段) )特点特点:Aus:Aus与与f f有关有关(f(f增大增大AusAus下降下降, , 与与f有关有关)原因原因: :由晶体管的极间由晶体管的极间电容的存在电容的存在, ,分布电容分布电容的存在引起的存在引起模 拟 电

6、子 技 术2.2.研究方法研究方法 分频区用等效电路法分析计算分频区用等效电路法分析计算（1 1）中频区前边已经讲过用）中频区前边已经讲过用H H参数微变等效参数微变等效电电 路分析计算路分析计算（2 2）. .低频区用中频区的等效电路并把低频区用中频区的等效电路并把C1C1和和C2C2的影响考虑进去的影响考虑进去, ,画出等效电路画出等效电路, ,进行分析计算进行分析计算（3 3）. .高频区晶体管的高频区晶体管的H H参数模型不能采用参数模型不能采用, ,因为没有考虑晶体管的极间电容的作用因为没有考虑晶体管的极间电容的作用. .所以所以首先介绍晶体管的高频小信号模型首先介绍晶体管的高频小信

7、号模型. .模 拟 电 子 技 术5.1.3 单时间常数单时间常数RC电路的频率特性电路的频率特性1RC低通电路低通电路RCjCjRCjUUA1111iouRCf212HHHHu1111ffjjA模 拟 电 子 技 术-)arctan()(11H2HuffffA-)arctan()(1lg20lg20H2HuffffA模 拟 电 子 技 术2RC高通电路高通电路RCjRCjCjRRUUA11iouRCf212LLffjffjffjjjALLLLLu1111-模 拟 电 子 技 术-)arctan()(1lg20lg20L2LuffffA模 拟 电 子 技 术3.时间常数的估算时间常数的估算(1

8、)单个电容多个电阻单个电容多个电阻CRRRRRC)/(2134(2)单个电阻多个电容单个电阻多个电容)(21CCRRC模 拟 电 子 技 术(3)多个电阻多个电容多个电阻多个电容)(/(2121CCRRRC模 拟 电 子 技 术5.2 晶体管的高频物理模型晶体管的高频物理模型 -混合混合等效电路等效电路5.2.15.2.1混合混合等效电路的引出等效电路的引出用晶体管物理模型引出用晶体管物理模型引出NNP基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 集电区集电区base发射极发射极 E模 拟 电 子 技 术B EBCrbb rb erb cCb cCb e模 拟 电 子 技 术

9、r bb -基区电阻几欧基区电阻几欧几百欧几百欧r b e-发射极电阻与工作点发射极电阻与工作点Q有关有关r b c-集电极电阻集电极电阻 一般在几兆以一般在几兆以上上,可以看作无穷大可以看作无穷大r c和和re可以忽略不计可以忽略不计Cb c-集电结电容集电结电容 可以用可以用C 来来表示表示Cb e-发射结电容可以用发射结电容可以用C 来表示来表示r ce-输出电阻一般在几百输出电阻一般在几百K以上以上,可以看作可以看作模 拟 电 子 技 术gmUb e-发射结电压控制集电结电流发射结电压控制集电结电流gm-跨导跨导 5.2.25.2.2混合混合参数和参数和H参数的关系参数的关系ebcmu

10、igebcmuig模 拟 电 子 技 术2626(1)bebbb eb eEQCQbbbeb errrrIIrrr-/bm bembebeb beIgUgrUIr模 拟 电 子 技 术5.2.35.2.3混合混合等效电路的简化等效电路的简化1/(2)mLmTCCK CKg RCgf其中模 拟 电 子 技 术5.2.4 三极管电流放大系数的频率响应三极管电流放大系数的频率响应 = 0.707 0f 共发射极截止共发射极截止频率频率fT 特征频率特征频率 = 1)(21 Cbebeb CCrf fCCgf0cbebmT )(2 同样可求得：同样可求得：)(21 cbebe CCrf f)1 (0

11、可见：可见： fff T f f o0.707 o1fTO)1)1(ebebmebebebmbcCECrjrgCjrUUgIIU模 拟 电 子 技 术5.3 单管共射放大电路的频率特性单管共射放大电路的频率特性 1.1.画出全频段的微变等效电路画出全频段的微变等效电路模 拟 电 子 技 术2.2.中频区的频率响应中频区的频率响应 f ffH ffL(1). (1). 微变等效电路微变等效电路 C1C1看作短路看作短路 C C看作开路看作开路 (2). (2). 写出写出A Ausmusm的表达式的表达式 iebbbebebUrrrU)/(LCebmoRRUgU-ebbbebLCmioum)/(

12、rrrRRgUUA-模 拟 电 子 技 术(3).(3).写出表达式的模和相位写出表达式的模和相位3.3.高频区的频率响应高频区的频率响应 f ffH(1). (1). 微变等效电路微变等效电路 C1C1看作短路看作短路-180)/(lg20lg20ebbbebLCmumrrrRRgA模 拟 电 子 技 术(2). (2). 写出表达式写出表达式 )/(LCebmoRRUgU-ebbbebLCmiouh1/)1/)(/(CjrrCjrRRgUUA-)1/(1/ebbbebebiCjrrCjrUU模 拟 电 子 技 术ebbbebbbebbbebLCm11)/(rrrrCjrrrRRg-=)/(

13、1ebbbumrrCjA-=ebbbH)/(21Crrf模 拟 电 子 技 术(3).(3).写出表达式的模和相位写出表达式的模和相位HumuH1ffjAA-)(180)(1lg10|lg20|lg20H2HumuhffarctgffAA模 拟 电 子 技 术4.4.低频区的频率响应低频区的频率响应 f ffL(1). (1). 微变等效电路微变等效电路 C看作开路看作开路 (2). (2). 写出表达式写出表达式 模 拟 电 子 技 术1ebbbB1i1)/(CrrRCR2LC2)(CRR 2LCL21ebbbBL1)(21)/(21CRRfCrrRf模 拟 电 子 技 术o2LCLo1UC

14、jRRRUebebebbbiUrrrU2LCebbbebLCmioul)(111)/(CRRjrrrRRgUUA-ffjAALumul1-模 拟 电 子 技 术(3).写出表达式的模和相位写出表达式的模和相位-)(180)(1lg10|lg20|lg20L2LumuHffarctgffAA模 拟 电 子 技 术5.5.波特图的画法波特图的画法(1).(1).坐标轴的选择坐标轴的选择1).1).幅频响应幅频响应 纵轴用分贝纵轴用分贝 横轴用对数表示的频率横轴用对数表示的频率2).2).相频响应相频响应 纵轴用度纵轴用度 横轴用对数表示的频率横轴用对数表示的频率(2).(2).中频区的画法中频区的

15、画法设设: : (3).(3).高频区的画法高频区的画法(4).(4).低频区的画法低频区的画法100LfHZ610HfHZ100usmA180 -模 拟 电 子 技 术将前面画出的单管共射放大电路频率特性的中频段 、低频段和高频段画在同一张图上就得到了如图所示的的频率特性（波特）图 。 共射电路完整波特图实际上，同时也可得出单管共射电路完整的电压放大倍数表达式， 即(5).(5).完整的单管共射电路频率响应完整的单管共射电路频率响应模 拟 电 子 技 术)1)(1 (HLumuffjffjAA-模 拟 电 子 技 术，H 由上图可看出，画单管共射 放大电路的频率特性时，关键在于算出下限和上限

16、截止频率LfHf和下限截止频率取决于低频时输入回路的时间数 ，由图可知： ，其中， 而同样，上限截止频率取决于高频时输入回路的 时间常数 ；由图可知： ，L 1CRRisL ebbbBirrRR CRH 模 拟 电 子 技 术其中 ，则可以方便的画出放大电路的频率特性图。HHf21 H L 对数幅频特性对数幅频特性：在 到 之间，是一条水平直线；在 时，是一条斜率为+20Db/十倍频程的直线；在 时，是一LfHfusmusAAlg20lg20 Lff Hff 模 拟 电 子 技 术条斜率为+20Db/十倍频程的直线；在 时，是一条斜率为-20Db/十倍频程的直线。放大电路的通频带 。Hff L

17、HBWfff- - 在 时， ； 在 时， ； HLfff1 . 010 180- - Lff1 . 0 90- - 在 时， ；Hff10 270- - 模 拟 电 子 技 术而在f从 到 以及从 到 的范围内，相频特性都是斜率为 十倍频程的直线。 /45- -前面已经指出在画波特图时，用折线代替实际的曲线是有一定误差的。对数幅频特性的最大误差为3dB，相频特性的最大误差为 ，都出现在线段转折处。 71. 5 模 拟 电 子 技 术如果同时考虑耦合电容 和 ，则可分别求出对应于输入回路和输出回路的两个下限截止频率1C2C 1121CRRfiSL 2221CRRfLCL 这时，放大电路的低频响

18、应，应具有两个转折频率。如果二者之间的比值在45倍以上，则可取较大的值作为放大电路的下限频率。 模 拟 电 子 技 术否则，应该可以用其他方法处理。此时，波特图的画法要复杂一些。 如果放大电路中，晶体管的射极上接有射极电阻 和旁路电容 ，而且 的电容量不够大，则在低频时不能被看作短路。因而，由 又可以决定一个下限截止频率。需要指出的是，由于 在射极电路里，射极电流 是基极电流 ERECECECECeI模 拟 电 子 技 术bI的 1倍，它的大小对放大倍数的影响较大，因此 往往是决定低频响应的主要因素。EC模 拟 电 子 技 术5.4 放大电路的增益带宽积放大电路的增益带宽积5.4.1对放大电路

19、频率响应的要求对放大电路频率响应的要求 只有在通频带的范围内只有在通频带的范围内,放大电路的电压放大倍数放大电路的电压放大倍数才有不变的幅值和相位，才能对不同频率的信号进行才有不变的幅值和相位，才能对不同频率的信号进行同样的放大。否则就要产生频率失真。同样的放大。否则就要产生频率失真。 频率失真又分为：频率失真又分为：“幅值失真幅值失真”和和“相位失真相位失真”频率响应的要求是频率响应的要求是： 放大电路的放大电路的 要低于输入信号中的最低要低于输入信号中的最低频率分量频率分量 要高于输入信号中的最高频率分量要高于输入信号中的最高频率分量LfHf模 拟 电 子 技 术5.4.2 对放大电路频率

20、响应的改善对放大电路频率响应的改善1.减小减小 改善改善 低频响应低频响应 方法：加大方法：加大C1、C2和和Ce 或采用直接耦合或采用直接耦合Lf2.增大增大 改善改善 高频响应高频响应 方法：方法： 减小减小 C 、 C 或采用高频管或采用高频管Hf3.引入负反馈引入负反馈 5.4.3 放大电路的增益带宽积放大电路的增益带宽积ebbbebbbebLmHum)/(21|CrrrrrRgfAGBP模 拟 电 子 技 术12usmHsbbAfRrC1(2LmbbLmCRgCrRgLm)1 (CRgCCLm)1 (CRgC1LmRgbb21CrGBP模 拟 电 子 技 术结论 当管子和信号源选定后

21、，放大电路的增益带宽积就是一个常数。如果同频带扩大几倍，则电压放大倍数就减小同样的倍数 为了即使同频带宽又要要求电压放大倍数高， 则应选 和 都很小的高频管 Cbbr模 拟 电 子 技 术一一、小信号频率参数小信号频率参数1. 开环带宽开环带宽BWBW = f H 5.4.4 集成运算放大器高频参数及其响集成运算放大器高频参数及其响f / Hz20lgAud (f ) /dBf HOf T0模 拟 电 子 技 术2. 单位增益带宽单位增益带宽 BWGBWG = f T运放闭环工作时，运放闭环工作时， 带宽带宽增益积增益积 = Aud f HfH 为开环增益下降为开环增益下降 3 dB 时的频率

22、时的频率通用型通用型集成运放带宽集成运放带宽较较窄窄( (几赫兹几赫兹) )f T 为开环增益下降至为开环增益下降至 0 dB( (即即Aud = 1) )时的频率时的频率带宽增益积带宽增益积 = 1 f T= f T = BWG= Aud f HBWG = Aud BWf = 0，使，使 Auf = 1，当，当 Auf 降为降为 0.707 时，此时的频率时，此时的频率 即为即为 fT。BWG = Auf BWf如如 741 型运放型运放: Aud = 104，BW = 7 Hz，Auf = 10，则则 BWf = 7 kHz模 拟 电 子 技 术二二、大信号频率参数大信号频率参数1. 转换

23、速率转换速率 SR输入输入输出输出maxoddtuSR A 741 为为 0.5 V/ s高速型高速型 SR 10 V/ s否则将引起输出波形失真否则将引起输出波形失真例如：例如：tUu sinomo om0ooddddmaxUtututt 则：则：须使：须使： SR 2 f Uom A741Uom= 10 V 最高不失真频率为最高不失真频率为 8 kHz模 拟 电 子 技 术2. 全功率带宽全功率带宽 BWP输出为最大峰值电压时不产生明显失真的输出为最大峰值电压时不产生明显失真的最高工作频率最高工作频率当当 BWG 2 MHz，BWP 20 kHz，SR 6 V/ s选高速宽带运放选高速宽带

24、运放模 拟 电 子 技 术5.5 多级放大电路的频率特性多级放大电路的频率特性 如果放大器由多级级联而成，那么，总增益)()()()()(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)(lg20)()()()()(121121121jjjjjAjAjAjAjAjAjAjAjAjAknkkunkunuuunkukunuuu 模 拟 电 子 技 术5.5.1 多级放大器的上限频率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 )(111)(1)(2222112211HnHHuIuHnuIHuIHuIukuIkukAjAjAjAjAjAjAjA 模 拟 电 子 技 术)ar

25、ctan()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)(22221 HnHHHHHuIHuAjA2Hn2H22H1H1111 . 11ffff模 拟 电 子 技 术5.5.2 多级放大器的下限频率多级放大器的下限频率fL 设单级放大器的低频增益为LnLLLnLLuInuIuIuLnuInLuILuIuLkuIkukjAAAjAjAjAjAjAjAjAarctanarctanarctan)()(1 )(1)(1 )(111)(1)(2122221112111 - -(569) (570) (571) (572) 模 拟 电 子 技 术 解得多级放大器的下限角频率近似式为122)(1 112122121- nLLnLLLnLLL若各级下限角频率相等，即L1=L2=Ln,则2Ln2L22L1L1 . 1ffff模 拟 电 子 技 术5.5.3 多级放大电路的通频带多级放大电路的通频带设某一两级放大电路是由两个相同的单级放大设某一两级放大电路是由两个相同的单级放大电路所组成电路所组成 模 拟 电 子 技 术第第 5章章 小小 结