放大电路基本分析及仿真方法---频率特性

1、University of Electronic Science and Technology of China模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组第二章第二章 基本放大电路基本放大电路2.1 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标放大的概念与放大电路的性能指标2.2 2.2 基本共射放大电路的工作原理基本共射放大电路的工作原理2.3 2.3 放大电路的分析方法放大电路的分析方法2.4 2.4 静态工作点的稳定静态工作点的稳定2.5 2.5 晶体管放大电路的三种接法晶体管放大电路的三种接法2.6 2.6 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路2.7 2.7 放大电路的频率响放大电路的频率响应

2、特性应特性2.7 2.7 放大电路的频率响应放大电路的频率响应2.7.1 2.7.1 频率响应的有关概念频率响应的有关概念2.7.2 2.7.2 晶体管的高频等效电路晶体管的高频等效电路2.7.3 2.7.3 放大电路的频率响应放大电路的频率响应2.7.1 2.7.1 频率响应的有关概念频率响应的有关概念一、本章要研究的问题一、本章要研究的问题二、二、高通电路和低通电路高通电路和低通电路三、放大电路中的频率参数三、放大电路中的频率参数例如例如: :音频信号音频信号 f = 20Hz 20KHz视频信号视频信号 f = 0 6MHz由于受到电路中的电抗元件及放大器件内部的由于受到电路中的电抗元件

3、及放大器件内部的分布电容分布电容影响，电路对不同频率的信号所具有的放大能力就有差影响，电路对不同频率的信号所具有的放大能力就有差别。放大器的频率响应是别。放大器的频率响应是输出信号随输入信号频率变化输出信号随输入信号频率变化的响应。的响应。uiuo放大器放大器 实际放大器的输入信号不是简单的单频信号，通常由许多实际放大器的输入信号不是简单的单频信号，通常由许多不同相位、不同频率信号分量组成，占有一定的频谱。不同相位、不同频率信号分量组成，占有一定的频谱。 一、一、研究的问题研究的问题模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组Rb127kRb25.1kRc5.1kRe1kRL5.1kC110FC210

4、FC310FVCC12.0VVCCXSC1ABExt Trig+_+_0XFG14Re11003Q12N39045120610010k50M模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组 理想放大器理想放大器要求对不同的要求对不同的频率输入信号具有相同的放频率输入信号具有相同的放大作用。大作用。uiuo放大器放大器0tuiUim设：设：ui为非正弦周期信号为非正弦周期信号 10sinnnitnaau tatataaui 3sin2sinsin3210 uo= AV ui ，要输出信号不失真必须保证要输出信号不失真必须保证ui的每一个分的每一个分量都得到相同的放大。理想放大器的量都得到相同的放大。理想放大

5、器的AV为常量与工作为常量与工作频率无关。频率无关。实际放大器实际放大器的的AV是频率的函数：是频率的函数：)( jAAV 模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组 频率响应频率响应是放大器的重要性能指标，它反映了放大器对不同是放大器的重要性能指标，它反映了放大器对不同频率信号的放大能力。频率信号的放大能力。 ) ( ) ( ) ( jjAjAAV 二、二、放大器的频率响应放大器的频率响应其中其中: : A(j)称为放大器的称为放大器的幅频响应幅频响应，表示放大器的电压增益的，表示放大器的电压增益的模与信号频率的函数关系；模与信号频率的函数关系； (j)称为放大器的称为放大器的相频响应相频响应，表

6、示放大器的输出信号与，表示放大器的输出信号与输入信号的相位差与频率的关系。输入信号的相位差与频率的关系。 相频响应与幅频响应统称为放大器的频率响应相频响应与幅频响应统称为放大器的频率响应。放大器放。放大器放大输入信号时，为了不产生失真，必须对所有输入信号的每大输入信号时，为了不产生失真，必须对所有输入信号的每一个频率分量作一个频率分量作同等增益同等增益和和同等相移同等相移的放大。的放大。 频率失真频率失真 （线性失真）（线性失真）产生原因：输入信号的频率范围与放大电路通频带不符合产生原因：输入信号的频率范围与放大电路通频带不符合幅频失真幅频失真相频失真相频失真频率失真特点：频率失真特点：输出信

7、号中没有产生输出信号中没有产生新的频率分量新的频率分量。 放大器对输入信号不同频率分量的放大器对输入信号不同频率分量的增益增益不同，输出不同，输出波形就会畸变，这种输出失真叫幅频失真。波形就会畸变，这种输出失真叫幅频失真。 放大器对输入信号不同频率分量的放大器对输入信号不同频率分量的相移相移不同，输出不同，输出波形就会畸变，这种输出失真叫相频失真。波形就会畸变，这种输出失真叫相频失真。注意区别：注意区别：频率失真与非线性失真频率失真与非线性失真模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组 但当但当频率较低时频率较低时XC增大，对增大，对电路的电路的频率响应频率响应造成影响。造成影响。1. .影响放大电

8、路影响放大电路低端频率低端频率响应响应的主要因素的主要因素 在在CE电路中耦合电容电路中耦合电容C1、C2 、C3一般取值为几十一般取值为几十 F。频率较高时频率较高时容抗容抗XC很小，交流通路中电容可视为很小，交流通路中电容可视为短路。短路。beLi0VMrRuuA VOiCAuuuCf111 Rb127kRb25.1kRc5.1kRe1kRL5.1kC110FC210FC310FVCC12.0VVCCXSC1ABExt Trig+_+_0XFG14Re11003Q12N390451206模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组ui 的幅度不变时的幅度不变时, ,随着工作频随着工作频率的降低，会

9、造成率的降低，会造成uO减小，电减小，电路的放大倍数减小。路的放大倍数减小。当当 f =10kHz 时：时：6121.fCXC如果如果 f = 100 Hz15821fCXC电路工作频率较低时，交流电路工作频率较低时，交流通路中的耦合电容及旁路电容通路中的耦合电容及旁路电容不能不能视为短路。视为短路。fLVA0beLrR Rb127kRb25.1kRc5.1kRe1kRL5.1kC110FC210FC310FVCC12.0VVCCXSC1ABExt Trig+_+_0XFG14Re11003Q12N390451206模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组Rb127kRb25.1kRc5.1kRe

10、1kRL5.1kC110FC210FC310FVCC12.0VVCCXSC1ABExt Trig+_+_0XFG14Re11003Q12N390451206 由于由于BJT存在存在PN结电容结电容Cj ，其容量，其容量( (几十几十pf) )很小。很小。频频率低时不起作用。但率低时不起作用。但当当频率很高时：会造成放大器输频率很高时：会造成放大器输入端趋于短路。入端趋于短路。2. . 影响放大电路影响放大电路高端频率高端频率响应响应的主要因素的主要因素当：当：Cj VbjAiCjf 1beLMrRA AM0.707AMfH0f)( fA模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组Rb127kRb25.

11、1kRc5.1kRe1kRL5.1kC110FC210FC310FVCC12.0VVCCXSC1ABExt Trig+_+_0XFG14Re11003Q12N390451206（1）放大电路中的大容量电容放大电路中的大容量电容（耦合电容与旁路电容耦合电容与旁路电容） 是引起是引起低频段低频段频响频响的主要因素。的主要因素。（2）晶体管的晶体管的PN结电容结电容和和分分布电容布电容是引起放大电路是引起放大电路高高频段频段频响频响的主要原因。的主要原因。综上所述综上所述：如图电路中的如图电路中的C1、C2、C3发射结发射结PN结电容结电容 Cb e （ C ）；）；集电结集电结PN结电容结电容 C

12、b c （ C ）。）。PN结电容：结电容：模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组3.典型典型阻容耦合放大器的阻容耦合放大器的全频率全频率幅频特性幅频特性曲线曲线ffLfH通频带通频带BW中频段中频段高频段高频段低频段低频段)(jfAAVM0 02VMA fL称为放大器的称为放大器的低端转折频率低端转折频率， fH称为放大器的称为放大器的高端高端转折频率转折频率。BW( fH fL)称为放大器的称为放大器的通频带通频带，又称为放大器的，又称为放大器的3分贝带宽。分贝带宽。)arctg(Hff 三、三、RC 低通电路低通电路RCfH 212H 2H)(11ffAu RCjCjRCjUUAu 111

13、1io令令 RC低通电路如图所示，低通电路如图所示，其电其电压放大倍数为：压放大倍数为： 11H RCHHffjj 1111 电压比的幅频电压比的幅频特性、相频特特性、相频特性分别为性分别为)arctg(90Loff 四、四、RC 高通电路高通电路RCfL 212L 2LL)(1/ffffAu RCjCjRRUUAu 1111io 令令 RC高通电路如图所示，高通电路如图所示，其电其电压放大倍数为：压放大倍数为： 11L RCLLLLj1j1111ffffjffj 电压比的幅频电压比的幅频特性、相频特特性、相频特性分别为性分别为五、波特图五、波特图 为了在同一个坐标系下对比为了在同一个坐标系下

14、对比大范围大范围变化的放大倍数和变化的放大倍数和很很宽宽的频率响应范围，将前频率响应改用对数坐标的频率响应范围，将前频率响应改用对数坐标即所谓即所谓的的“波特图波特图”，它也包含，它也包含幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性两个部分。两个部分。 幅频特性改用波特图后将幅频特性改用波特图后将级联级联放大器增益的放大器增益的“乘乘/除除”运运算变为了算变为了“加加/减减”运算！运算！RC高通电路的波特图高通电路的波特图2LL)(1/ffffAu )arctg(90Loff2LL)(1lg20lg20lg20ffffAu RC低通电路的波特图低通电路的波特图2H)(11ffAu )arctg(Hff

15、 2H)(1lg20lg20ffAu 模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组（1）电路的截止频率取决于电容所在回路的时间常数。电路的截止频率取决于电容所在回路的时间常数。（2）当信号频率等于下限频率或上限频率时，放当信号频率等于下限频率或上限频率时，放大电路的增益下降大电路的增益下降3dB，且产生，且产生+45 或或-45 相移。相移。结论：结论：（3）在近似分析中，可用折线化的近似波特图描述放在近似分析中，可用折线化的近似波特图描述放大电路的频率特性。大电路的频率特性。2.72.7.2 晶体管的高频等效电路晶体管的高频等效电路 -考虑考虑结电容结电容的影响的影响一、混合一、混合 模型模型二、电

16、流放大倍数的频率响应二、电流放大倍数的频率响应三、晶体管的频率参数三、晶体管的频率参数EQT0ebbb)1 (CCCIUrCr可从手册查得、TEQeb0mebbmebmb0 UIrgrIgUgICCrfeb213.3. 晶体管简化的高频等效电路晶体管简化的高频等效电路2.72.7.3 放大电路的频率响应放大电路的频率响应一、单管共射放大电路的频率响应一、单管共射放大电路的频率响应二、多级放大电路的频率响应二、多级放大电路的频率响应模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组将输入信号分为三个频将输入信号分为三个频段：段：中频中频段、段、低频低频段和段和高频高频段。来进行分析。段。来进行分析。 在中频段

17、在中频段， PN结电容视结电容视为开路，耦合电容（或旁路为开路，耦合电容（或旁路 电容）视为短路。电容）视为短路。 在低频段在低频段，主要考虑耦，主要考虑耦合电容及旁路电容的影响，合电容及旁路电容的影响， PN结电容视为开路结电容视为开路 。 在高频段在高频段，主要考虑，主要考虑PN结电容的影响，结电容的影响，耦合电容耦合电容（或旁路电容）视为短路（或旁路电容）视为短路。一、单管共射放大电路的频率响应一、单管共射放大电路的频率响应模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组 j11 j11j11j1jHLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu 全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达

18、式：适用于信号频率从适用于信号频率从0的交流等效电路的交流等效电路1. 中频电压放大倍数中频电压放大倍数eboiebsisosmUUUUUUUUAu )( LcmbeebisismRRgrrRRRAu 带负载时：带负载时：bec0isismo rRRRRAu 空载时：空载时： bec0isi/rRRRRRL )(sbbbebRRrrR 2. 高频电压放大倍数高频电压放大倍数 j11.HsmsoshffAUUAuu 21HRCf )( 21sbbbebCRRrr 21HRCf 2. 2. 高频电压放大倍数高频电压放大倍数：高频段频率响应分析：高频段频率响应分析 )( 21 j1sbbbebHHs

19、msoshCRRrrfffAUUAuu-225 dB3lg20 shH，下下降降时时，uAffH2Hmsharctan180 )(1lg20lg20lg20ffffAAuu；下降倍，每增大时，dB20lg20 10 shHuAfff。，时，-270 0 shuAf；时时，smshHlg20lg20 uuAAff所确定的截止频率。所确定的截止频率。、分别考虑分别考虑e21CCC3. 低频电压放大倍数ffAffffAUUAuusuj11j1jLsmLLsm0sl 21LRCf 时间常数分析时间常数分析( (短路时间常数法短路时间常数法) )所确定的时间常数。所确定的时间常数。、分别考虑分别考虑e2

20、1CCC1beb2b1s1)(CrRRR 2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrR C2、Ce短路，求出短路，求出C1、Ce短路，求出短路，求出C1、C2短路，求出短路，求出若电容值均相等，则若电容值均相等，则e 1、21beb2b1s1L1)(21 21CrRRRf )( 21 212Lc2L2CRRf )1( 21 21eb2b1sbeeLeCRRRrRfe 对对n级放大电路，若各级的下、上限频率分别为级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、 fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为，整个电路的下、上限频率分别为fL、 fH，则，则nkknkkf.ff.

21、f12HH12LL1111 11LLsmslj1jffffAAuu 3. 3. 低频电压放大倍数低频电压放大倍数：低频段频率响应分析：低频段频率响应分析)arctan90(180 )(11lg20lg20lg20L2LsmslffffAAuuLLsmslj1)j ( ffffAAuu 135 dB3lg20 sL，下下降降时时，uAff)lg(20lg20 LsmsLffAAffuu时，。，时，90 0 0suAfsmsLlg20lg20 uuAAff时，中频段中频段20dB/十倍频十倍频4. 4. 电压放大倍数的波特图电压放大倍数的波特图 )j1)( j1 ()j1)(j1 ()j (HLs

22、mHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达式：模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组ffLefHusAlg200 0usmAlg20fL2fL120dB/十倍频十倍频40dB/十倍频十倍频60dB/十倍频十倍频20dB/十倍频十倍频4. 电压放大倍数的波特图HLeLeL2L2L1L1sm0sj11j1jj1jj1jffffffffffffffAUUAusu 模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组Rb127kRb25.1kRc5.1kRe1kRL5.1kC110FC210FC310FVCC12.0VVCCXSC1ABExt Trig+_+_0XFG

23、14Q12N3904120635. Multisim5. Multisim仿真测量仿真测量模拟电路基础课程组模拟电路基础课程组fbw fH fL 21.46MHz 723.6 21.46MHz6. 6. 带宽增益积带宽增益积：定性分析：定性分析fbw fH fL fH )( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCCHmbwm fAfAuu带宽增益积mLmHLmuARgfCRg)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu矛盾矛盾 当提高增益时，当提高增益时，带宽将变窄；反带宽将变窄；反之，增益降低，之，增益降低，带宽将变宽。带宽将变宽。6. 6. 带宽增益积带宽增益积：定量分析：定量分析 )( 21sbbbebHCRRrrfLm)1 (CRgCC)( LcmbeebisismRRgrrRRRAu若若rbeRb、 Rs fL1， fH fH1，频带变窄！，频带变窄