放大电路的频率特性研究报告

1、放大电路的频率特性研究放大电路的频率特性研究摘要：由于放大电路中存在电抗元件，使得放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。如放大电路对不同频率信号的幅值放大不同，就会引起幅度失真；如放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。幅度失真和相位失真总称为频率失真。为实现信号不失真放大所以要需研究放大器的频率响应。对共射、共集、共基三种放大电路频率特性进展分析和比拟，利用负反应电路改善放大电路的频率特性。关键词：放大电路；频率响应；负反应电路1、放大电路频率响应的根本概念放大电路的放大倍数是频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。表示为：Au(f)Au(f)Au

2、(f)Au(f)(f)其中Au(f)为幅值频率特性，(f)为相位频率特性。放大电路对不同频率信号放大倍数的幅值不同，相位也不同，当输入信号包含有假设干屡次谐波成分时，经过放大电路后，其输出波形产生的失真称为频率失真。由于频率失真是由线性元件引起的，因此这种失真为线性失真，频率失真又可分为幅频失真和相频失真。2、影响放大电路频率响应的因素以单管共射电路为例，如表1所示。表1影响放大电路频率响应的因素频段低频段中频段高频段影响因素耦合电容、旁路电容不可忽略，结电容视为开路。耦合电容、旁路电容视为短路，结电容视为开路。耦合电容、旁路电容视为短路，结电容不可忽略。放大倍数变化情况放大倍数幅值下降，产生

3、超前的附加相移。放大倍数幅值不随频率变化血变化，只有固定相移。放大倍数幅值下降，产生滞后的附加相移。分析方法采用低频等效电路，计算下限截止频率。采用中频等效电路，计算中频放大倍数。米用高频等效电路，计算上限截止频率。3、频率响应的表示方法频率响应可以表示成解析表达式，也可表示成频率特性曲线即图形表示频率响应的解析表达式以单管放大电路为例，频率响应可表示成:AuAumfLf(1)(1 j )jffH HYPERLINK l bookmark0 o Current Document A. fAumj fL(1 jf )(1 jf)fLfH其中Aum为中频段电压放大倍数,fL为低频段下限频率，fH为

4、高频段上限频率。渐近波特图这是用来描绘放大器频率响应的一种重要方法，它是在半对数坐标系统中绘制放大器的增益及其相位与频率之间关系曲线的一种常用工程近似方法。从波特图上不仅可以确定放大器的频率响应的主要参数，而且在研究负反应放大器的稳定性问题时也常用波特图来解决，因此，由传递函数写出A加和6加的表达式，并作出相应的渐近波特图是必须掌握的。一个电子系统的波特图可以分解为各因子的组合，画出了各因子的波特图，就可以通过叠加，十分方便地获得系统的波特图。这种波特图可以用几段折线来近似，而不必逐点描绘，作图方便，而且误差也不大，所以获得了广泛的应用。表2表示出了具有实数极零点时假设干因子的频率特性渐近波特

5、图。4、频率响应的主要指标中频增益AM及相角M指放大器工作在中频区的增益与相位，它们与频率无关。上限频率fH及下限频率fL它定义为当信号频率变化时，放大器增益的幅值下降到0.707AM时所对应的频率。当频率升高时，增益下降到0.707am时所对应的频率称为上限频率储，即AmA(fH)=当频率下降时，增益下降到0.707Am时所对应的频率称为下限频率fL,即AmA(fL)=j=4.3通频带BW它定义为上、下限频率之差值，即BW=fHfL当fHfL时，BWfHo4.4增益带宽积GBW它是放大器中频增益Am与通频带BW的乘积，即GBW=Am-BW5、放大电路频率响应的分析方法5.1放大电路在不同频段

6、的等效电路假设考虑电抗元件的影响，放大器的增益应为频率的复函数:A(j=A(0d恻*放大器的频率特性可分为三个频段：中频段、低频段、高频段。对不同频段的放大器进展分析,应建立不同的等效电路。5.1.1中频段：通频带BW以的区域由于耦合电容及旁路电容的容量较大，在中频区呈现的容抗1/dC较小，故可视为短路；而三极管的极间电容的容量较小，在中频区呈现的容抗较大，故可视为开路。因此，在中频段围，电路中所有电抗的影响均可忽略不计。在中频段，放大器的增益、相角均为常数，不随频率而变化。5.1.2低频段：fvfL的区域在低频段，随着频率的减小，耦合电容及旁路电容的容抗增大，分压作用明显，不可再视为短路；而

7、三极管的极间电容呈现的容抗比中频时更大，仍可视为开路。响应的主要因素是耦合电容及旁路电容。在低频段，放大器的增益比中频时减小并产生附加相移。5.1.3高频段：ffH的区域在高频段，随着频率的增大，耦合电容及旁路电容的容抗比中频时更小，而三极管的极间电容呈现的容抗比中频时减小，分流作用加大，不可再视为开路。响高频响应的主要因素是晶体管的极间电容。在高频段，放大器的增益比中频时减小并产生附加相移。因此，影响低频仍可视为短路；因此，影5.2RC电路的频率响应低通电路高通电路电路图1C-o+o-+表3RC电路的频率响应.+Vi合及旁路电容对放大器低频响应的影响。因此，熟练掌握RC电路的频率特性对学习放

8、大器的频响十分有帮助。表3示出了RC低通和高通电路的频率特性。通常，将RC电路中并接在电容两端的电阻称为节点电阻。在C一定时，节点电阻对电路的频率特性有很大的影响。对于RC低通电路，节点电阻越小，电容越小，上限频率储越高；对于RC高通电路，节点电阻越大，电容越大，下限频率fL越低。在集成电路中，由于采用直接耦合方式，那么10,因此，扩展通频带的关键是扩展上限频率3。5.3频率响应的分析方法它是以传递函数与相应的拉氏变换为根底，从放大器的交流等效电路出发，将其电容C用1/sC表示，电感L用sL表示，导出电路的传递函数表达式，确定其极点与零点，并由此确定有关放大器的频率特性参数，具体步骤如下：1写

9、出电路传递函数的表达式A(s)在复频域，无零多极系统传递函数的一般表达式为：AmA(s)=(1s/pi)(1s/p2)(1s/pn)其中，Am为电路的中频增益，p为极点。极点数值应为负实数或实部为负值的共轲复数，极点数目等于电路中独立电容的数目。2令S=j3,写出频率特性表达式A(j0设极点均为负实数p=口，那么AmA(j3)=一.(1+j3/3p1)(1+j3/3p2)(1+j3/3pn)-word.zl-3确定上限角频率GH1H1T2+2+2p13P23pn假设Opi24口1,那么ClH(jpio称41为主极点角频率。4绘制渐近波特图写出幅频A(3)的表达式一画各因子的渐近波特图一合成由A

10、(j3)一J5使用开路时枳I岫如？1Wm拗各因1H的渐近波特图-合成这种方法是1969年由GrayandSearly提出的。当难以用简单的方法确定等效电路的极点和零点时，通常可采用此种方法，具体步骤如下；首先，分别求出高频等效电路中每一个电容元件确定的开路时间常数=RoC,G是电路中的一个电容元件，此时除C外的其他电容元件均开路，并将电压源短路，电流源开路，画出等效电路，求出与Ci相并接的等效电阻Ro。按此法求出所有电容的开路时间常数并相加，这样就可确定电路的上限频率为：1H-ZjRioCi1i=1这种方法的突出优点是可以看到电路中的每个电容元件对高频响应的影响程度，从而为设计好的高频响应电路

11、提供简捷的方法，但不适用于含有电感的系统。6、三种根本组态放大器的频率响应BJT的频率参数BJT有三个频率参数，其定义及表达式如表4所示。去4三横管的频率曼数腾蛆的配角解好特征周魏率叼表春膜的截止篇频率的定公我亦期晦友的1/停时对应的醐装贺阳)下院到1(0时对应的角行率O(CJ)T冏到亡频以的11表达大*M胪#八式十*好物华*瓯关瓢%砒蝴,其他用最厂最具代表性解硒，通箱船笆高：EIT傩频性能机酮的财器上期率做嬴*三种根本组态放大器的高频响应分析思路：画高频小信号等效电路一化简等效电路一求A(j g)一计算 fH。三种根本组态放大器的高频特性如表5所示。共发射极放大器该电路高频响应分析的关键在于

12、要将跨接在b与c之间的电容Cb飞分别等效到输入端和输出端。利用密勒定理，等效到输入端的电容Cmi=%RlCbd等效到输出端的电容Cm2=Cb，8由于Cb飞很小，因此，Cm2对输出回路的影响可以忽略不计，仅考虑Cmi对输入回路的影响。等效后，输入端的总电容Ct=Cbe+CM1=DCbe,其中D称为密勒倍增因子。尽管Cb，c很小，但由于密勒效应，却使输入端总电容增大了D倍。从而限制了放大器的上限截止频率。共集电极放大器共集放大器中不存在密勒倍增效应，当输入为低阻节点时，其上限截止频率.一8。但考虑到混合兀型等效电路的实际使用情况，共集电路应工作在gt/3以下。除了频率特性好之外，共集电路还具有高输

13、入阻抗、低输出阻抗的特点。共基极放大器共基放大器中不存在密勒倍增效应，当输出为低阻节点时，一ca,在三种根本组态放大器中，其高频响应最好，同时，它还具有低输入阻抗、高输出阻抗的特点。表5三种根本组态放大器的高频响应共发电路共集电路共基电路交流通路+jvo一VIvoVTRCJ.+-1Rs(v+|+Vi)一kJORBRsv+Rsv+v。一|RERcL,-L.高频等效电路1Rt1L.乙lV“s)+Vo(s)一-r-1-rbbUCbeVs(s)1lei、，/、氢二IaIe(s)一VC工(sR叫gmVbe(S)FJr$gmVbe(s)i:卜Vs(s)e.tCbe/Cbc二-rlII+Vo(s)Ris)忽

14、略Rb忽略卜Rb、Cbe忽略Re、rbb，递函Avs(sAvsmAvs(s)=Avsm1+s/COzAvs(s)=Avsm)=1+S/3P1+s/3P(1+s/3P1)(1+s/3P2)中频增工AgmrbeRLvsmRs+rbb+rbe(1+gmrbe)RLAvsm=Rs+rbb+rbe+(1+gmrbe)RLRl，Avsm=Rs+re上限频率其耳1(DH=3P=RtCtRt=(Rs+rbb)/rbe零点角频率GZ极点角频率0P=其中，R=rbe/1/RtCbeRs+rbb+rl30p1弋11Ct=DCbe而D1+GTRlCb，e1+gmRL，p2=RLCbc高频特当输入为低阻节点（Rs小）、

15、输出亦为低阻节点（Rl小）时,上限角频率gHT6J当输入为低阻节点（Rs小）时，上限角频率。较高当输出为低阻节点（R小）时，GP2GP1,此时上限角频率gH性频率特性一般频率特性较好频率特性最好单级放大器的低频响应考虑到别离元件电路中或集成电路的外围电路中常用阻容耦合方式，有必要对阻容耦合方式的低频响应加以讨论。表6示出了共发射极放大器的低频特性。表6共射放大器的低频响应Cbi电路图 V Vcc低频等效电路RsVslRbiHoRlRb2E+CB2RcIb(s)CB2VTCir beRc|Rl表中, Vs(s)+Yp I b(s)Rc+频率特性函数AvL(jf)=Avm(1 -jfL1/f)11

16、 jQ/f)1fL1 =2 天(Rs+rb)C11fL2=2 天(Rc+Rl)Cb2下限截止频fL=fmin(fL1,fL2)CbiCeC珞即）B+屋耦合电容和旁路电容中，旁路电容Ce是决定低频响应的主要因素。宽带放大器的实现思想在电子系统中，常常需要放大器具有较宽的通频带，当fHfL时，BW-fHo所以，扩展通频带的关键是扩展电路的上限截止频率fH,通常有以下几种方法：1改良集成工艺，通过提高管子的fT特征频率扩展fH。略2在放大电路中引入负反应扩展fH。将在第六章论及。3利用电流模技术扩展fH。略4利用组合电路扩展fH。从原理上讲，后三种方法都是通过产生低阻节点来扩展fH的。有以下几种组合

17、电路的形式常用于宽带放大器的设计中。共发一共基组合电路这种组合电路的上限频率主要取决于共发电路，而共发电路的上限频率又随其负载电阻的减小而提高，利用共基电路的低输入电阻，作为共发电路的负载电阻，使共发电路具有低阻输出节点，从而减小了密勒效应，扩展了共发电路即整个电路的上限频率。这种组合一般用在负载电阻较大的场合。共集一共发组合电路这种组合电路利用共集电路的低输出电阻，作为共发电路的信号源阻，使共发电路具有低阻输入节点，扩展了电路的上限频率。这种组合一般用在信号源电阻较大的场合。共集一共发一共基组合电路这种组合方式，使共发电路不仅具有低阻输入节点，具有还具有低阻输出节点，使电路的上限频率得以扩展

18、。共集一共基组合电路它防止了高频响应较差的共发放大电路，利用组态优异的高频响应和分别能实现电流放大和电压放大的特点，以便可以获得大的增益带宽积，所以在宽带放大电路中也是一种根本的单元电路构造。7、负反应电路改善放大电路负反应的定义负反应是指使放大电路的净输入量减小的反应。由于反应的结果影响了净输入量，因而必然影响输出量。所以，根据输出量的变化也可以区分反应的极性，使输出量的变化减小的为负反应。负反应在电子线路中有着非常广泛的应用，采用负反应是以降低放大倍数为代价的，目的是为了改善放大电路的工作性能，如稳定放大倍数、改变输入和输出电阻、减少非线性失真、展宽通频带等，所以在实用放大器中几乎都引入负

19、反应。反应类型较多，如串联、并联反应；电流、电压反应；直流、交流反应及正、负反应等不同类型的反应。负反应放大电路的作用及其判断方法负反应放大电路的作用负反应在电子电路中有着非常广泛的应用，虽然它使放大器的放大倍数降低，但能在许多方面改善放大器的动态指标，如稳定放大倍数，改变输入，输出电阻，减少非线性失真和展宽频带等，几乎所有的实用放大器都引入了负反应。负反应用于各种放大电路，其主要用于稳定静态工作点、稳定放大倍数、防止自激振荡、补偿温度漂移等。在降低放大倍数的条件下：1稳定静态工作点：受环境如温度变化的影响小；2增大输入电阻：减轻前级的负载；3减小输出电阻：可以带更多的负载；4减小非线性失真和展宽通频带等。反应类型及判断1负反应放大器有四种组态电压串联，电压并联，电流串联，电流并联。假设反应的结果使输出量的变化或净输入量减小，那么称之为负反应；反之，那么称为正反应。假设反应只存在于直流通路，那么称之为直流反应；假设反应只存在于交流通路，那么称之为交流反应；假设反应既存在于直流通路又存在于交流通路，那么称之为交，直流反应。假设反应量与输出电压成正比那么称为电压反应；假设反应量与输出电流成正比那么称为电流反应。假设输入量，反应量和净输入量以电压形式相叠加，那么称之为串联反应；假设输入量，反应量和净输入量以电流形式相叠加，那么称之为