模拟电子技术基础第4章-频率特性课件

1、共78页第1页第4章 放大电路的频率响应4.1 频率响应概述 4.2 RC电路的频率响应4.3 双极结型晶体管的高频等效模型4.4 场效应晶体管的高频等效模型4.5 单级放大电路的频率响应 4.6 多级放大器的频率响应共78页第2页4.1 频率响应概述1）电子电路中要处理的信号一般不是单一频率，而是包含丰富的频率成份。例如心电信号、语音信号、图像信号等。2）放大电路中，由于耦合电容、器件极间电容的存在，电路的增益是信号频率的函数，这种函数称为频率响应或频率特性。3）放大电路中，信号的频率会从几赫兹到上百兆赫兹变化，而放大电路的增益可从几倍到上百万倍。采用对数坐标系，就可在同一坐标系清晰地表达非

2、常宽的变化范围。 相位频率特性: ()幅值频率特性:共78页第3页4.1 频率响应概述常见放大电路的幅值频率特性如图 按频率范围分为 低频段 中频段 高频段 幅值频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标以 分度。表示增益的幅值与频率的关系。相位频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的相位与频率的关系。这种频率特性在对数坐标系中的表达，称为Bode图。共78页第4页4.1 频率响应概述 低频段 中频段 高频段 时增益比中频段增益降低了3dB，即增益是中频段增益的0.707倍。将 和 之间的频率范围定义为放大电路增益的带宽，简称为放大电路的带宽和带宽是一个放大电路增益不损失地放大信号的频率

3、范围. 共78页第5页4.1 频率响应概述4）在放大电路中，静态分析时，耦合电容、射极旁路电容可以看作开路，而在动态分析中，耦合电容、射极旁路电容可以看作短路。实际上，当电路中信号的频率从零向无穷大变化时，电路中的电容不可能从短路立即变为开路。 5）而对双极结型晶体管和场效应管中存在的极间电容，我们在分析时没有考虑其带来的影响。共78页第6页4.1 频率响应概述6）放大电路中的每一类电容，会对频率响应的某一频段产生影响。电路中的耦合电容和旁路电容，主要影响放大电路的低频响应，而对高频响应的影响可以忽略；器件的极间电容，主要影响放大电路的高频响应，而对低频响应的影响可以忽略。6）为了简化分析，在

4、不同的频段，寻找不同的等效电路，如低频等效电路、高频等效电路等，通过求该电路的传递函数和时间常数，求得电路的频率响应。 7）本章将主要讨论电路中的耦合电容、旁路电容和三极管的结电容对电路响应带来的影响。共78页第7页4.1 频率响应概述8）每一个具体的放大电路，只对特定频段的信号能够进行不失真的放大，因此，必须根据信号的频率范围，选择具有与之相应的频率特性的放大电路，才能获得满意的放大效果。 例如，一个音频信号的范围为 ，则为了使放大以后的信号完整地反映原有信号，所设计的放大电路的 应小于 而 应大于 。，共78页第8页4.2 RC电路的频率响应双极型晶体管的结电容影响电路的高频响应，频率响应

5、 与RC低通电路相似。耦合电容影响电路的低频响应，频率响应与RC高通电路相似。RC低通电路的频率响应RC高通电路的频率响应共78页第9页4.2.1 RC低通电路的频率响应1). 电路的传递函数 4.2 RC电路的频率响应共78页第10页令:则:幅值频率特性:相位频率特性: 4.2.1 RC低通电路的频率响应共78页第11页2). 波特图构成了放大电路频率响应的波特图，也称Bode图，以最初的提出者H.W.Bode命名。波特图包括两部分:幅值频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。相位频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。波特图包

6、括两部分:幅值频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。相位频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。波特图包括两部分:幅值频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。相位频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。波特图包括两部分:幅值频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。相位频率特性：横坐标轴以 分度，纵坐标 以分度。表示增益的幅值与频率的关系。4.2.1 RC低通电路的频率响应共78页第12页2). 波特图(a) 幅值频率特性当ffH 在该

7、频段，幅值频率特性的渐近线为频率每变化10倍，幅值下降20dB的斜线，通常称该斜线的斜率为-20dB/dec；当 ffH 低频段和高频段的渐近线在 处相交。4.2.1 RC低通电路的频率响应共78页第13页低频段和高频段的渐近线在 处相交。当 f=fHf=fH, 称为转折频率，或-3dB频率。在f=fH处，渐近线与实际曲线的误差最大，为 3dB。低频段和高频段的渐近线在 处相交。4.2.1 RC低通电路的频率响应共78页第14页当 f=fH ：相位频率特性如图b) 相位频率响应当 ffH ：相位频率特性的渐近线为-90的直线 4.2.1 RC低通电路的频率响应共78页第15页从上述特性可以看出

8、，该RC电路，对ffH的信号，被该电路衰减，故称低通电路。fH为上限截止频率，也称为上限转折频率。4.2.1 RC低通电路的频率响应共78页第16页1). 电路的传递函数为： 4.2.2 RC高通电路的频率响应共78页第17页令: 则:幅值频率特性：相位频率特性：4.2.2 RC高通电路的频率响应共78页第18页幅值频率特性当 ffL幅值频率特性的渐近线为0dB的直线 当 ffL：当 ffL的信号，可以无衰减地通过，而对ffL的信号，被该电路衰减，故称高通电路。 称fL为下限截止频率，也称为下限转折频率。4.2.2 RC高通电路的频率响应共78页第22页high-pass network. 4

9、.2 RC电路的频率响应-小结Low-pass network. 共78页第23页4.3 双极结型晶体管的高频等效模型4.3.1 双极结型晶体管的混合型等效模型4.3.2 双极结型晶体管混合型等效模型的主要参数4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理 共78页第24页下面以共射接法的双极结型晶体管为例，从晶体管的物理结构出发，考虑结电容的作用，求晶体管的高频等效模型除了对外引出的三个电极，即基极b，射极e和集电极c外，在晶体管内部的基区、射区和集电区各有一个假想的点 4.3.1 双极结型晶体管的混合型等效模型共78页第25页 分别为基

10、区，射区和集电区的体电阻， 的数值较小，常可忽略。 分别为发射结和集电结的电阻，由于工作在放大状态的晶体管的集电结为反向偏置，故 的数值很大，近似分析中可视为无穷大 4.3.1 双极结型晶体管的混合型等效模型混合 型等效电路(模型）或高频小信号等效电路共78页第26页采用与低频等效电路类比的方法求高频等效电路参数4.3.2 双极结型晶体管混合型等效模型的主要参数共78页第27页1) 若:则: :手册可查4.3.2 双极结型晶体管混合型等效模型的主要参数低频时2)共78页第28页3) 可查手册: 单位增益频率4.3.2 双极结型晶体管混合型等效模型的主要参数共78页第29页求集电极电流和基极电流

11、的表达式 根据定义：在晶体管的高频混合型等效电路中 ，令4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应共78页第30页节点 c: 由于第二式代入第一式得：4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应共78页第31页当 时，考虑到低频时:则: 为的频率响应忽略 4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应共78页第32页a) 的幅值频率特性 则: 令: 4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应b) 的相位频率特性称为转折频率（截止频率）共78页第33页Bode图： 与RC低通电路相似4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应共78页第34页由于 有：则: 通常, 因而:

12、4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应若 时对应的频率为 称为单位增益带宽 共78页第35页对于共基极放大电路，电流放大系数 的转折频率为 所以共基极电路具有最佳的高频性能，即最大的带宽。通常： 4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应共78页第36页混合型等效模型的简化处理主要是将 分别等效到输入回路和输出回路，称为单向化处理 ,以简化分析。4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理共78页第37页节点 :定义:定义:则基极回路的总电容为：为米勒电容4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理共78页第38页采用同样的方法，求得 在输出端的等效值为：该电容

13、并联在c、e之间，由于一般情况下 的容抗远大于 的阻值，近似分析中，该电容支路常可看作开路。 得到简化的混合型等效模型，广泛应用在放大电路的高频分析中。4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理共78页第39页近似估算如下： 为米勒电容。由于米勒电容可写为：使 远大于原电容 的值，此现象称为密勒(Miller)效应， 4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理右图的节点c，电容中的电流相比 较小，可以忽略， 有： 若有负载 ,则共78页第40页 则晶体管的高频等效模型为 其中：4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理共78页第41页4.3 晶体管的高频等效模型-

14、小结4.3.1 双极结型晶体管的混合型等效模型4.3.2 双极结型晶体管混合型等效模型的主要参数4.3.3 双极结型晶体管电流放大系数的频率响应4.3.4 双极结型晶体管混合型等效模型的单向化处理 共78页第42页以共源接法为例，与低频小信号模型比较，MOS场效应管的高频小信号模型需要考虑沟道的电容效应。 4.4 场效应晶体管的高频小信号模型按照同样的思路，将 分别折合到输入回路和输出回路。折合到输入回路的等效电容为 输入回路的总电容为 输出回路的总等效电容为： 共78页第43页忽略 ，由于输出回路的时间常数远大于输入回路的时间常数，因此在频率特性分析中常忽略输出回路电容的影响，得到简化的场效

15、应管的高频等效模型如图。其中： 4.4 场效应晶体管的高频小信号模型共78页第44页4.5.1 单级放大电路的中频响应4.5.2 单级放大电路的高频响应4.5.3 单级放大电路的低频响应4.5.4 单级放大电路频率响应4.5.5 放大电路的增益带宽积4.5 共射放大器的频率响应共78页第45页1）忽略耦合电容和结电容的影响，得到中频等效电路4.5.1 单级放大电路的中频响应考虑输出含耦合电容的共射放大电路，分析放大电路的频率响应。考虑耦合电容和器件结电容的影响，画出该电路在全频段的小信号等效电路 共78页第46页2).共射放大器的中频响应对信号源的电压增益：4.5.1 单级放大电路的中频响应当

16、 RL 开路时，对信号源的电压增益：共78页第47页在高频段，电路的工作频率比中频段更高，耦合电容可以近似看做短路，结电容的影响则不能忽略，则有高频等效电路如图 4.5.2 单级放大电路的高频响应共78页第48页求 往左看的有源二端网络的戴维南等效电路，求简化的高频小信号等效电路4.5.2 单级放大电路的高频响应简化的高频小信号等效电路共78页第49页则高频响应求解如下电压增益4.5.2 单级放大电路的高频响应由于：上图输入阻容回路的时间常数为 为放大电路的上限截止频率，由上图输入回路的阻容时间常数决定。 定义： 共78页第50页则高频响应为4.5.2 单级放大电路的高频响应Bode图类似于R

17、C低通网络，输出和输入电压的相位差在 之间变化共78页第51页在低频段，结电容可近似看作开路，耦合电容的影响则不能忽略，则共射放大电路在低频段的等效电路如图。将受控电流源转换为受控电压源。4.5.3 单级放大电路的低频响应其中：共78页第52页图中 为 和C断开后，电路的输出电压，其与信号源电压的增益为： 则低频响应为4.5.3 单级放大电路的低频响应其中：为中频电压增益共78页第53页输出阻容回路的时间常数：定义：为放大电路的下限截止频率，由图中输出阻容回路的时间常数决定，则 4.5.3 单级放大电路的低频响应共78页第54页Bode图，具有高通的特点。4.5.3 单级放大电路的低频响应共7

18、8页第55页4.5.4 单级放大电路的频率响应在频率从零到无穷大的全频段上，放大电路的频率响应是上述中频、高频和低频响应的组合，即单级放大电路电压增益的频率响应的表达式和Bode图为：对具体电路分别求出中频电压增益，上限截止频率和下限截止频率，按照上式就可写出电路的频率响应。其上限截止频率主要由结电容所在阻容回路的时间常数决定，下限截止频率主要由耦合电容和射极旁路电容所在阻容回路的时间常数决定。其时间常数为从电容两端看进去的总的等效电阻和电容之积。当有多个阻容回路时，将有多个 和 共78页第56页【例4-4-1】场效应管构成的基本共源放大电路如图。电路中的电阻、电容参数以及场效应管的 和结电容

19、为已知。求该电路的频率响应表达式，并画出Bode图。解：1）求中频响应，首先画出电路全频段的小信号等效电路。电路的中频增益 4.5.4 单级放大电路的频率响应共78页第57页2）求高频响应：画出高频小信号等效电路，如图。则：电路的高频响应为：4.5.4 单级放大电路的频率响应共78页第58页3）求低频响应：考虑耦合电容，画出电路的低频小信号等效电路，如图。图中C所在回路的时间常数为电路的低频响应为：4.5.4 单级放大电路的频率响应共78页第59页4）频率响应：4.5.4 单级放大电路的频率响应共78页第60页4.5.5 放大电路的增益带宽积说明，提高放大电路的增益与扩展放大电路的带宽之间是有

20、矛盾的。因此不能只以的大小来判断一个放大电路的高频性能，常定义增益带宽积GBP来更合理地描述放大电路的高频性能。GBP定义为： 益提高，这又是我们希望的。选择 小的晶体管，即高频性能好的管子组成放大电路，可获得大的GBP。另外，共射放大由于密勒效应的存在，其带宽受到限制，如采用共基电路，则密勒效应不存在，电路的频带将得到扩展。 共78页第61页4.5.1 单级放大电路的中频响应4.5.2 单级放大电路的高频响应4.5.3 单级放大电路的低频响应4.5.4 单级放大电路频率响应4.5.5 放大电路的增益带宽积4.5 共射放大器的频率响应-小结共78页第62页4.6 多级放大器的频率响应多级放大电路由前述的多个单级放大电路级联而成。总的电压增益等于各级电压增益的乘积，但需注意