模拟电子技术课程课件-放大电路与频率响应

多级放大电路与频率响应

3.1多级放大电路一、多级放大电路(一)多级放大电路的组成图3-1多级放大电路的组成框图一、多根据每级所处的位置和作用的不同，多级放大电路大致可分为三部分：输入级、中间级和输出级。

输入级（前置级）：一般要求有较高的输入阻抗，使它与信号源相接时，索取电流很小。所以常采用高输入阻抗的放大电路，如射极输出器、场效应管放大电路等。

中间级：一般承担着主要的电压放大的任务，故称之为电压放大级，常采用共射电路。

输出级：为适应负载变动而输出电压不变的要求，选用输出电阻较小的共集电路为宜。有时为了向负载供给足够大的功率，往往在输出级前面再加上一级推动级(也称末前级)。二、级间耦合方式在多级放大器中各级之间、放大电路与信号源之间、放大电路与负载之间的连接方式称耦合方式。对级间耦合电路的要求：一是耦合电路必须保证信号通畅地、不失真地传输到下一级，尽量减少损失；二是保证各级有合适的静态工作点。图3-2三种级间耦合方式(a)直接耦合；(b)阻容耦合；(c)变压器耦合(二)耦合方式多级放大电路的耦合方式通常有三种：直接耦合、阻容耦合及变压器耦合。1.直接耦合级与级之间直接连接。（1）优点：传递直流或交流等各种信号，频率特性好，易于集成。（2）缺点：各级静态工作点互相影响，电路的设计和调试比较复杂。出现零点漂移现象，抑制零漂的方法：1、选用优质元件2、采用温度补偿3、调制方法4、差动放大3.变压器耦合

级与级之间利用变压器传递交流信号。（1）优点:匹配好、耗能少、Q点独立、可阻抗转换（2）缺点:频带窄、体积大、笨重、非线性失真大、只传递交流、无法集成2.阻容耦合多级放大电路级与级之间，通过电阻和电容连接起来传送信号，（1）优点：各级静态工作点彼此独立，互不影响。（2）缺点：只传递交流、不易集成和匹配、低频响应不好。这种耦合方式在分立元件交流放大电路中却获得了广泛应用。三、多级放大电路的性能指标

(一）放大倍数:Au＝Au1×Au2×Au3×…×Aun(3-1)在计算前一级的放大倍数时,应将后级的输入电阻作为前一级负载或将前一级作为后一级的信号源来考虑,其电压为前一级的开路电压，内阻为前一级的输出电阻。(二)输入电阻、输出电阻:ri→输入级ri1ro→输出级ron注意:输入级为CC，rI还和下一级有关输出级为CC，ro还和前一级有关(三)输出、输入电压的相位关系:(﹣1)ⁿ,n为电路中共射电路的级数。共集、共基电路同相位。3.2放大电路的频率响应

一、基本概念

(一)幅频特性与相频特性共射基本放大电路为例建立频率特性的一般概念。将放大电路对不同频率正弦信号的稳态响应称放大电路的频率响应，简称频响或频率特性。频率特性包括幅频特性与相频特性两部分：描写放大倍数之模与频率的关系曲线称幅频特性；而描写相位与频率的关系曲线称相频特性。图3-9共射电路的频率响应(a)共射基本放大电路；(b)幅频特性；(c)相频特性

(二)中频段、低频段和高频段当全面分析频率响应时，常分为三个频段进行：中频段、低频段与高频段。中频段是指在通频带以内的频率范围。各种容抗影响极小，可忽略不计。此时电压放大倍数基本上是一个与频率无关的常数，用表示。除了晶体管的反相作用外，无其他附加相移，所以中频电压放大倍数的相角Φ=–180°。低频段是指的频率范围。耦合、旁路电容的容抗不可忽略,损耗一部分信号,使放大倍数下降ÀusL,相移超前90°.高频段是指的频率范围。引起高频段放大倍数下降的原因有两个：一方面三极管的极间电容及接线电容起作用，将信号旁路掉一部分；另一方面，晶体管的值也随频率升高而减小，从而使电压放大倍数下降。相移滞后90°。工程上规定，当放大倍数下降到中频值的0.707(即)时所对应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL及上限频率fH。在f=fH(或f=fL)时，其输出功率只有中频功率的一半。因此，fH及fL亦称为半功率频率。定义上限频率fH与下限频率fL之间的频率范围为通频带fbw。其实fH>>fL，则fbw=fH-fL≈fH(3-3)通频带的宽度表征放大电路对不同频率输入信号的响应能力，是放大电路的重要技术指标之一。(三)下限频率fL、上限频率fH及通频带fbw(四)频率失真与相相位失真由于放大电路路对不同频率率信号的放大大倍数不同而而产生的波形形失真，称作作频率失真。。同样，当放大大电路对不同同频率的信号号产生的相移移不同时产生生的波形失真真叫相位失真真。图3-10频率失真与相相位失真(a)频率失真；(b)相位失真(五)增益带宽积定义为放大电电路的中频增增益幅值和通通频带乘积的的绝对值，即即增增益益带宽积=(3-4)由理论分析推推导知(3-5)可见，欲使使增益带宽宽积大，必必须选用Cμ及rbb′小的高频管管。当管子子选定后，，增益带宽宽积大体上上就一定了了。因此，，若把放大大倍数提高高几倍，通通频带也几几乎变窄同同样的倍数数，即增益益带宽积为为一个常数数。bWusMfA二、波特图图做图时不是是用逐点描描绘曲线，，而是采用用折线近似似的方法画画出的对数数频率特性性，通常称称为波特图图。就是横横坐标频率率f采用lgf对数刻度，，这样将频频率的大幅幅度的变化化范围压缩缩在一个小小范围内(例如用1～6代表10～106)，幅频特性性的纵坐标标电压增益益，用分贝贝(dB)表示为20lgA，(当A从10倍变化到103倍时，分贝贝值只从20变化到60)。这样绘出出的20lgA−lgf的关系曲线线称为对数数幅频特性性。而相频频特性的纵纵坐标相移移Φ采用线性刻刻度，绘制制出的Φ−lgf关系曲线称称为对数相相频特性。。两者合起起来，称为为对数频率率特性。(一)什么是波特特图(二)波特图的画画法1.一般画法(1)中频段画波特图时时，分三个个频段进行行，先画幅幅频特性，，顺序是中中频段、低低频段和高高频段。将将三个频段段的频率特特性(或称频率响响应)合起来就是是全频段的的幅频特性性，然后再再根据幅频频特性画出出相应的相相频特性来来。中频时电压压放大倍数数的表达式式为，，它是一个与与频率无关关的常数，，其波特图图就是一条条水平线。。(2)低频段低频时电压压放大倍数数是频率的的函数，它它的表达式式是一个复复数，即其中将将表表达式用用模和相角角来表示，，得(3-6)总相角为(3-7)现在，我们们用折线近近似的方法法，画低频频段的幅频频特性和相相频特性。。图3-11低频段对数数频率响应应(a)低频对数幅幅频特性；；(b)低频对数相相频特性将式(3-6)两边取对数数，得(3-8)先看式(3-8)中的第二项项。f>>fL时，因此，它将将以横轴作作为渐近线线；当f<<fL时，其渐近线也是一条直线，该直线通过横轴上f=fL的一点，斜率为20dB/十倍频程，即当横坐标频率每增加十倍时，纵坐标就增加20dB。0)(1lg202»+-ffL可以证明，，这种折线线近似带来来的误差不不超过3dB，发生在f=fL处。再来分分析低频段段的相频特特性，当f>>fL时，arctan趋于0，则Φ=–180°；当f<<fL时，arctan趋于90°，则Φ≈–90°；当f=fL时，arctan=45°，Φ=–135°。为了作图图方便，可可以用以下下三段直线线构成的折折线近似低低频段的相相频特性曲曲线，如图图3-11(b)所示。f≥10fL时，Φ=–180°；f≤0.1fL时，Φ=–90°；0.1fL<f<10fL时，斜率为为–45°/十倍频程的的直线。可以证明，，这种折线线近似的最最大误差为为±5.71°，分别发生生在0.1fL和10fL处。(3)高频段高频段电压压放大倍数数表达式及及fH计算公式：：将表表达式也也用模和相相角表示，，即(3-9)总相角(3-10)对式(3-9)两边取对数数，得(3-11)利用与低频频时同样的的方法，可可以画出高高频段折线线化的对数数幅频特性性和相频特特性。折线线近似的最最大误差为为3dB，发生在f=fH处。(4)完整的频率率响应曲线线共射基本放放大电路在在全部频率率范围内放放大倍数表表达式，即即图中的“ss”符号为任意意延长符号号。0dB只代表纵坐坐标的坐标标原点点，，而不代表表横坐标的的坐标原点点。频率坐坐标f也用对数刻刻度。最后将共射射基本放大大电路折线线化对数频频率响应(波特图)的作图原理理及步骤骤归纳如下下。作图步骤：：波特图的作作图原理是是抓住两个个趋势(左趋势、右右趋势)，一个特殊殊点(拐点)，取十倍频频程。①根据电路路参数及计计算公式先先求出中频频电压放大大倍数AuSM、下限频率率fL和上限频率率fH。②在幅频特特性的横坐坐标上，找找到对应于于fL和fH的两点；在在fL与fH之间的中频频区作一条条LA=20lgAuSM的水平线；；从f=fL点开始，在在低频区作作一条斜率率为20dB/十倍频程的的直线折向向左下方；；又从f=fH点开始，在在高频区作作一条斜率率为－20dB/十倍频程的的直线折向向右下方。。以上三段段直线构成成的折线即即是放大电电路的幅频频特性。在10fL至0.1fH之间的中频频区，Φ=－180°；当f<0.1fL时，Φ=–90°；当f>10fH前，Φ=–270°；在0.1fL至10fL之间间以以及及0.1fH至10fH之间间，，相相频频特特性性分分别别为为两两条条斜斜率率为为–45°°/十倍倍频频程程的的直直线线。。以以上上五五段段直直线线构构成成的的折折线线就就是是放放大大电电路路的的相相频频特特性性。。③再再画画相相频频特特性性。。图3-12高频频段段对对数数频频率率响响应应(a)高频频对对数数幅幅频频特特性性；；(b)高频频相相频频特特性性图3-13波特特图图的的一一般般画画法法(a)幅频频特特性性；；(b)相频频特特性性2.归一一化化画画法法图3-14波特特图图的的归归一一化化画画法法(a)幅频频特特性性；；(b)相频频特特性性电压压放放大大倍倍数数表表达达式式采采用用归归一一化化方方法法表表示示，，即即求求下下面面的的比比值值(3-12)与一一般般画画法法相相比比较较，，所所不不同同的的是是在在第第一一步步只只需需计计算算fL及fH两个个要要素素就就行行了了，，无无需需计计算算中中频频电电压压放放大大倍倍数数AuSM。此此时时，，中中频频段段的的幅幅频频特特性性就就是是一一条条与与横横坐坐标标(0dB)相重重合合的的水水平平线线。。相相当当于于把把一一般般画画法法中中的的中中频频段段特特性性向向下下平平移移了了AuSM倍(或20lgAuSMdB)。在在相相频频特特性性中中，，纵纵坐坐标标必必须须用用附附加加相相移移ΔΦΦ表示示。。所所谓谓附附加加相相移移就就是是指指除除晶晶体体管管反反相相(––180°°)作用用以以外外的的相相移移。。三、、多多级级放放大大电电路路的的频频率率特特性性(一)多级级放放大大电电路路的的幅幅频频特特性性与与相相频频特特性性如前前所所述述，，多多级级放放大大电电路路总总的的电电压压放放大大倍倍数数为为各各单单级级放放大大倍倍数数的的乘乘积积，，即即n=0,1,2……将上上式式取取绝绝对对值值后后再再取取对对数数，，就就可可得得到到多多级级放放大大电电路路的的对对数数幅幅频频特特性性。。(3-14)多级级放放大大电电路路的的总总相相移移为为(3-15)以上上表表达达式式中中的的和和分分别别为为第第k级放放大大电电路路的的放放大大倍倍数数和和相相移移。。多多级级放放大大电电路