模拟电路第五章PPT

第五章

放大电路的频率响应5.1频率响应概述5.2晶体管的高频等效模型5.4单管放大电路的频率响应5.5多级放大电路的频率响应5.3场效应管的高频等效模型童诗白第三版5.1频率响应概述5.1.1研究放大电路频率响应的必要性当输入信号的频率过高或过低，电路的放大倍数会减小，并且产生相移，放大倍数成为信号频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。频率失真又可以分为：幅频失真相频失真无失真幅频失真无失真相频失真与前述的非线性失真性质不同，一个是放大器的通频带不够宽造成的，一个是放大器件的非线性造成的。产生频率响应的原因？小信号等效模型只适用于低频信号的分析。本章将引入高频等效模型，并分析单级和多级放大电路的频率响应，阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法。一、

高通电路+_+_CR图5.1.1（a)

RC

高通电路令：5.1.2频率响应的基本概念fL

称为下限截止频率频率响应曲线返回下限截止频率二、RC

低通电路图5.1.2

RC

低通电路图+_+_CR令：则：fH

称为上限截止频率频率响应曲线返回上限截止频率5.1.3波特图

放大电路频率特性曲线的坐标轴用对数表示，所得到的曲线叫作对数频率特性，也叫做波特图。幅频特性：横坐标用对数坐标，纵坐标放大倍数也用对数坐标；相频特性：横坐标用对数坐标，纵坐标相位角不用对数坐标。在波特图中：Av0.010.10.7071210100Av的对数-40-20-30362040表3－1Av与其对数的对应关系波特图的优点：显示范围宽，理容易看到整个曲线的全貌变乘法为加法，处理多级放大器方便现在以最简单的RC

高通和低通电路为例说明波特图的画法！！！高通电路—幅频返回称0分贝水平线称斜率为-20dB/十倍频程的直线高通电路—相频返回可见：当频率较高时，│AV│

≈1，输出与输入电压之间的相位差=0。

随着频率的降低，│AV│下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。在此频率响应中，下限截止频率fL是一个重要的频率点。

高通电路—总结称0分贝水平线称斜率为-20dB/十倍频程的直线低通电路—幅频低通电路—相频最大误差-3dB低通电路—总结可见：当频率较低时，│AV│≈1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高，│AV│下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。在此频率响应中，上限截止频率fH是一个重要的频率点。小结（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数τ，即决定了fL和fH。（2）当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降3dB，且产生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。5.2晶体管的高频等效模型

高频信号作用下，晶体管的结电容的影响必须考虑。物理模型

re---发射结电阻rb'c---集电结电阻Cb'c---集电结电容rc－集电区、re－发射区和rbb'

－基区的体电阻，b'是假想的基区内的一个点。Cb'e--发射结电容5.2.1晶体管的混合π等效电路（模型）5.2.1晶体管的混合π等效电路混合π型高频小信号模型是通过三极管的物理模型而建立的。gm跨导

这一模型中用代替，这是因为β本身就与频率有关，而gm与频率无关。一、完整的混合π模型二、简化的混合

模型通常情况下，rce远大于c--e间所接的负载电阻，而rb/c也远大于Cμ的容抗，因而可认为rce和rb/c开路。(b)混合模型图5.2.2

混合

模型的简化(a)简化的混合

模型Cμ跨接在输入与输出回路之间，电路分析变得相当复杂。常将Cμ等效在输入回路和输出回路，称为单向化。单向化靠等效变换实现。图5.2.2

简化混合

模型的简化

(b)单向化后的混合模型图5.2.2

简化混合

模型的简化

(C)

忽略C／／μ的混合模型因为Cπ＞＞，且一般情况下。的容抗远大于集电极总负载电阻R／Ｌ，中的电流可忽略不计，得简化模型图（C）。密勒定理：用两个电容来等效Cμ

。分别接在b、e和c、e两端。其中：电容值分别为：等效电容的求法图5.2.2

简化混合

模型的简化

(b)单向化后的混合模型图5.2.2

简化混合

模型的简化

(C)

忽略C／／μ的混合模型三、混合

模型的主要参数将混合

模型和简化的h参数等效模型相比较，它们的电阻参数完全相同。Cμ可从手册中查得Cob

，Cob与Cμ近似相等。Cπ数据可从手册中给定的特征频率fT和放大电路的Q点求解。晶体管电流放大倍数的频率相应

当频率升高时由于极间电容的存在，电流放大倍数是频率的函数5.2.2三极管的频率参数在低频时，β是一个常数；当频率升高时，β将会下降，并满足下式：低频时的共射电流放大系数三极管β

值下降时的频率分别用模和相表示：取对数：画出波特图如下

做出β的幅频特性和相频特性曲线。

三极管β的幅频特性和相频特性曲线当β=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT≈β0f

当20lgβ下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率。

0.707倍

1.共射截止频率f

值下降到0.7070

(即)时的频率。当

f=f

时，值下降到中频时的70%左右。或对数幅频特性下降了3dB。几个频率的分析2.特征频率fT

值降为1时的频率。f>fT

时，，三极管失去放大作用；

f

=

fT

时，由式得：3.共基截止频率f

值下降为低频0时

的0.707时的频率。

f

与f

、

fT

之间关系：因为可得说明：所以：1.f

比f

高很多，等于f

的(1+0)倍；2.f

<fT<

f

3.低频小功率管f

值约为几十至几百千赫，高频小功率管的

fT约为几十至几百兆赫。5.4单管放大电路的频率响应5.4.1单管共射放大电路的频率响应C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+图5.4.1单管共射放大电路

中频段：各种电抗影响忽略，Au

与f无关；低频段：隔直电容压降增大，Au降低。与电路中电阻构成RC高通电路；高频段：三极管极间电容并联在电路中，Au

降低。而且，构成RC低通电路。一、中频电压放大倍数耦合电容

可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。1.中频段等效电路图5.4.2中频段等效电路由图可得

bce

+Rb~+++RcRs2.中频电压放大倍数已知，则

结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化h参数等效电路的分析结果一致。二、低频电压放大倍数考虑隔直电容的作用，其等效电路：图5.4.3低频等效电路

C1

与输入电阻构成一个RC高通电路式中Ri=Rb//rbe

bce

+Rb~+++RcRsC1输出电压低频电压放大倍数

bce

+Rb~+++RcRsC1低频时间常数为：下限(-3dB)频率为：则对数幅频特性对数相频特性因电抗元件引起的相移为附加相移。低频段最大附加相移为+90度若考虑耦合电容C1和C2，则低频电压放大倍数其中如果两者相差4－5倍以上，则取数值大的为下限截止频率，若很接近，则三、高频电压放大倍数考虑并联在极间电容的影响，其等效电路：图5.4.4高频等效电路

bce

+Rb~+++RcRs图5.4.4高频等效电路的简化(a)由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。用戴维南定理简化图5.4.4(b)—C

与R

构成RC

低通电路。

ce

+~++Rc

高频时间常数：上限(-3dB)频率为：的对数幅频特性和相频特性高频段最大附加相移为-90度四、波特图绘制波特图步骤：1.根据电路参数计算、fL

和

fH

；2.由三段直线构成幅频特性。中频段：对数幅值=20lg

低频段：

f=fL开始减小，作斜率为20dB/十倍频直线；

高频段：f=fH开始增加，作斜率为–20dB/十倍频直线。3.由五段直线构成相频特性。图5.4.5幅频特性fOfL-20dB/十倍频fH20dB/十倍频-270º-225º-135º-180º相频特性-90º10fL0.1fL0.1fH10fHfO5.4.3放大电路频率响应的改善和增益带宽积1.为了改善放大电路频率响应，应降低下限频率，放大电路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.为了改善单管放大电路的高频特性，应增大上限频率fH。问题：fH的提高与Ausm的增大是相互矛盾。3.增益带宽积中频电压放大倍数与通频带的乘积。Ri=Rb//rbe假设Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe说明：式不很严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb和Cbc

的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用rbb

和Cbc

均小的高频三极管。5.5多级放大电路的频率响应5.5.1多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路的电压放大倍数：对数幅频特性为：在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有多个低通电路。在阻容耦合放大电路中，如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路。多级放大电路的总相位移为：两级放大电路的波特图图5.5.1fHfL幅频特性fOfL1fH16dB3dB3dBfBW1fBW2一级二级-20dB/十倍频-40dB/十倍频图5.5.1相频特性-270º-360ºfL1fH1fO-540º-180º-450º-90º一级二级多级放大电路的通频带，总是比组成它的每一级的通频带为窄。5.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据即：若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率，则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率。同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率，则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。例5.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对