第五章 放大电路的频率响应

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5.3场效应管的高频等效模型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5.6频率响应与阶跃响应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在放大电路中，由于电抗元件及晶体管极间电容的存在，放大倍数则变成了频率的函数，这种函数关系称为频率响应。在设计电路时，必须考虑这一问题，才能根据需要设计出合适的电路。5.1.2频率响应的基本概念由于耦合电容存在，当信号频率低到一定程度时，电容的容抗不可忽略，从而导致放大倍数下降，且产生相移。由于三极管极间电容存在，当信号频率高到一定程度时，极间电容将分流，从而导致放大倍数下降，且产生相移。对低频段,由于耦合电容的容抗变大,高频时1/ωC<<R,可视为短路,低频段时1/ωC<<R不成立。我们定义:当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍时,即时的频率称为下限频率fL。

对高频段,由于三极管极间电容或分布电容的容抗较小,低频段视为开路,高频段处1/ωC较小,此时考虑极间电容的影响。当频率上升时,容抗减小,使加至放大电路的输入信号减小,输出电压减小,从而使放大倍数下降。同时也会在输出电压与输入电压间产生附加相移。同样我们定义:当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍,即Auh=(1／)Aum时的频率称为上限频率fh。

共射基本放大电路的频率特性共发射极放大电路的电压放大倍数将是一个复数,即其中幅度Au和相角φ都是频率的函数,分别称为放大电路的幅频特性和相频特性。我们称上、下限频率之差为通频带fbw,即fbw=fh-fl

通频带的宽度,表征放大电路对不同频率的输入信号的响应能力,它是放大电路的重要技术指标之一。频率失真及不失真条件频率失真我们知道，待放大的信号，如语音信号、电视信号、生物电信号等等，都不是简单的单频信号，它们都是由许多不同相位、不同频率分量组成的复杂信号，即占有一定的频谱。如图所示，若某待放大的信号是由基波(ω1)和二次谐波(2ω1)所组成，由于电抗元件存在使放大器对二次谐波的放大倍数小于对基波的放大倍数，那么放大后的信号各频率分量的大小比例将不同于输入信号。线性失真和非线性失真线性失真和非线性失真同样会使输出信号产生畸变，但两者有许多不同点：

1.起因不同线性失真由电路中的线性电抗元件引起，非线性失真由电路中的非线性元件引起(如晶体管或场效应管的特性曲线的非线性等)。2.结果不同线性失真只会使各频率分量信号的比例关系和时间关系发生变化，或滤掉某些频率分量的信号，但决不产生输入信号中所没有的新的频率分量信号。不失真条件––理想频率响应综上所述，若放大器对所有不同频率分量信号的放大倍数相同，延迟时间也相同，那么就不可能产生频率失真，故不产生频率失真的条件为下图给出了不产生线性失真的振幅频率响应和相位频率响应，称之为理想频率响应。理想频率响应(a)理想振幅频率响应；(b)理想相位频率响应实际的放大器幅频响应一、高通电路二、低通电路5.1.3波特图5.2晶体管的高频等效模型5.2.1晶体管的混合π模型一、完整的混合π模型混合π型参数和h参数之间的关系二、简化的混合π型模型Cμ的等效过程令此式表明,从b′、e两端看进去,跨接在b′、c之间的电容Cμ的作用,和一个并联在b′、e两端,其电容值为的电容等效。这就是密勒定理。如图(c)所示。5.2.2晶体管电流放大倍数的频率响应共基极电流放大系数α的截止频率fα定义当下降为中频α0的0.707倍时的频率fα为α的截止频率。

场效应三极管的高频小信号模型如图（a）所示。它是在低频模型的基础上增加了三个极间电容而构成的，其中Cgs、Cgd一般在10pF以内，Cds一般不到1pF。为了分析方便，用密勒定理将Cgd折算到输入和输出侧。

(a)场效应三极管高频小信号模型(b)单向化高频小信号模型图场效应三极管高频小信号模型5.3场效应管的高频等效模型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具体分析时,通常分成三个频段考虑:(1)中频段:全部电容均不考虑,耦合电容视为短路,极间电容视为开路。

(2)低频段:耦合电容的容抗不能忽略,而极间电容视为开路。

(3)高频段:耦合电容视为短路,而极间电容的容抗不能忽略。这样求得三个频段的频率响应,然后再进行综合。这样做的优点是,可使分析过程简单明了,且有助于从物理概念上来理解各个参数对频率特性的影响。一、中频电压放大倍数二、低频电压放大倍数三、高频电压放大倍数四、波特图电压放大倍数的表达式为：5.4.2单管共源放大电路的频率响应5.4.3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。

可以看到，当晶体管选定之后，参数随之而定，因而增益带宽积也就大体确定，即增益增大多少倍，带宽几乎就要变窄多少倍。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对于n极放大电路：两级放大电路中频电压增益低频电压放大倍数高频电压放大倍数例：已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求下限频率、上限频率和电压放大倍数。

解：（1）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的下限频率为10Hz。（2）高频段只有一个拐点，斜率为-60dB/十倍频程，电路中应有三个电容，为三级放大电路。（3）电压放大倍数

例5.5.2,分别求出图2.4.2(B)所示Q点稳定电路中C1,C2,Ce所确定的下限频率的表达式及上限频率的表达式.将耦合电容和旁路电容短路,将极间电容开路考虑C1,将C2,Ce短路,开路考虑C2,将C1,Ce短路,开路比较C1,C2,Ce所在回路的时间常数,可知,当C1=C2=Ce时,fLe>>fL1,fL2,fLe为下限频率.考虑Ce,将C1,C2短路,开路,见图d5.6频率响应与阶跃响应频率响应是描述放大电路对不同频率正弦信号放大的能力.即在输入信号幅值不变的情况下改变信号的频率,来考察输出信号幅值与相位的变化,这种方法称为频域法.可以用阶跃函数作为放大电路的输入,考察输出信号前沿和顶部的变化.来研究电路的放大能力,这种方法称为时域法.5.7.1阶跃响应的指标上升时