第四章 放大电路的频率响应

第四章

放大电路的频率特性内容提要由于放大电路中存在着电抗器件，使放大电路对不同频率的输入信号的增益量(幅度及时延)可能不同。增益量因工作频率不同而改变的特性称为放大电路的频率响应特性，简称频率特性。研究的问题：放大电路对输入信号频率的适应程度，即输入信号频率对放大倍数的影响。内容提要频率特性的分析方法晶体管参数的频率特性放大电路的频率响应特性本章包括：4.1.1放大电路的理想频率特性第一节频率特性的分析方法将放大电路作为一个信号的线性传输系统：：输入信号的拉式变换：输出信号的拉式变换：系统传输函数一、幅频特性和相频特性时，频率的稳态正弦频率响应：幅频响应相频响应4.1.1

放大电路的理想频率特性一、幅频特性和相频特性中频段低频段高频段4.1.1

放大电路的理想频率特性二、工作频段、截止频率和通频带4.1.1

放大电路的理想频率特性二、工作频段、截止频率和通频带低频段使放大倍数数值下降的原因：随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失。高频段使放大倍数数值下降的原因：随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失。主要参数：fL、fH、fbw4.1.1

放大电路的理想频率特性二、工作频段、截止频率和通频带三、放大电路的理想频率特性放大电路应对输入信号频谱范围内任何频率点的信号分量给予同等量的幅度放大和同等量的时延：放大电路的理想幅频特性是通频带应覆盖输入信号的频谱范围且通频带内的幅度增益保持为一常数。放大电路的理想相频特性是在输入信号的频谱范围内相频特性为线性。4.1.1

放大电路的理想频率特性幅度失真相位失真4.1.1

放大电路的理想频率特性三、放大电路的理想频率特性线性失真：包括幅度失真和相位失真。与输入信号的频率有关。非线性失真：由放大器的非线性特性而引起。与输入信号的相对幅度有关。4.1.1

放大电路的理想频率特性三、放大电路的理想频率特性第一节频率特性的分析方法4.1.2频率特性的分析方法在各零、极点均为实数时，令：极点角频率零点角频率一、传输函数和零、极点：标尺因子：零点：极点4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图即对数频率特性，横坐标是频率f，采用对数坐标。对数幅频特性的纵坐标是电压放大倍数幅值的对数 ，单位是分贝(dB)(dB)0.01-400.1-200.707-3103261020100404.1.2

频率特性的分析方法幅频特性：4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图对数相频特性的纵坐标是相角φ，不取对数，直接取线性刻度。相频特性：二、波特图4.1.2

频率特性的分析方法1、一阶实数极点的波特图幅频特性：4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图fH一阶低通的幅频响应4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图1、一阶实数极点的波特图4.1.2

频率特性的分析方法1、一阶实数极点的波特图从而可以用两条直线构成的折线来近似表示一阶实数极点的对数幅频特性曲线.幅频特性4.1.2

频率特性的分析方法1、一阶实数极点的波特图相频特性：fH4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图1、一阶实数极点的波特图4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图1、一阶实数极点的波特图从而可以用三条直线构成的折线来近似表示一阶实数极点的对数相频特性曲线。－45o/10倍频相频特性4.1.2

频率特性的分析方法1、一阶实数极点的波特图上限(-3dB)截止角频率。RC低通网络频率响应表达式4.1.2

频率特性的分析方法RC低通网络幅频特性4.1.2

频率特性的分析方法高频段产生负90度滞后相移。RC低通网络相频特性4.1.2

频率特性的分析方法幅频特性：相频特性：一阶零点因子的波特图与一阶实数极点波特图的画法类似。注意：上式所对应的零点为负实数，将提供正的相角，即引起超前相移；若零点值为正实数则会引起滞后相移4.1.2

频率特性的分析方法二、波特图2、一阶实数零点的波特图频率响应表达式RC高通网络下限(-3dB)截止角频率。4.1.2

频率特性的分析方法其模为：RC高通网络高通网络的幅频响应第一节频率特性的分析方法多级相角为：RC高通网络相频特性第一节：频率特性的分析方法4.1.3多级放大电路的频率特性第一节频率特性的分析方法多级放大电路的通频带窄于每一单级电路的通频带，且级联的级数越多，通频带就越窄。可用解高阶代数方程的方法来严格求解多级放大电路的上、下限截止频率1.1为修正系数，以提高公式的近似精度。一、多级放大电路的通频带和截止频率4.1.3

多级放大电路的频率特性在一个低通系统中，若有n个极点和m个零点，其中有一个(或几个靠得很近的)极点(或零点)最低，与其它极、零点相隔较远，则最低的极点(或零点)称为主极点(或主零点)。类似地，可以在高通系统中定义主极点(或主零点)。当系统存在主极、零点时，其上、下限截止频率由主极、零点近似确定，非主极、零点的影响较小。但要注意非主极点对相角的贡献有时是不能忽略的。二、主极点和主极点频率单级4.1.3

多级放大电路的频率特性第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数即混合π模型图中的输出端短路。共射电流放大系数的定义为：低、中频时可认为电容开路，电流与频率基本无关。第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数而fT>>f,所以

参数第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数fT表征晶体管的高频放大能力。特征频率第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数管子不再有放大能力。参数估算共基截止频率参数第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数在共基极电路中：注意晶体管的混合π模型，其频率适用的范围一般在fT/3以内。以上各频率与工作点有一定关系第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数当20lgβ下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率当β=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT≈β0f第二节晶体管的频率特性4.2.1双极型晶体管的高频参数第二节晶体管的频率特性4.2.2MOS型场效应晶体管的高频参数第二节晶体管的频率特性4.2.2MOS型场效应晶体管的高频参数+-高频时，由于电容的存在，栅极电流不再为0。仿照双极型晶体管也可定义特征频率：略去中间过程后：分析可知，沟道长度越短，管子的高频放大能力就会越强。第二节：晶体管的频率特性4.2.2MOS型场效应晶体管的高频参数第三节双极型晶体管放大电路的频率特性从该图中可以解出电压传输函数，但是结果非常复杂(二阶一零系统)。4.3.1单管共射放大电路的高频特性高频模型网络的一种等效变换关系，可以将跨接在网络输入端与输出端之间的阻抗分别等效为并接到输入端与输出端的阻抗。一、密勒等效定理4.3.1

单管共射放大电路的高频特性密勒等效定理的变换方法4.3.1

单管共射放大电路的高频特性一、密勒等效定理二、共射放大电路的单向化等效电路4.3.1

单管共射放大电路的高频特性可用中频增益近似,则二、共射放大电路的单向化等效电路4.3.1

单管共射放大电路的高频特性二、共射放大电路的单向化等效电路4.3.1

单管共射放大电路的高频特性特征频率三、共射放大电路的放大倍数4.3.1

单管共射放大电路的高频特性参数的估算共射放大电路的中频增益+-Ri中频时，电容开路，其增益为4.3.1

单管共射放大电路的高频特性放大倍数及上截频的估算上图可看作两个低通电路的级联。4.3.1

单管共射放大电路的高频特性第三节：双极型晶体管放大电路的频率特性主极点放大倍数及上截频的估算使上截频严重下降4.3.1

单管共射放大电路的高频特性放大倍数及上截频的估算密勒单向化近似后将二阶一零系统简化为无零系统.中频反相4.3.1

单管共射放大电路的高频特性放大倍数及上截频的估算若只考虑主极点，密勒单向化近似后成为一阶系统.单向化后的增益及上截频参数分析增益带宽积：影响上限截止频率的主要元件及参数是:在电路参数及晶体管都选定后，基本上是个常数，因而要提高增益，其带宽就要下降.小结：可据此选器件。同时，信号源内阻应尽可能小，即共射放大电路应尽可能恒压激励.4.3.1

单管共射放大电路的高频特性用时间常数法估算放大电路的截止频率4.3.1

单管共射放大电路的高频特性用时间常数法估算放大电路的截止频率4.3.1

单管共射放大电路的高频特性4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性令4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性将电流源分别等效到输入、输出回路中。输入回路的电流源可等效为一纯电阻4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性由于输入回路电容较共射电路要小，且共基回路的输入电阻也相对较小，故共基电路的输入回路时间常数会远小于共射电路因此共基电路电压增益的上截止频率要高于相同工作条件下的共射电路。4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性时间常数大，决定主极点频率4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性时间常数大，决定主极点频率4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性共基放大电路的电流增益、上限截止频率、输入输出阻抗均可较好地满足对电流跟随器的要求。4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性忽略后共基放大电路电压增益的上限截止频率主要由输出回路的极点值决定。对的影响程度与的大小有关；为了扩展频带，除选用高的管子外，共基极电路宜于恒流激励，而且不宜过大。第三节双极型晶体管放大电路的频率特性4.3.2单管共基放大电路的高频特性若负载带有容性，则输出回路的时间常数可能会限制共基极放大电路的上截频。第三节双极型晶体管放大电路的频率特性4.3.2单管共基放大电路的高频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性4.3.3单管共集放大电路的高频特性结电容跨接于输入、输出端之间，故可根据密勒定理来分析其影响。由于共集电路的电压跟随特性，的密勒效应较小，电路的上限截止频率相应会较高，高于相同条件下的共射放大电路。第三节双极型晶体管放大电路的频率特性4.3.3单管共集放大电路的高频特性由近似分析可知，用减小信号源内阻，选基区体电阻效应较小的管子，增大负载电阻的方法可以提高共集电路的源电压增益上限截止频率。当信号源频率较低时，耦合电容、旁路电容的阻抗增加，从而使得增益的模值减小，相移增大。分析可知，欲降低放大电路的下截止频率，应增加耦合电容的容量，增大放大电路的输入电阻和负载电阻。直接耦合电路的下截频为零频。4.3.4放大电路的低频特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性例题一解：C1、C2、Ce影响低频特性，每个电容产生一个高通环节。利用时间常数法，C1、C2、Ce中考虑一个电容时，可将其余两个短路。C1所在回路的等效电路从C1看进的等效电阻为：C2所在回路的等效电路从C2看进的等效电阻为：Ce所在回路的等效电路从Ce看进的等效电阻为：为改善低频特性，Ce取值要远大于C1、C2。fHfLefL2fL120--80--60--40--ff-270--0---90---180--fHfLefL2fL190--10fLe0.1fH10fH1、耦合方式?2、在f＝104Hz时，附加相移φ=？解：1、直接耦合；2、φ=3x(-45o)=-135o例题二4.3.5组合放大电路的频率特性第三节双极型晶体管放大电路的频率特性一、共射—共基组合放大电路又称为串接放大电路。一、共射—共基组合放大电路中频交流通路4.3.5

组合放大电路的频率特性设两管参数相同4.3.5

组合放大电路的频率特性一、共射—共基组合放大电路高频响应特性好，频带宽。4.3.5

组合放大电路的频率特性一、共射—共基组合放大电路二、共集—共射组合放大电路4.3.5

组合放大电路的频率特性射随的输出电阻较低，故提高了后级共射电路的上截频。由于射随的电压增益近似为1，故组合电路的中频增益与共射电路接近。二、共集—共射组合放大电路4.3.5

组合放大电路的频率特性第四节场效应管放大电路的频率特性4.4.1基本共源放大电路的频率特性衬源短路时的MOS管等效模型第四节场效应管放大电路的频率特性4.4.1基本共源放大电路的频率特性由于输出回路为容性负载，此时密勒等效阻抗的表达式复杂，等效处理失去意义。手动计算时，可以使用电路