第05章放大电路的频率响应g

放大电路的频率响应第五章第五章

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四版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由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容，当输入信号的频率过低或过高时，放大倍数数值会减小，而且还将产生超前或滞后相移，所以电路的放大倍数不再是一个常数，而是频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。交流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，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。5.1.2频率响应的基本概念由于耦合电容的存在,高频时1/ωC<<R,可视为短路,

低频段时,由于耦合电容的容抗变大,1/ωC<<R不成立，电容的容抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数减小并产生相移。由于三极管极间电容的存在，低频段时,由于三极管极间电容较小,低频段视为开路；

高频时,容抗减小,极间电容将分流，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。总结：耦合电容影响低频特性，极间电容影响高频特性C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+一、

高通电路+_+_CR图5.1.1（a)

RC

高通电路令：从无源RC高通、低通电路进行分析fL

称为下限截止频率则有：放大电路的对数频率特性称为波特图。纵坐标用表示，横坐标用对数刻度lgf0.1fLfL

10fLf0-20-40对数幅频特性：

实际幅频特性曲线：蓝色图5.1.3(a)

幅频特性当f≥

fL(高频)，当f<fL(低频)，高通特性：且频率愈低，的值愈小，低频信号不能通过。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大误差为3dB，发生在f=fL处20dB/十倍频

折线化幅频特性曲线：红色对数相频特性图5.1.3(a)

相频特性5.71º-45º/十倍频fL0.1fL

10fL45º90º0f误差在低频段，高通电路产生0~90°的超前相移。5.71º二、RC

低通电路的波特图图5.1.2

RC

低通电路图+_+_CR令：则：fH

称为上限截止频率图5.1.3(b)

低通电路的波特图对数幅频特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍频对数相频特性：fH

10fH-45º5.71º5.71º-45º/十倍频-90º0.1fH0f在高频段，低通电路产生0~90°的滞后相移。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。5.2.1晶体管的混合模

型一、完整的混合

模型图5.2.1晶体管结构示意图及混合模型5.2晶体管的高频等效模型(a)晶体管的结构示意图(b)混合模型二、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。图5.2.2

简化的混合

模型(b)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因为Cπ＞＞C”μ，且一般情况下。C”μ的容抗远大于集电极总负载电阻R’Ｌ，C”μ中的电流可忽略不计，得简化模型图（C）。图5.2.2

简化混合

模型的简化

(C)

忽略C”μ的混合模型密勒定理：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。5.2.2晶体管电流放大倍数β的频率响应

当信号频率发生变化时，电流放大系数β不是常量，而是频率的函数。

对数幅频特性fTfOf20lg0-20dB/十倍频

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。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。

f

与f

、

fT

之间关系：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。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、低频电压放大倍数图5.4.3低频等效电路

C2

与负载电阻RL构成一个RC高通电路考虑隔直电容C2，不考虑C1的作用，其等效电路：

bce

+Rb~+++RcRsC2

RL

+~+RcC2

RLC2以左部分的频率特性和中频时一样，只需考虑接入C2后的影响，将受控源gmUbe和RC进行等效如右图所示：低频电压放大倍数

+~+RcC2

RL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度三、高频电压放大倍数考虑并联的极间电容的影响，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)—Cл

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

；同时考虑耦合电容和结电容的影响，则有放大倍数的表达式：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。幅频特性fOfL-20dB/十倍频fH20dB/十倍频图5.4.5-270º-225º-135º-180º相频特性-90º10fL0.1fL0.1fH10fHfO3.由五段直线构成相频特性。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。通常情况下：频带宽度近似等于fH，fH和放大倍数之间的矛盾就是带宽和增益的矛盾带宽变大，则增益减小增益增大，则带宽减小为了考虑两方面的性能，引入增益带宽积的概念问题：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Cu

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