低频电子电路-第5章 放大器频率特性基础

《低频电子电路》----------人民邮电出版社普通高等教育“十一五”国家级规划教材授课：曾浩5.1.1频率特性的稳态描述方法5.2单元放大器频率特性基础5.1.2基本增益器件的频率特性与电路模型5.1

频率特性描述方法与基本增益器件频率特性第五章放大器频率特性基础5.2.1双极型单元放大电路的频率特性5.2.2放大器频率特性分析举例第五章放大器频率特性基础

放大器频率特性是指放大电路的输入与输出电量关系表达式受输入信号频率变化的影响特性。原因在于放大器内部存在电容或电感等动态记忆元器件，即无论放大器内部存在的电容或电感是否线性，都将引起放大倍数表达式随信号频率变化。第五章放大器频率特性基础

一般而言，放大器中含有电抗元件。在多频率的模拟信号激励下，因频率的不同，放大器增益会随之改变，因此，一般情况下，稳态情况的增益应采用复数表达：由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。注意：线性失真不产生新的频率成份。由于信号频率变化引起增益改变，可致使放大器输出波形不能反应输入变化规律的情况，定义为放大器的频率失真。第五章放大器频率特性基础（1）不同频率信号，对增益的幅频特性的影响（2）不同频率信号，对增益的相频特性的影响若对不同频率，增益的模不为常数，则输出会出现失真，即幅度失真。若对不同频率，增益的时延不为常数，则输出会出现失真，即相位失真。无相位失真的条件为：注：一般音频放大器应考虑是否存在幅度失真；视频放大器则对幅度失真与相位失真都应考虑。第五章放大器频率特性基础1）写出电路传递函数表达式

A(j

)

频率特性分析一般步骤3）确定上、下限角频率

2）绘制渐近波特图第五章放大器频率特性基础5.1频率特性描述方法与基本增益器件频特性第五章放大器频率特性基础图5-1-1共发射极放大器的小信号等效通路从上图可知（1）串联大电容C1、C2和将在频率减小时，使放大电路增益降低；（2）三极管中PN结结电容Cb’e、Cb’c将在频率增加时，使放大电路增益降低。第五章放大器频率特性基础0f/HzA(f)0f/Hz

A(f)幅频特性相频特性通频带：对应上限频率fH

、及下限频率fL

。AIAI2fHfL图5-1-1共发射极放大器的频率分析示意图增益下降到时，第五章放大器频率特性基础5.1.1频率特性的稳态描述方法1.波特图的坐标特点幅频和相频特性波特图的横坐标均采用对数坐标。这样才可能把各个频段的特性在同一个图上描述出来。注意横坐标没有零。lg1=0，lg2=0.30，lg3=0.48，lg4=0.60，lg5=0.70lg6=0.78，lg7=0.85，lg8=0.90，lg9=0.95，lg10=1第五章放大器频率特性基础（a）相频特性纵坐标

（b）幅频特性纵坐标幅频特性纵坐标对增益来说是对数坐标，如图（b）所示，但增益通过dB方式标注，第五章放大器频率特性基础

RC低通电路频率响应CR+-+-vi(t)vo(t)

由图，传递函数表达式：时间常数式中，幅值或相角2.基本传递函数因子的波特图第五章放大器频率特性基础0

H0.1

H10

HAv(

)/dB

-20-30

H0.1

H10

H

A(

)

-45

-90

-5.7

绘制渐近波特图：根据画出幅频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：幅频

<<

H时，

>>

H时，

=

H

时，相频

<0.1

H

时，

>10

H

时，

=

H

时，-20dB/十倍频-45

/十倍频第五章放大器频率特性基础

确定上限角频率：0

p0.1

p10

pAv(

)/dB

-200

p0.1

p10

p

A(

)

-45

-90

-20dB/十倍频-45

/十倍频归纳一阶因子渐近波特图画法：幅频渐近波特图：已知

自0dB水平线出发，经

p转折成斜率为（–20dB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：

自0

水平线出发，经0.1

p处转折，斜率为(–45

/十倍频)，再经10

p处转折为-90

的水平线。因

=p时，

H=p第五章放大器频率特性基础

RC高通电路频率响应

由图，传递函数表达式：时间常数式中，幅值相角CR+-+-vi(t)vo(t)下限角频率：因

=L时，

L

第五章放大器频率特性基础0

L0.1

L10

L

A(

)

45

90

绘制渐近波特图：根据画出幅频波特图画出相频波特图0

L0.1

L10

LAv(

)/dB

-2020dB/十倍频-45

/十倍频幅频渐近波特图：>L：0dB水平线；

<L：斜率为(20dB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：<0.1

L：-90

的水平线。0.1

L<<10

L：斜率为(–45

/十倍频)的直线。

>10

L

：0

水平线。第五章放大器频率特性基础

多个一阶因子系统频率响应

利用RC低通电路分析结果，得传递函数表达式：式中C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3

如图所示的三级理想电压放大器，Ri

，Ro0。试画渐近波特图，并求

H。已知R1C1>R2C2>R3C3第五章放大器频率特性基础

频率特性表达式：幅频及相频表达式：均为单阶因子波特图的叠加。假设0

H20.1

H110

H3

A(

)

-90

H1

H3-180

-270

0

H2

H1

p3Av(

)/dB

204060-20

H3-20dB/十倍频-40dB/十倍频-60dB/十倍频-45

/十-90

/十-45

/十第五章放大器频率特性基础归纳多极点系统渐近波特图画法：幅频渐近波特图：

自中频增益AvI(dB)的水平线出发，经

pn转折成斜率为（–20ndB/十倍频）的直线。相频渐近波特图：自0

水平线出发，经0.1

p1处开始转折，斜率为：

(–45

/十倍频）乘以（单阶因子重叠的段数），再经10

pn，转折成-90

n的水平线。已知第五章放大器频率特性基础

确定上、下限角频率：根据定义，当

=H时：即整理并忽略高阶小量得：将上式推广到多级放大器。则上限截止频率为上限角频率第五章放大器频率特性基础若

H24

H1，则称

H1为主极点，

H2、

H3为非主极点。上限角频率取决于主极点角频率：对于下限截止频率也可以推出结论如下：简单来说，放大器级数越多（其中电容越多），通频带越窄。第五章放大器频率特性基础例1：解：可以判断上图所示频率特性为二级理想电压放大器的频率特性，Ri

，Ro

0。一级为低通放大器，一级为高通放大器，电路示意图如下：C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2已知某两级放大器的频率特性如下式，试画出其波特图20dB/十倍频0

fLAv(f)/dBf204060-20fH1kHz10MHz-20dB/十倍频00.1fH10fH

(f)f-90

fH-180

-270

90

0.1fL10fLfL-45

/十倍频-45

/十倍频

高频工作，考虑三极管极间电容影响时，

为频率的复函数。5.1.2基本增益器件的频率特性与电路模型经推导得其中

/2

指

(

)下降到中频

的0.707倍时对应的角频率。

()

共发电路截止角频率

根据定义rbb

rberceCbeCbcgmVbe(j)b

ebcIb(j)Ic(j)第五章放大器频率特性基础三极管频率特性参数当

=

T时因此

指

(

)下降到1时，对应的角频率。特征角频率

T

/2

()

T1根据

T>>

T是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。及第五章放大器频率特性基础

指

(

)下降到中频

的0.707倍时对应的角频率。

共基电路截止角频率

>

T>>

根据及整理得其中

三个频率参数中应用最广、最具代表性的是特征角频率

T。通常，

T越高，三极管高频性能越好，构成的放大器上限频率越高。第五章放大器频率特性基础一般来说，场效应管比晶体管有更高的上限截止频率。单个场效应管的频率特性计算时，常采用如图所示小信号等效电路。第五章放大器频率特性基础场效应管的频率特性描述5.2单元放大器频率特性基础放大单元的下限截止频率由外接电容决定，上限截止频率由增益管内部结电容决定。对于直接耦合放大器，因无外接电容，即电路下限截止频率fL=0，通频带BW0.7=fH

。第五章放大器频率特性基础设原四端网络传递函数：

密勒定理和单向化近似模型5.2.1双极型单元放大电路的频率特性密勒定理等效后：网络+-+-V1(jω)V2(jω)Y1(jω)Y2(jω)●●第五章放大器频率特性基础网络+-+-V1(jω)V2(jω)Y

(jω)●●

单向化近似共发交流通路RC+-vo+-vsRLRS+-vi由等效电路整理得单向化近似条件则第五章放大器频率特性基础

共发高频等效电路及密勒近似第五章放大器频率特性基础可以得出：fH2由输出回路确定的极点频率，具体计算公式为:电路上限截止频率：第五章放大器频率特性基础fH1为由输入回路确定的极点频率，具体计算公式为:(a)低、中频等效电路共发放大电路的下限截止频率分析低频响应主要取决于放大电路的外接电容，常用如下工程分析步骤。先画出图示交流等效电路耦合电容和旁路电容不能忽略，然后分别求解每个电容单独作用时（其它电容此时短路）的下限截止频率fLn

,第五章放大器频率特性基础C1单独作用时C2单独作用时CE单独作用时第五章放大器频率特性基础增益带宽积若，则有：信号源内阻越小，并且选rbb

小、Cbc小、

T高的三极管可使GBW

。第五章放大器频率特性基础提高共发电路上限频率的方法：

在电路输入端采用低阻节点（即RS小）。

在电路输出端也采用低阻节点（即RL

小）。

此时，共发电路上限角频率

H最高，且接近管子特征角频率

T。第五章放大器频率特性基础解：（1）上限截止频率

由上面的计算可发现，上限截止频率主要受影响。（2）下限截止频率由上面的计算可发现，旁路电容的容量最大，对下限频率影响也最大。

共集放大器上限截止频率分析由于因此，Cbc可忽略不计。令RL=rce//RE//RL简化等效电路rbb

rbeCbegmVbeb

VoRS+-R

L+-VseIb(s)●●●第五章放大器频率特性基础由简化等效电路：式中：上限截止频率：

并联在Cbe两端的总电阻

如采用恒压源（RS

0）激励：

共集电路输入为低阻节点(RS小)时，上限角频率fH

fT

。考虑到混和π型电路实际情况，共集电路应工作在fT

/3以下。简化等效电路rbb

rbeCbegmVbeb

VoRS+-R

L+-VseIb(s)●●●第五章放大器频率特性基础

共基极放大器的频率特性(a)中高频交流通路

(b)中高频小信号等效电路

(c)简化等效电路

(d)分析等效电路第五章放大器频率特性基础由简化等效电路：式中：共基电路输出为低阻节点(RL

小)时，上限角频率fH