第五章放大電路頻率響應(shenjiweiban)

1、5.1 5.1 簡單簡單RCRC低通和高通電路的頻率響應低通和高通電路的頻率響應5.2 5.2 三極管放大電路的頻率響應三極管放大電路的頻率響應 5.3 5.3 負反饋放大電路的自激和頻率負反饋放大電路的自激和頻率補償補償 在放大電路中，由于電抗元件（如電容、電感線圈等）在放大電路中，由于電抗元件（如電容、電感線圈等）及晶體管極間電容的存在，當輸入信號的頻率過低或過高及晶體管極間電容的存在，當輸入信號的頻率過低或過高時，不但時，不但放大倍數(shù)的數(shù)值會變小，而且還將產(chǎn)生超前或滯放大倍數(shù)的數(shù)值會變小，而且還將產(chǎn)生超前或滯后的相移后的相移。這說明放大倍數(shù)是信號頻率的函數(shù)，這種函數(shù)。這說明放大倍數(shù)是信號

2、頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關系稱為關系稱為頻率響應頻率響應或頻率特性。或頻率特性。5.1 5.1 簡單簡單RCRC低通和高通電路的頻率響應低通和高通電路的頻率響應若考慮電抗性元件的作用和信號角頻率變量，則若考慮電抗性元件的作用和信號角頻率變量，則放大電路的電壓增益可表達為放大電路的電壓增益可表達為)j(U)j(U)j(AiOu)()(AAuu或式中式中為信號的角頻率，為信號的角頻率，A Au u（）表示電壓增益的表示電壓增益的模與角頻率之間的關系，稱為模與角頻率之間的關系，稱為幅頻響應幅頻響應；（）表示放大電路輸出與輸入電壓信號的相位差與角頻表示放大電路輸出與輸入電壓信號的相位差與角頻率之間的關系，

3、稱為率之間的關系，稱為相頻響應相頻響應。1kHz100MHz20Hz波特圖波特圖 波特圖由對數(shù)幅頻特性和對數(shù)的相頻特性兩部分波特圖由對數(shù)幅頻特性和對數(shù)的相頻特性兩部分組成。橫軸用組成。橫軸用，縱軸，縱軸 與與 。flgvAlg20 信號的頻率范圍常常在幾赫到上百兆赫，放大倍信號的頻率范圍常常在幾赫到上百兆赫，放大倍數(shù)從幾倍到上百萬倍，為了在同一個坐標系中表示數(shù)從幾倍到上百萬倍，為了在同一個坐標系中表示如此寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時常采用對如此寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時常采用對數(shù)坐標，稱為數(shù)坐標，稱為波特圖波特圖。 畫波特圖時，常采用折線化畫法，稱為近似折線畫波特圖時，常采用折線化畫

4、法，稱為近似折線的波特圖，以截止頻率為拐點，由兩段直線近似曲的波特圖，以截止頻率為拐點，由兩段直線近似曲線。線。幅頻響應幅頻響應 在輸入信號幅值保持不變條件下，增益下降在輸入信號幅值保持不變條件下，增益下降3 3dBdB的頻率點，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一的頻率點，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一半，通常稱為半，通常稱為半功率點。半功率點。中頻區(qū)中頻區(qū) 高低兩個高低兩個半功率點間半功率點間的頻率差定的頻率差定義為放大電義為放大電路的路的帶寬。帶寬。LHbWfff上限截止頻率上限截止頻率下限截止頻率下限截止頻率研究方法研究方法：研究頻率特性時，三極管的低：研究頻率特性時，三極管的低頻小

5、信號等效模型已經(jīng)不適用，而要采用頻小信號等效模型已經(jīng)不適用，而要采用高高頻小信號模型頻小信號模型。 在放大電路中由于耦合電容的存在，對信號構成在放大電路中由于耦合電容的存在，對信號構成高通電路高通電路。由于半導體器件的極間電容的存在，對。由于半導體器件的極間電容的存在，對信號構成信號構成低通電路低通電路?；芈返臅r間常數(shù)回路的時間常數(shù)=R1C1，令令H=1/則則11212CRfHH111111111ouiUj CAUj RCRj C111()1()ouiHHUAfUjjf用幅值和相角表示，則用幅值和相角表示，則)ff(arctgH111()1()ouiHHUAfUjjf211 ()uHAfff

6、0.1fH時時1uA 0f = fH時時12uA 45f 10fH 時時HufAf 90用分貝表示，則用分貝表示，則20lg|Au|=0dB 這是一條與橫軸平行的零分貝線。這是一條與橫軸平行的零分貝線。用分貝表示，則用分貝表示，則20lgAu=20lg|fH/f|(dB)這是一條斜線，其斜率為這是一條斜線，其斜率為-20dB/十倍十倍頻頻。它與零分貝線相交于。它與零分貝線相交于f=fH處。處。用分貝表示，則用分貝表示，則20lg|Au|=-3dB該點是放大電路的該點是放大電路的半功率點半功率點，稱為低，稱為低通電路的通電路的上限頻率上限頻率。211()uHAff)ff(arctgH f fH

7、H稱稱轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率，它也，它也是放大電路的上限頻率。是放大電路的上限頻率。 由于由于f f/ /f fH H=0.1=0.1或或f f/ /f fH H=10=10時，相應的可近時，相應的可近似得似得=0=0o o和和=-90=-90o o，當頻率為當頻率為fhfh時，相位滯時，相位滯后后4545o o故在故在0.10.1f fH H和和1010f fH H稱之間稱之間可用一條斜率為可用一條斜率為-45-45o o/ /十十倍頻倍頻的直線來表示。的直線來表示。波特圖波特圖 回路的時間常數(shù)回路的時間常數(shù)=R2C2，令令L=1/則則22212CRfLL222221111ouiURAURj Cj

8、 R C111()1()ouLLiUAfUjjf用幅值和相角表示，則用幅值和相角表示，則)ff(arctgL111()1()ouLLiUAfUjjf211 ()uLAff)ff(arctgLf 0.1fL時時uLfAf 90用分貝表示，則用分貝表示，則20lgAu=20lg|f/fL |(dB)這是一條斜線，其斜率為這是一條斜線，其斜率為20dB/十倍頻十倍頻。它與零分貝線相交于它與零分貝線相交于f=fL處。處。f = fL時時12uA 45用分貝表示，則用分貝表示，則20lg|Au|=-3dB該點是放大電路的該點是放大電路的半功率點半功率點，稱為高通，稱為高通電路的電路的下限頻率下限頻率。f

9、 10fL 時時1uA 0用分貝表示，則用分貝表示，則20lg|Au|=0dB 這是一條與橫軸平行的零分貝線。這是一條與橫軸平行的零分貝線。211 ()uLAff f fL L稱稱轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率，它也是放大電路的它也是放大電路的下限頻率下限頻率。波特圖波特圖 rc和和re分別為集電區(qū)和分別為集電區(qū)和發(fā)射區(qū)體電阻，它們的值比發(fā)射區(qū)體電阻，它們的值比較小，常常忽略不計。所以較小，常常忽略不計。所以ebebcbcbrrrrebebcbcbCCCC5.25.2三極管放大電路的頻率響應三極管放大電路的頻率響應基區(qū)體電阻基區(qū)體電阻 約在約在50 300之之間。間。bbr發(fā)射結電阻發(fā)射結電阻 約為幾十歐，

10、約為幾十歐，在共射極接法中大約幾千歐。在共射極接法中大約幾千歐。ebr發(fā)射結電容發(fā)射結電容 約為幾十約為幾十幾幾百皮法。百皮法。ebC集電結電容集電結電容 約在約在210pF范圍范圍內(nèi)。內(nèi)。cbC集電結電阻集電結電阻 約為約為100K10M 之間之間 。cbrCbcCbe 由于結電容的影響，由于結電容的影響， 和和 不能保證正比關系，因而不能保證正比關系，因而用用 表示受控電流源。表示受控電流源。bIcIebmUg 電流源電阻電流源電阻rce很大，約為很大，約為100K。CbcCbe000(1)EQcbmTb eb eb eTEIIIgUUUrUI00(1)(1)Tb eeEQUrrI2mb

11、eTgCff fT T是特征頻是特征頻率率，從手冊，從手冊中可以查到。中可以查到。三極管的頻率參數(shù)三極管的頻率參數(shù)12()b eb cb efrCC2mTb egfC1 共發(fā)射極截止頻率共發(fā)射極截止頻率2 特征頻率特征頻率3 共基極截止頻率共基極截止頻率0(1)ff電流放大倍數(shù)下降到電流放大倍數(shù)下降到0.7070電流放大倍數(shù)下降到電流放大倍數(shù)下降到1(/)omb ecLUg URR ()b ebeib ebbb eb eb eUrUrrUrr(/)(/)ssibbebesbbesbeUUURrrRRrRr()()ooiUSmsisb emLbebeSbeb emLSbeUUUAUUUrg Rr

12、rRrrg RRr耦合電容短路耦合電容短路,三極管結電容斷開三極管結電容斷開 對高頻信號，耦合電容可認為短路，則高頻等效對高頻信號，耦合電容可認為短路，則高頻等效電路簡化：電路簡化：(1)MmCb cCg RC電容電容CM稱為稱為密勒電容密勒電容ebMebMCCCCC/ /()b eb bsRrrRb essbesrUUrR 輸入回路構成低通電路輸入回路構成低通電路)(11HUSmUSHffjAARCfH21設1sb eUUj RComb eLUg UR 11()1oob esb eUSmUSHmLsb esssbeUUUUrAAg RUUUUj RCRrj RC CRC 對低頻信號，兩個結電

13、容可認為開路，對低頻信號，兩個結電容可認為開路，則低頻等效電路簡化為：則低頻等效電路簡化為：C輸入回路輸入回路構成高通構成高通電路電路ffjAALUSmUSL11則12 ()LsbefRrC)1)(1 (1)1)(1 (HLUSmHLLUSmUSffjffjAffjffjffjAA)(11HUSmUSffjAA1、在中頻（、在中頻（ ）HLfffUSmUSAA2、在低頻（、在低頻（ ）Lff ffjAALUSmUS113、在高頻（、在高頻（ ）Hff全頻段的頻率響應為全頻段的頻率響應為:某放大電路中的對數(shù)幅頻特性如圖題所示。（某放大電路中的對數(shù)幅頻特性如圖題所示。（1 1）試求該）試求該電路的

14、中頻電壓增益，上限頻率，下限頻率；（電路的中頻電壓增益，上限頻率，下限頻率；（2 2）當輸）當輸入信號的頻率入信號的頻率 或或 時，該電路實際的電壓增時，該電路實際的電壓增益是多少分貝？（益是多少分貝？（3 3）寫出該電路的電壓增益的表達式。）寫出該電路的電壓增益的表達式。 Lff Hff dBAUM60MHzHzfH100108HzfL100dBdBAAUMU573)101)(1001 (1000)101)(1001 (100100088fjfjfjfjfjAU 將中頻電壓增益與通頻帶相乘所得到的乘積稱為將中頻電壓增益與通頻帶相乘所得到的乘積稱為增益帶寬積增益帶寬積?；蛴弥苯玉詈戏绞紺fLU

15、SmmebebHAgCCfHLHbWffff共射極放大電路在室溫下運行，其共射極放大電路在室溫下運行，其參數(shù)為：參數(shù)為：RS=1K，C1=C2=4.7FpFCMHzfrVVobbbBE55 . 0501007 . 0試估算電路的截止頻率試估算電路的截止頻率f fH H。ARVVIbBECCB38mAIIBC9 . 1VRIVVCCCCCE4 . 4684)1 (BTETebIVIVrpFCCobcb5mSVIgTEm1 .73pFCfgCcbTmeb4612MHzffT25pFCRgCcbLmM736)1 (sssbeebsVVRrrV38. 0422)/(bsbbebRRrrRMHzRCfH

16、31. 021pFCCCebM1202多級放大電路的頻率響應多級放大電路的頻率響應對于多級放大電路對于多級放大電路nAAAAu2u1uu其幅頻特性為其幅頻特性為|lg20|lg20|lg20|lg20u2u1unuAAAA相頻特性為相頻特性為nAAAAu2u1uu畫多級放大電路的波特圖，只要將各單級放大電路的畫多級放大電路的波特圖，只要將各單級放大電路的幅頻特性波特圖相幅頻特性波特圖相疊加疊加，相頻特性波特圖相疊加即可，相頻特性波特圖相疊加即可對于多級放大電路的上限頻率和下限頻率對于多級放大電路的上限頻率和下限頻率上限頻率近似公式上限頻率近似公式222211111 . 11HnHHHffff下

17、限頻率近似公式下限頻率近似公式222211 . 1LnLLLffff當某級的上限頻率比其他各級小的多時（一般在當某級的上限頻率比其他各級小的多時（一般在5倍倍以上以上），總的上限頻率近似等于該級的上限頻率。），總的上限頻率近似等于該級的上限頻率。當某級的下限頻率比其他各級大的多時（一般在當某級的下限頻率比其他各級大的多時（一般在5倍以倍以上），總的下限頻率近似等于該級的下限頻率。上），總的下限頻率近似等于該級的下限頻率。例：已知單級例：已知單級共發(fā)射極放大電路的幅頻特性如圖所示，共發(fā)射極放大電路的幅頻特性如圖所示，（1）求放大電路的中頻電壓放大倍數(shù)、下限頻率和）求放大電路的中頻電壓放大倍數(shù)、下

18、限頻率和上限頻率。（上限頻率。（2）畫出相頻特性波特圖）畫出相頻特性波特圖2u| 2010mAdBHzfL100HzfH5102 畫低頻段波特圖，：當頻率小于畫低頻段波特圖，：當頻率小于L時，波特圖為時，波特圖為=-=-180 +90= - -90的水平線，圖中的的水平線，圖中的AB段。頻率在段。頻率在0.1L到到L時，波特圖為斜率為時，波特圖為斜率為-45/十倍頻的斜線。十倍頻的斜線。3 畫高頻段波特圖，：當頻率大于畫高頻段波特圖，：當頻率大于 H時，波特圖為時，波特圖為=-=-180 - - 90 =- -270 的水平線，圖中的的水平線，圖中的EF段。頻率在段。頻率在0.1H到到H時，波

19、特圖為斜率為時，波特圖為斜率為-45/十倍頻的斜線。十倍頻的斜線。1 在中頻區(qū)，由于單級共射放大電路的倒相作用，所以在中頻區(qū)，由于單級共射放大電路的倒相作用，所以中頻段放大倍數(shù)的相位為中頻段放大倍數(shù)的相位為- -180，首先畫出中頻段的，首先畫出中頻段的相頻特性：從相頻特性：從L到到0.1 H，= -= -180 ，圖中的，圖中的CD段。段。例：在兩級放大電路中，已知第一級的中頻電壓放大倍數(shù)例：在兩級放大電路中，已知第一級的中頻電壓放大倍數(shù)Au1= - -100、下限頻率、下限頻率L1=10Hz，上限頻率，上限頻率H1=20kHz；第；第二級的中頻電壓放大倍數(shù)二級的中頻電壓放大倍數(shù) Au2=

20、- -10 、下限頻率、下限頻率L2=100Hz，上限頻率上限頻率H2=150kHz；（；（1）求放大電路的總的中頻電壓）求放大電路的總的中頻電壓放大倍數(shù)。（放大倍數(shù)。（2）寫出電壓放大倍數(shù)表達式。（）寫出電壓放大倍數(shù)表達式。（3）畫出幅）畫出幅頻特性、相頻特性波特圖。頻特性、相頻特性波特圖。解解（1 1）放大電路的總的中頻電壓放大倍數(shù)為：放大電路的總的中頻電壓放大倍數(shù)為：3u21uu10AAA（2 2）放大電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：放大電路的電壓放大倍數(shù)表達式為：ffjffjffjffjALLHH21213u111110根據(jù)表達式根據(jù)表達式（2 2）畫出幅頻特性）畫出幅頻特性畫出單級畫出單

21、級的幅頻特的幅頻特性，再疊性，再疊加加ffjffjffjffjALLHH21213u11111010100 1k10k 102k2040lgf /Hz|A|lgu2010320k60fH H1 1fH H2 2fL1 1fL2 2第第1 1級放大電路級放大電路第第2 2級放大電路級放大電路總的放大電路總的放大電路先畫出單級的相頻特性，再疊加先畫出單級的相頻特性，再疊加畫出相頻特性畫出相頻特性101001k10k 102klgf /Hz103fL1fH120kfH2fL2+90o-90o180o150kffjffjffjffjALLHH21213u111110幾點結論：幾點結論：1.1.放大電路

22、的耦合電容是引起低頻響放大電路的耦合電容是引起低頻響應的主要原因，下限截止頻率主要由應的主要原因，下限截止頻率主要由低頻時間常數(shù)中較小的一個決定；低頻時間常數(shù)中較小的一個決定；2.2.三極管的結電容和分布電容是引起三極管的結電容和分布電容是引起放大電路高頻響應的主要原因，上限放大電路高頻響應的主要原因，上限截止頻率由高頻時間常數(shù)中較大的一截止頻率由高頻時間常數(shù)中較大的一個決定；個決定；)ffj)(ffj)(ffj(AALLHsms21uu1115.3 負反饋放大電路的自激與頻率補償負反饋放大電路的自激與頻率補償對于多級放大電路，如果引入過深的負反饋，對于多級放大電路，如果引入過深的負反饋，可能

23、引起自激振蕩。可能引起自激振蕩。5.3.1產(chǎn)生自激振蕩原因產(chǎn)生自激振蕩原因放大電路的閉環(huán)增益為：放大電路的閉環(huán)增益為：FAAA 1f自激振蕩的幅度條件和相位條件自激振蕩的幅度條件和相位條件01 FA， fA當當 時說明，此時放大電路沒有輸入信時說明，此時放大電路沒有輸入信號，但仍有一定的輸出信號，因此產(chǎn)生了自激振蕩。號，但仍有一定的輸出信號，因此產(chǎn)生了自激振蕩。所以，所以，負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩負反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：的條件是：1 FA幅度條件幅度條件0| 180af相位條件相位條件)FA(1 剛起振時剛起振時1AF 注意注意:單級放大電路不會產(chǎn)生自激振蕩；兩級放單級放大電路不

24、會產(chǎn)生自激振蕩；兩級放大電路當頻率趨于無窮大或趨于零時，才滿足大電路當頻率趨于無窮大或趨于零時，才滿足相位條件，所以也不會產(chǎn)生自激振蕩；但相位條件，所以也不會產(chǎn)生自激振蕩；但三級三級放大電路放大電路，在深度負反饋條件下，對于，在深度負反饋條件下，對于某個頻某個頻率率的信號，既滿足相位條件，也滿足幅度條件，的信號，既滿足相位條件，也滿足幅度條件，可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生自激振蕩自激振蕩。5.3.2 自激振蕩的判斷方法自激振蕩的判斷方法利用負反饋放大電路回路增益的波特圖，利用負反饋放大電路回路增益的波特圖，分析是否同時滿足自激振蕩的幅度和相位條件。分析是否同時滿足自激振蕩的幅度和相位條件。FA例：例：某負

25、反饋放大電路的波特圖為：某負反饋放大電路的波特圖為：FAf / HZf / HZfofo60dB/lg20FA402000-90-180 AF由波特圖中的相頻特性由波特圖中的相頻特性可見，當可見，當 f = f0 時，相位時，相位移移 AF = -180，滿足相位，滿足相位條件；條件；1 FA結論：結論：當當 f = f0 時，電路同時滿足自激振蕩的相位條件和時，電路同時滿足自激振蕩的相位條件和幅度條件，將產(chǎn)生自激振蕩。幅度條件，將產(chǎn)生自激振蕩。此頻率對應的對數(shù)幅頻此頻率對應的對數(shù)幅頻特性位于橫坐標軸之上，特性位于橫坐標軸之上，即：即：(a)產(chǎn)生自激產(chǎn)生自激結論：結論：該負反饋放大電路不會產(chǎn)生自激振蕩，能夠穩(wěn)定工該負反饋放大電路不會產(chǎn)生自激振蕩，能夠穩(wěn)定工作。作。1 FA例：例：由負反饋放大電路由負反饋放大電路 的的波特圖可見，當波特圖可見，當 f = f0 ，相，相位移位移 AF = -180 時。時。FAf / HZf / HZf0f060dB/lg20FA4020OO-90-180 AFfcfc(b)不產(chǎn)生自激不產(chǎn)生自激Gm三、負反饋放大電路的穩(wěn)定裕度三、負反饋放大電路的穩(wěn)定裕度當環(huán)境溫度、電路參數(shù)及電源電壓等在一定范圍內(nèi)變當環(huán)境溫度、電路參數(shù)及電