第五章放大電路的頻率響應(yīng)(shenjiweiban)

1、5.1 5.1 簡單簡單RCRC低通和高通電路的頻率響應(yīng)低通和高通電路的頻率響應(yīng)5.2 5.2 三極管放大電路的頻率響應(yīng)三極管放大電路的頻率響應(yīng) 5.3 5.3 負(fù)反饋放大電路的自激和頻率負(fù)反饋放大電路的自激和頻率補(bǔ)償補(bǔ)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(dāng)輸入信號(hào)的頻率過低或過高及晶體管極間電容的存在，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過低或過高時(shí)，不但時(shí)，不但放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)變小，而且還將產(chǎn)生超前或滯放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)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(hào)頻率的函數(shù)，這種函數(shù)。這說明放大倍數(shù)是信號(hào)

2、頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為關(guān)系稱為頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)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(yīng)低通和高通電路的頻率響應(yīng)若考慮電抗性元件的作用和信號(hào)角頻率變量，則若考慮電抗性元件的作用和信號(hào)角頻率變量，則放大電路的電壓增益可表達(dá)為放大電路的電壓增益可表達(dá)為)j(U)j(U)j(AiOu)()(AAuu或式中式中為信號(hào)的角頻率，為信號(hào)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(guān)系，稱為模與角頻率之間的關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)；（）表示放大電路輸出與輸入電壓信號(hào)的相位差與角頻表示放大電路輸出與輸入電壓信號(hào)的相位差與角頻率之間的關(guān)系，

3、稱為率之間的關(guān)系，稱為相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)。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(hào)的頻率范圍常常在幾赫到上百兆赫，放大倍信號(hào)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(gè)坐標(biāo)系中表示數(shù)從幾倍到上百萬倍，為了在同一個(gè)坐標(biāo)系中表示如此寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時(shí)常采用對如此寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時(shí)常采用對數(shù)坐標(biāo)，稱為數(shù)坐標(biāo)，稱為波特圖波特圖。 畫波特圖時(shí)，常采用折線化畫法，稱為近似折線畫波特圖時(shí)，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(diǎn)，由兩段直線近似曲的波特圖，以截止頻率為拐點(diǎn)，由兩段直線近似曲線。線。幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng) 在輸入信號(hào)幅值保持不變條件下，增益下降在輸入信號(hào)幅值保持不變條件下，增益下降3 3dBdB的頻率點(diǎn)，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一的頻率點(diǎn)，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(diǎn)。半功率點(diǎn)。中頻區(qū)中頻區(qū) 高低兩個(gè)高低兩個(gè)半功率點(diǎn)間半功率點(diǎn)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(shí)，三極管的低：研究頻率特性時(shí)，三極管的低頻小

5、信號(hào)等效模型已經(jīng)不適用，而要采用頻小信號(hào)等效模型已經(jīng)不適用，而要采用高高頻小信號(hào)模型頻小信號(hào)模型。 在放大電路中由于耦合電容的存在，對信號(hào)構(gòu)成在放大電路中由于耦合電容的存在，對信號(hào)構(gòu)成高通電路高通電路。由于半導(dǎo)體器件的極間電容的存在，對。由于半導(dǎo)體器件的極間電容的存在，對信號(hào)構(gòu)成信號(hào)構(gòu)成低通電路低通電路?；芈返臅r(shí)間常數(shù)回路的時(shí)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(shí)時(shí)1uA 0f = fH時(shí)時(shí)12uA 45f 10fH 時(shí)時(shí)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(diǎn)是放大電路的該點(diǎn)是放大電路的半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)，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(shí)，相應(yīng)的可近時(shí)，相應(yīng)的可近似得似得=0=0o o和和=-90=-90o o，當(dāng)頻率為當(dāng)頻率為fhfh時(shí)，相位滯時(shí)，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(shí)間常數(shù)回路的時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)12uA 45用分貝表示，則用分貝表示，則20lg|Au|=-3dB該點(diǎn)是放大電路的該點(diǎn)是放大電路的半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(jì)。所以較小，常常忽略不計(jì)。所以ebebcbcbrrrrebebcbcbCCCC5.25.2三極管放大電路的頻率響應(yīng)三極管放大電路的頻率響應(yīng)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(jié)電阻發(fā)射結(jié)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(jié)電容發(fā)射結(jié)電容 約為幾十約為幾十幾幾百皮法。百皮法。ebC集電結(jié)電容集電結(jié)電容 約在約在210pF范圍范圍內(nèi)。內(nèi)。cbC集電結(jié)電阻集電結(jié)電阻 約為約為100K10M 之間之間 。cbrCbcCbe 由于結(jié)電容的影響，由于結(jié)電容的影響， 和和 不能保證正比關(guān)系，因而不能保證正比關(guān)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(jié)電容斷開三極管結(jié)電容斷開 對高頻信號(hào)，耦合電容可認(rèn)為短路，則高頻等效對高頻信號(hào)，耦合電容可認(rèn)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(gòu)成低通電路輸入回路構(gòu)成低通電路)(11HUSmUSHffjAARCfH21設(shè)1sb eUUj RComb eLUg UR 11()1oob esb eUSmUSHmLsb esssbeUUUUrAAg RUUUUj RCRrj RC CRC 對低頻信號(hào)，兩個(gè)結(jié)電

13、容可認(rèn)為開路，對低頻信號(hào)，兩個(gè)結(jié)電容可認(rèn)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(gòu)成高通構(gòu)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(yīng)為全頻段的頻率響應(yīng)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(dāng)輸）當(dāng)輸入信號(hào)的頻率入信號(hào)的頻率 或或 時(shí)，該電路實(shí)際的電壓增時(shí)，該電路實(shí)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(dá)式。）寫出該電路的電壓增益的表達(dá)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。或用直接耦合方式CfLU

15、SmmebebHAgCCfHLHbWffff共射極放大電路在室溫下運(yùn)行，其共射極放大電路在室溫下運(yùn)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(jí)放大電路的頻率響應(yīng)多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)對于多級(jí)放大電路對于多級(jí)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(jí)放大電路的波特圖，只要將各單級(jí)放大電路的畫多級(jí)放大電路的波特圖，只要將各單級(jí)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(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率對于多級(jí)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(dāng)某級(jí)的上限頻率比其他各級(jí)小的多時(shí)（一般在當(dāng)某級(jí)的上限頻率比其他各級(jí)小的多時(shí)（一般在5倍倍以上以上），總的上限頻率近似等于該級(jí)的上限頻率。），總的上限頻率近似等于該級(jí)的上限頻率。當(dāng)某級(jí)的下限頻率比其他各級(jí)大的多時(shí)（一般在當(dāng)某級(jí)的下限頻率比其他各級(jí)大的多時(shí)（一般在5倍以倍以上），總的下限頻率近似等于該級(jí)的下限頻率。上），總的下限頻率近似等于該級(jí)的下限頻率。例：已知單級(jí)例：已知單級(jí)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(dāng)頻率小于畫低頻段波特圖，：當(dāng)頻率小于L時(shí)，波特圖為時(shí)，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(shí)，波特圖為斜率為時(shí)，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(dāng)頻率大于畫高頻段波特圖，：當(dāng)頻率大于 H時(shí)，波特圖為時(shí)，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(shí)，波

19、特圖為斜率為時(shí)，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(jí)共射放大電路的倒相作用，所以在中頻區(qū)，由于單級(jí)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(jí)放大電路中，已知第一級(jí)的中頻電壓放大倍數(shù)例：在兩級(jí)放大電路中，已知第一級(jí)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(jí)的中頻電壓放大倍數(shù)二級(jí)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(dá)式。（）寫出電壓放大倍數(shù)表達(dá)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(dá)式為：放大電路的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式為：ffjffjffjffjALLHH21213u111110根據(jù)表達(dá)式根據(jù)表達(dá)式（2 2）畫出幅頻特性）畫出幅頻特性畫出單級(jí)畫出單

21、級(jí)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(jí)放大電路級(jí)放大電路第第2 2級(jí)放大電路級(jí)放大電路總的放大電路總的放大電路先畫出單級(jí)的相頻特性，再疊加先畫出單級(jí)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(diǎn)結(jié)論：幾點(diǎn)結(jié)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(yīng)的主要原因，下限截止頻率主要由應(yīng)的主要原因，下限截止頻率主要由低頻時(shí)間常數(shù)中較小的一個(gè)決定；低頻時(shí)間常數(shù)中較小的一個(gè)決定；2.2.三極管的結(jié)電容和分布電容是引起三極管的結(jié)電容和分布電容是引起放大電路高頻響應(yīng)的主要原因，上限放大電路高頻響應(yīng)的主要原因，上限截止頻率由高頻時(shí)間常數(shù)中較大的一截止頻率由高頻時(shí)間常數(shù)中較大的一個(gè)決定；個(gè)決定；)ffj)(ffj)(ffj(AALLHsms21uu1115.3 負(fù)反饋放大電路的自激與頻率補(bǔ)償負(fù)反饋放大電路的自激與頻率補(bǔ)償對于多級(jí)放大電路，如果引入過深的負(fù)反饋，對于多級(jí)放大電路，如果引入過深的負(fù)反饋，可能

23、引起自激振蕩?？赡芤鹱约ふ袷帯?.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(dāng)當(dāng) 時(shí)說明，此時(shí)放大電路沒有輸入信時(shí)說明，此時(shí)放大電路沒有輸入信號(hào)，但仍有一定的輸出信號(hào)，因此產(chǎn)生了自激振蕩。號(hào)，但仍有一定的輸出信號(hào)，因此產(chǎn)生了自激振蕩。所以，所以，負(fù)反饋放大電路產(chǎn)生自激振蕩負(fù)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(shí)剛起振時(shí)1AF 注意注意:單級(jí)放大電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩；兩級(jí)放單級(jí)放大電路不

24、會(huì)產(chǎn)生自激振蕩；兩級(jí)放大電路當(dāng)頻率趨于無窮大或趨于零時(shí)，才滿足大電路當(dāng)頻率趨于無窮大或趨于零時(shí)，才滿足相位條件，所以也不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩；但相位條件，所以也不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩；但三級(jí)三級(jí)放大電路放大電路，在深度負(fù)反饋條件下，對于，在深度負(fù)反饋條件下，對于某個(gè)頻某個(gè)頻率率的信號(hào)，既滿足相位條件，也滿足幅度條件，的信號(hào)，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(fù)反饋放大電路回路增益的波特圖，利用負(fù)反饋放大電路回路增益的波特圖，分析是否同時(shí)滿足自激振蕩的幅度和相位條件。分析是否同時(shí)滿足自激振蕩的幅度和相位條件。FA例：例：某負(fù)

25、反饋放大電路的波特圖為：某負(fù)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(dāng)可見，當(dāng) f = f0 時(shí)，相位時(shí)，相位移移 AF = -180，滿足相位滿足相位條件；條件；1 FA結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)當(dāng) f = f0 時(shí)，電路同時(shí)滿足自激振蕩的相位條件和時(shí)，電路同時(shí)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(yīng)的對數(shù)幅頻此頻率對應(yīng)的對數(shù)幅頻特性位于橫坐標(biāo)軸之上，特性位于橫坐標(biāo)軸之上，即：即：(a)產(chǎn)生自激產(chǎn)生自激結(jié)論：結(jié)論：該負(fù)反饋放大電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，能夠穩(wěn)定工該負(fù)反饋放大電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，能夠穩(wěn)定工作。作。1 FA例：例：由負(fù)反饋放大電路由負(fù)反饋放大電路 的的波特圖可見，當(dāng)波特圖可見，當(dāng) f = f0 ，相，相位移位移 AF = -180 時(shí)。時(shí)。FAf / HZf / HZf0f060dB/lg20FA4020OO-90-180 AFfcfc(b)不產(chǎn)生自激不產(chǎn)生自激Gm三、負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定裕度三、負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定裕度當(dāng)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(dāng)環(huán)境溫度、電路參數(shù)及