放大器的頻率響應(yīng)

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)夏煒煒夏煒煒揚州大學物理科學與技術(shù)學院揚州大學物理科學與技術(shù)學院E-mail：第四章 放大器的頻率響應(yīng)本章節(jié)將介紹電子線路頻率響本章節(jié)將介紹電子線路頻率響應(yīng)的概念，以及放大器上、下截止應(yīng)的概念，以及放大器上、下截止頻率和通頻帶的關(guān)系，介紹頻率響頻率和通頻帶的關(guān)系，介紹頻率響應(yīng)波特圖的畫法。并用晶體管混合應(yīng)波特圖的畫法。并用晶體管混合參數(shù)等效模型分析晶體管的高頻參數(shù)等效模型分析晶體管的高頻特性。特性。要求：要求：l掌握放大電路頻率特性的相關(guān)概念；掌握放大電路頻率特性的相關(guān)概念；l會計算只含一個時間常數(shù)時電路的會計算只含一個時間常數(shù)時電路的f fL L和和f fH

2、H；l能畫出近似波特圖；能畫出近似波特圖；l理解增益帶寬積的概念；理解增益帶寬積的概念；l定性了解多級放大電路頻帶寬度與單級的定性了解多級放大電路頻帶寬度與單級的關(guān)系關(guān)系 問題提出：問題提出：由于放大電路中存在電抗元件由于放大電路中存在電抗元件（如管子的極間電容，電路的負載電容、分（如管子的極間電容，電路的負載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等），當布電容、耦合電容、射極旁路電容等），當信號頻率較高或較低時，不但放大倍數(shù)會變信號頻率較高或較低時，不但放大倍數(shù)會變小，而且會產(chǎn)生超前或滯后的相移，使得放小，而且會產(chǎn)生超前或滯后的相移，使得放大電路對不同頻率信號分量的放大倍數(shù)和相大電路對不同頻

3、率信號分量的放大倍數(shù)和相移都不同。移都不同。 4.1 頻率響應(yīng)的一般概念頻率響應(yīng)的一般概念一一幅度失真：幅度失真：放大電路對不同頻率信放大電路對不同頻率信號的幅值放大不同號的幅值放大不同; ;out二次諧波二次諧波基波基波輸入信號輸入信號tou輸出信號輸出信號二次諧波二次諧波基波基波幅度失真幅度失真二二相位失真：相位失真：放大電路對不同頻率信放大電路對不同頻率信號產(chǎn)生的相移不同；號產(chǎn)生的相移不同；幅度失真和相位失真總稱為幅度失真和相位失真總稱為線性失真或線性失真或頻率失真。頻率失真。out二次諧波二次諧波基波基波輸入信號輸入信號tou輸出信號輸出信號二次諧波二次諧波基波基波相位失真相位失真2.

4、2.三極管的三極管的 ( ( ) )是頻率的函數(shù)。是頻率的函數(shù)。 在研究線性特性時，三極管的低頻小信號模在研究線性特性時，三極管的低頻小信號模型不再適用，而要采用高頻小信號模型。型不再適用，而要采用高頻小信號模型。電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因電路中存在著電抗器件是影響頻響的主要因素，研究頻響實際上是研究電抗元件對放大器放素，研究頻響實際上是研究電抗元件對放大器放大倍數(shù)的影響。大倍數(shù)的影響。當當f f低時，主要是耦合電容、旁路電容起作用低時，主要是耦合電容、旁路電容起作用. .當當f f高時，主要是高時，主要是PNPN結(jié)電容起作用。結(jié)電容起作用。1.1.放大電路中存在電抗性元件。放大電

5、路中存在電抗性元件。 例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、器、PNPN結(jié)電容、分布電感等結(jié)電容、分布電感等; ;三三 產(chǎn)生線性失真的原因是產(chǎn)生線性失真的原因是: :四四 線性失真與非線性失真線性失真與非線性失真線性失真和非線性失真同樣都是使輸出信號產(chǎn)生畸線性失真和非線性失真同樣都是使輸出信號產(chǎn)生畸變，但兩者有本質(zhì)區(qū)別。具體體現(xiàn)在以下兩點：變，但兩者有本質(zhì)區(qū)別。具體體現(xiàn)在以下兩點： 1.1.起因不同：起因不同：線性失真是由電路中的線性電抗元件線性失真是由電路中的線性電抗元件對不同信號頻率的響應(yīng)不同而引起對不同信號頻率的響應(yīng)不同而引起( (也稱頻率失真也

6、稱頻率失真) )，非線性失真由電路中非線性元件的非線性特性（如非線性失真由電路中非線性元件的非線性特性（如BJTBJT、FETFET的特性曲線等）引起的。的特性曲線等）引起的。 2. 2. 結(jié)果不同：結(jié)果不同：線性失真只會使各線性失真只會使各頻率分量信號的比頻率分量信號的比例關(guān)系和時間關(guān)系發(fā)生變化，或濾掉某些頻率分量例關(guān)系和時間關(guān)系發(fā)生變化，或濾掉某些頻率分量信號信號。但非線失真，會將正弦波變?yōu)榉钦也?，它。但非線失真，會將正弦波變?yōu)榉钦也?，它不僅包含輸入信號的頻率成分，而且還產(chǎn)生許多新不僅包含輸入信號的頻率成分，而且還產(chǎn)生許多新的諧波成分的諧波成分。放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系。放大器

7、的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系。五五 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)( (頻率特性頻率特性) )：()uAf()()uuAAff )( f 電壓放大倍數(shù)的幅值與頻率電壓放大倍數(shù)的幅值與頻率f f 的函數(shù)關(guān)系，稱為的函數(shù)關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng) 放大倍數(shù)的放大倍數(shù)的相位相位 與頻率與頻率f f的的函數(shù)函數(shù)關(guān)系稱為關(guān)系稱為相頻響應(yīng)相頻響應(yīng) 六六 波特圖波特圖在研究放大電路的頻率響應(yīng)時，由于信號的在研究放大電路的頻率響應(yīng)時，由于信號的頻率范圍很寬（從幾赫到幾百兆赫以上），頻率范圍很寬（從幾赫到幾百兆赫以上），放大電路的放大倍數(shù)也很大（可達百萬倍），放大電路的放大倍數(shù)也很大（可達百萬倍），為壓縮坐標，擴大視野，在畫頻

8、率特性曲線為壓縮坐標，擴大視野，在畫頻率特性曲線時，頻率坐標采用對數(shù)刻度，而幅值（以時，頻率坐標采用對數(shù)刻度，而幅值（以dBdB為單位）或相角采用線性刻度。在這種半對為單位）或相角采用線性刻度。在這種半對數(shù)坐標中畫出的幅頻特性和相頻曲線稱為對數(shù)坐標中畫出的幅頻特性和相頻曲線稱為對數(shù)頻率特性或波特圖。數(shù)頻率特性或波特圖。 為了在同一坐標系中表示比較寬的變化范圍，在為了在同一坐標系中表示比較寬的變化范圍，在畫頻率特性曲線時采用對數(shù)坐標，稱為波特圖。畫頻率特性曲線時采用對數(shù)坐標，稱為波特圖。 (a) 高通電路波特圖高通電路波特圖 (b) 低通電路波特圖低通電路波特圖 lg f 波特圖由對數(shù)幅頻特性和

9、波特圖由對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性兩部分組成，它們對數(shù)相頻特性兩部分組成，它們的橫軸采用對數(shù)刻度的橫軸采用對數(shù)刻度 uA 幅頻特性的縱軸采用幅頻特性的縱軸采用20lg 表示，單位是分貝表示，單位是分貝（dB）；相頻特性的縱軸用相頻特性的縱軸用 表示。表示。 頻率響應(yīng)波特圖頻率響應(yīng)波特圖放大電路中的頻率參數(shù)放大電路中的頻率參數(shù) 在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。使動態(tài)信號損失，放大能力下降。高通電高通電路路低通低通電路電路 在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分

10、布電容、寄生電容在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，晶體管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。下限頻率下限頻率上限頻率上限頻率LHbwfff結(jié)電容結(jié)電容4.2 單時間常數(shù)單時間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)電路的頻率響應(yīng)一一RC低通電路的頻率響應(yīng)低通電路的頻率響應(yīng) 在放大電路的高頻區(qū)，影響頻率響應(yīng)的主要因在放大電路的高頻區(qū)，影響頻率響應(yīng)的主要因是是管子的極間電容和接線電容等管子的極間電容和接線電容等，它們在電路中與其，它們在電路中與其它支路是并聯(lián)的，因此它們對高頻響應(yīng)的影響可用它支路是并聯(lián)的，因此它們對高頻響應(yīng)

11、的影響可用如圖所示的如圖所示的 RC 低通電路來模擬。低通電路來模擬。RC低通電路低通電路1.1.電壓放大倍數(shù)：電壓放大倍數(shù)：111111( )1( )11( )ouHisCusAssR CRu ssC 解得：解得：112121CRfhH 2.2.時間常數(shù)：時間常數(shù)：11CR h 1( )1uHHAsfjf fjjs 2 21( ) |( )|1()uHuHHAsAsff )arctan(Hff 對上式取對數(shù)得：對上式取對數(shù)得：220lg|( )|20lg 1()uHHfAsf uHHff20lg|A(s)|0dB uHHHfff20lg|A(s)|-20lg()f uHHff20lg|A(s

12、)|-20lg 23dB 21( ) |( )|1()VHuHHAsAsff 3.3. 幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)4.4.相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)f10fH，-900；0.1fHf10fH，-450/十倍程十倍程。)arctan(Hff 折線近似法：折線近似法：ffH，用斜率為，用斜率為-20dB-20dB每十倍頻直線表示。每十倍頻直線表示?？僧嫵鋈鐖D實線?？僧嫵鋈鐖D實線。兩畫法的最大誤差為兩畫法的最大誤差為3dB，發(fā)生在，發(fā)生在f=fH處。處。5.5.幅頻響應(yīng)的折線近似畫法幅頻響應(yīng)的折線近似畫法折線近似法：折線近似法：f10fH， -900； 0.1fHf10fL， 00 ； f0.1fL， 900 ； 0.

13、1fLffffL L，用零分貝即橫坐標，用零分貝即橫坐標表示；表示；fff10fL， 00 ；f0.1fL， 900 ；0.1fLf Rs，Rb rbe；(1 + gmRc)Cb c Cb eCRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故cbbbs)(21 CrRcbbbsHsm)(21 CrRfAu說明：說明：HsmfAu 式很不嚴格，但從中可以看出一個大式很不嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb 和和 Cb c 的值即被的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，若將放大倍數(shù)確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，若將放大倍

14、數(shù)提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。提高若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄同樣的倍數(shù)。如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用放大電路，首要的問題是選用 rbb 和和 Cb c 均小的高頻均小的高頻三極管。三極管。直接耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng)直接耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng)圖圖 3.3.13fHfdB/lg20uAOmlg20uA 27010 fH 20dB/十倍頻十倍頻 1800.1fH 90fO 無隔直電容無隔直電容，在低頻段在低頻段電壓放大倍數(shù)不會下降，也不產(chǎn)電壓放大倍數(shù)不會下降，也不產(chǎn)生附加的相位移。生附

15、加的相位移。多級放大電路的頻率響應(yīng)多級放大電路的頻率響應(yīng)多級放大電路的幅頻特性和相頻特性多級放大電路的幅頻特性和相頻特性多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：unuuuAAAA 21對數(shù)幅頻特性為：對數(shù)幅頻特性為： nkukunuuuAAAAA121lg20lg20lg20lg20lg20多級放大電路的總相位移為：多級放大電路的總相位移為： nkkn121 兩級放大電路的波特圖兩級放大電路的波特圖圖圖 3.4.1fHfL幅頻特性幅頻特性fdB/lg20uAOfL1fH16 dB3 dB3 dBBW1BW一一 級級二二 級級圖圖 3.4.1相頻特性相頻特性 270 360fL1

16、fH1fO 540 180 450 90一一 級級二二 級級多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。通頻帶為窄。多級放大電路的上限頻率和下限頻多級放大電路的上限頻率和下限頻率率2H22H21HH1111 .11nffff 2L22L21LL1 . 1nffff 在實際的多級放大電路中，當各放大級的時間常數(shù)在實際的多級放大電路中，當各放大級的時間常數(shù)相差懸殊時，可取其主要作用的那一級作為估算的依據(jù)。相差懸殊時，可取其主要作用的那一級作為估算的依據(jù)。1. 由于放大器件存在極間電容，以及電路中的電抗性元由于放大器件存在極間電容，以及電路中的電抗性元件，因此，放大電路的電壓放大倍數(shù)是頻度的函數(shù)。件，因此，放大電路的電壓放大倍數(shù)是頻度的函數(shù)。這種函數(shù)關(guān)系稱為頻率響應(yīng)；這種函數(shù)關(guān)系稱為頻率響應(yīng)；2. 三個頻率參數(shù)：三個頻率參數(shù)：ffTf；3. 阻容耦合單管共射放大電路，低頻段電壓放大倍數(shù)下阻容耦合單管共射放大電路，低頻段電壓放大倍數(shù)下降主要原因是輸入信號在隔直電容上產(chǎn)生壓降，同時降主要原因是輸入信號在隔直電容上產(chǎn)生壓降，同時還將產(chǎn)生還將產(chǎn)生0+900超前附加相位移，高頻段主要是由極超前