浙江大學(xué)模擬電路2篇5章放大電路頻率響應(yīng)(新)

第5章放大電路的頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性分析前面所討論的放大器還沒(méi)有涉及對(duì)信號(hào)頻率的響應(yīng)問(wèn)題。放大信號(hào)的頻率不高也不低，鎖定在中頻范圍。耦合電容如C1、C250uF耦合電容交流短路Cj

10pF結(jié)電容交流開(kāi)路結(jié)電容如果信號(hào)頻率很高或很低，就應(yīng)考慮電容的影響2.5.1頻率響應(yīng)概述當(dāng)放大電路的信號(hào)頻率很低或很高時(shí)，由于電路中存在的電抗元件以及晶體管的結(jié)電容和極間電容的影響，放大電路的電壓放大倍數(shù)在低頻段或高頻段都要降低，只有在中頻段范圍內(nèi)放大倍數(shù)為常數(shù)。即放大電路的電壓放大倍數(shù)與信號(hào)頻率有關(guān)。

一、通頻帶和頻率失真在整個(gè)頻帶內(nèi)，放大器電壓增益的復(fù)函數(shù)為：幅頻特性相頻特性通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng)。如對(duì)于擴(kuò)音機(jī)電路，其通頻帶應(yīng)大于音頻范圍(20Hz~20kHz)。上限頻率：fH下限頻率：fL通頻帶：放大電路的頻率響應(yīng)特性（-3dB頻率）在實(shí)際應(yīng)用中，放大器的輸入信號(hào)不是單一頻率的信號(hào)，而是包含多種頻率成分，可以表示為：經(jīng)放大后的輸出電壓為：附加相移下的電壓增益為了實(shí)現(xiàn)高保真的放大，必須做到常數(shù)和當(dāng)增益不是常數(shù)時(shí)，稱(chēng)幅頻失真附加相移不相同時(shí)，稱(chēng)相頻失真兩者都是線性失真，有時(shí)總稱(chēng)頻率失真。注意與晶體管非線性特性引起的飽和和截止失真不同。二、一階RC電路的頻響特性分析一階RC低通濾波電路(積分電路)輸出電壓和輸入電壓傳輸比為:高頻上限頻率寫(xiě)成幅模型式:對(duì)數(shù)幅頻特性：相頻特性：可畫(huà)出RC低通濾波器的頻率特性曲線圖：一階RC高通濾波電路(微分電路)輸出電壓和輸入電壓傳輸比為:低頻下限頻率寫(xiě)成幅模型式:對(duì)數(shù)幅頻特性相頻特性2.5.2三極管的高頻小信號(hào)模型發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)電容由擴(kuò)散電容決定(達(dá)一百皮法左右)；集電結(jié)反偏，結(jié)電容由勢(shì)壘電容決定(幾個(gè)皮法)。物理模型忽略rc、re（為集電區(qū)和發(fā)射區(qū)的體電阻，很?。┗旌夕心Ｐ蛯?duì)集電極電流沒(méi)有貢獻(xiàn)；

才能影響集電極電流的大小。rbb’代表基區(qū)體電阻，為發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻在基極回路中的折合值為受控電流源，與低頻模型中的相對(duì)應(yīng)。簡(jiǎn)化的混合π模型密勒定理單向化處理忽略rbc、rce單向化處理：為中頻時(shí)的電壓放大倍數(shù)，為負(fù)值高頻小信號(hào)模型同理輸出回路時(shí)間常數(shù)輸入回路時(shí)間常數(shù)高頻特性主要決定于小的這個(gè)截止頻率f1f2f為管子降為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，特征頻率手冊(cè)一般給出，，可求出二、場(chǎng)效應(yīng)管的高頻小信號(hào)模型單向化簡(jiǎn)化高頻等效模型簡(jiǎn)化模型2.5.3放大電路的分頻段分析法全頻段

等效電路C通常為10~100μF，Ci

通常為10~100pF分頻段分析法

中頻段：

C容抗很小，交流短路；

Ci

容抗很大，交流開(kāi)路。

低頻段：

C容抗增大，不能忽略；

Ci

容抗更大，交流開(kāi)路。

高頻段：

C

容抗更小，交流短路；

Ci

容抗減小，不能忽略。中頻段電壓放大倍數(shù)與以前所求的低頻（實(shí)為音頻）電壓放大倍數(shù)是一致的。低頻段電壓放大倍數(shù)設(shè)則高頻段電壓放大倍數(shù)設(shè)則將Ci以左部分用戴維南定理簡(jiǎn)化共射放大電路的全頻段電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式：在中頻段，因fH

>>f>>fL，上式近似為在高頻段，因f>>fL，上式近似為

在低頻段，因f<<fH，上式近似為多級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)表達(dá)式：低頻轉(zhuǎn)折頻率和高頻轉(zhuǎn)折頻率的個(gè)數(shù)由放大電路中的電容個(gè)數(shù)所決定，其數(shù)值則與電容所在回路的時(shí)間常數(shù)相關(guān)。頻率響應(yīng)的BODE圖表示橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)頻率刻度對(duì)數(shù)幅頻特性曲線縱坐標(biāo)用分貝表示；對(duì)數(shù)相頻特性曲線縱坐標(biāo)表示相角。好處：把很寬的頻率變化范圍壓縮在較窄的頻率坐標(biāo)以內(nèi)。增益的乘、除運(yùn)算變成了坐標(biāo)的加、減運(yùn)算。采用漸近折線代替繪制十分麻煩的頻率特性曲線。1.

高頻段波特圖的繪制頻率特性表達(dá)式：對(duì)數(shù)幅頻特性表達(dá)式：對(duì)數(shù)相頻特性表達(dá)式：=-arctan最大誤差在f＝fH處(誤差3dB)。最大誤差在f＝0.1fH處(誤差+5.71°)及在f=10fH處(誤差為-5.71°)。2.

低頻段波特圖的繪制頻率特性表達(dá)式：對(duì)數(shù)幅頻特性表達(dá)式：對(duì)數(shù)相頻特性表達(dá)式：=90-arctan最大誤差在f＝

fL處(誤差3dB)。最大誤差在f＝0.1fL處(誤差+5.71°)及在f=10fL處(誤差為-5.71°)。【例】已知一放大電路的頻率響應(yīng)為

分別寫(xiě)出其對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性的表達(dá)式，并畫(huà)出相應(yīng)的波特圖。解：其對(duì)數(shù)幅頻特性表達(dá)式為：其對(duì)數(shù)相頻特性表達(dá)式為：上限頻率下限頻率帶寬2.5.4

多級(jí)放大電路和集成運(yùn)放的頻率響應(yīng)一、多級(jí)放大電路的頻響特性多級(jí)放大電路中，每級(jí)放大電路均可能存在耦合電容、旁路電容和晶體管的極間電容，因而其頻率響應(yīng)相應(yīng)地存在多個(gè)低頻和高頻轉(zhuǎn)折頻率。低頻轉(zhuǎn)折頻率的個(gè)數(shù)由放大電路中的耦合電容和旁路電容個(gè)數(shù)所決定，高頻轉(zhuǎn)折頻率的個(gè)數(shù)由放大電路中的極間電容個(gè)數(shù)所決定。其數(shù)值則取決于各電容所在回路的時(shí)間常數(shù)。如用兩級(jí)頻率特性相同的共射放大器組成多級(jí)時(shí)，則：【例】

已知一多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)為試畫(huà)出它的波特圖，并求出它的上限頻率。解：上限頻率為：

fH100KHz二、集成運(yùn)放的頻率特性由于它是直耦、高增益的多級(jí)放大器，所以其上限頻率很低，開(kāi)環(huán)時(shí)通常為幾十Hz。運(yùn)放典型頻率特性單位增益帶寬-3dB帶寬放大電路的計(jì)算機(jī)輔助分析舉例【例】多級(jí)放大電路如圖所示，vi為5mV(幅值)的正弦交流電壓，設(shè)晶體管Q2N3904的模型參數(shù)為β=132，試用PSPICE程序仿真分析下列項(xiàng)目：

(1)研究放大電路各點(diǎn)的波形，及輸入輸出電壓的相位關(guān)系；

(2)電壓增益的幅頻特性和相頻特性；

(3)當(dāng)頻率從10Hz變化到100MHz時(shí)，繪制輸入阻抗的幅頻特性；

(4)當(dāng)頻率從10Hz變化到100MHz時(shí)，繪制輸出阻抗的幅頻特性。

(5)現(xiàn)有一個(gè)100μF的電容，替換電路中的哪個(gè)電容可以明顯地改善電路的低頻特性？解：(1)研究各點(diǎn)波形，輸入輸出電壓相位關(guān)系瞬態(tài)分析(Transient)可以查看電路中各點(diǎn)的波形。交流分析(ACSweep)

可以查看頻率特性。(2)電壓增益的幅頻特性和相頻特性下限頻率fL為744Hz，上限頻率fH為10MHz；中頻段的電壓放大倍數(shù)為128.8，即42.2dB。(3)輸入阻抗的幅頻特性中頻段時(shí)輸入電阻約為2.4kΩ。(4)求輸出電阻等效電路中頻段時(shí)輸出電阻為22Ω。輸出電阻的幅頻特性(5)當(dāng)Ce從10μF改為100μF電容后，下限頻率fL為79Hz，比原來(lái)的下限頻率有明顯的降低。為什么耦合電容C1、C2等常取十幾或幾十微法，而旁路電容Ce則取上百微法？因?yàn)榕cC1、C2和C3所在回路的等效電阻相比，Ce所在回路的等效電阻要小得多，因此需要較大的電容值，才能使它們所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)折頻率在數(shù)量級(jí)相當(dāng)。一、產(chǎn)生自激的原因和條件以同相比例運(yùn)算電路為例，設(shè)基本放大器具有三個(gè)極點(diǎn)頻率。先可畫(huà)出開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性曲線。2.5.5

負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性自激振蕩是指沒(méi)有輸入信號(hào)(vi=0)時(shí)，放大電路也有輸出(vo≠0)。通常可用示波器觀察到輸出振蕩波形，這時(shí)放大器的閉環(huán)增益趨于無(wú)窮大。在通頻帶內(nèi)為負(fù)反饋通頻帶外轉(zhuǎn)變?yōu)檎答伄a(chǎn)生自激振蕩的條件若=0，則

，說(shuō)明在沒(méi)有輸

入的條件下，放大器也有輸出，此時(shí)放大器產(chǎn)生了自激振蕩。產(chǎn)生自激振蕩的條件為幅值平衡條件相位平衡條件只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，電路才會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。但剛起振時(shí)，要求＞1，才能使振蕩幅度不斷增大，直到滿足幅值平衡條件。某閉環(huán)放大電路如圖所示，在中頻段接成負(fù)反饋，如果在輸入信號(hào)為零時(shí)，由于某種電擾動(dòng)（如合閘通電），其中含有頻率為f0的信號(hào)，使通過(guò)回路增益后產(chǎn)生附加相移，則對(duì)頻率f0，電路由負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?，若又滿足，則產(chǎn)生輸出，電路產(chǎn)生了自激振蕩，且的幅度不斷增大，由于半導(dǎo)體器件的非線性特性，輸出幅度增大后，會(huì)降下來(lái)，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，，這時(shí)，此時(shí)輸入信號(hào)雖然為零，輸入端即反饋信號(hào)可作為輸入信號(hào)維持著輸出信號(hào)，而輸出信號(hào)又維持著反饋信號(hào)，電路產(chǎn)生穩(wěn)定的自激振蕩。+自激振蕩的產(chǎn)生+_負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定工作(不產(chǎn)生自激振蕩)的條件(即穩(wěn)定判據(jù))是：當(dāng)時(shí)，；或當(dāng)時(shí)，<1。通常利用環(huán)路增益的波特圖來(lái)判別負(fù)反饋放大電路是否會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。穩(wěn)定判據(jù)二、穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度在相位條件滿足時(shí)看幅度條件：在幅度條件滿足時(shí)看相位條件：該電路產(chǎn)生自激振蕩。當(dāng)時(shí)，同樣也可以判斷該電路會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。當(dāng)時(shí)，該電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。在相位條件滿足時(shí)看幅度條件：在幅度條件滿足時(shí)看相位條件：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，增益裕度Gm相位裕度m穩(wěn)定裕度當(dāng)電路的附加相移滿足（相位平衡條件）時(shí)，其對(duì)應(yīng)的環(huán)路增益即為增益裕度Gm。設(shè)dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為fG

,則相位裕度為工程上要求Gm≤-10dB，m≥45。穩(wěn)定不穩(wěn)定某負(fù)反饋放大電路的開(kāi)環(huán)幅頻和相頻特性曲線如圖所示。設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，試分析為防止產(chǎn)生自

激振蕩，｜｜

必須小于多少?【例

】解：作臨界自激線。時(shí)

不會(huì)產(chǎn)生自激。應(yīng)小于0.001。臨界自