第五章 放大電路的頻率響應(yīng)

第五章放大電路的頻率響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.2晶體管的高頻等效模型5.3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)5.6頻率響應(yīng)與階躍響應(yīng)5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性在放大電路中，由于電抗元件及晶體管極間電容的存在，放大倍數(shù)則變成了頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為頻率響應(yīng)。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須考慮這一問(wèn)題，才能根據(jù)需要設(shè)計(jì)出合適的電路。5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念由于耦合電容存在，當(dāng)信號(hào)頻率低到一定程度時(shí)，電容的容抗不可忽略，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，且產(chǎn)生相移。由于三極管極間電容存在，當(dāng)信號(hào)頻率高到一定程度時(shí)，極間電容將分流，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)下降，且產(chǎn)生相移。對(duì)低頻段,由于耦合電容的容抗變大,高頻時(shí)1/ωC<<R,可視為短路,低頻段時(shí)1/ωC<<R不成立。我們定義:當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)放大倍數(shù)的0.707倍時(shí),即時(shí)的頻率稱為下限頻率fL。

對(duì)高頻段,由于三極管極間電容或分布電容的容抗較小,低頻段視為開(kāi)路,高頻段處1/ωC較小,此時(shí)考慮極間電容的影響。當(dāng)頻率上升時(shí),容抗減小,使加至放大電路的輸入信號(hào)減小,輸出電壓減小,從而使放大倍數(shù)下降。同時(shí)也會(huì)在輸出電壓與輸入電壓間產(chǎn)生附加相移。同樣我們定義:當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻區(qū)放大倍數(shù)的0.707倍,即Auh=(1／)Aum時(shí)的頻率稱為上限頻率fh。

共射基本放大電路的頻率特性共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)將是一個(gè)復(fù)數(shù),即其中幅度Au和相角φ都是頻率的函數(shù),分別稱為放大電路的幅頻特性和相頻特性。我們稱上、下限頻率之差為通頻帶fbw,即fbw=fh-fl

通頻帶的寬度,表征放大電路對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)的響應(yīng)能力,它是放大電路的重要技術(shù)指標(biāo)之一。頻率失真及不失真條件頻率失真我們知道，待放大的信號(hào)，如語(yǔ)音信號(hào)、電視信號(hào)、生物電信號(hào)等等，都不是簡(jiǎn)單的單頻信號(hào)，它們都是由許多不同相位、不同頻率分量組成的復(fù)雜信號(hào)，即占有一定的頻譜。如圖所示，若某待放大的信號(hào)是由基波(ω1)和二次諧波(2ω1)所組成，由于電抗元件存在使放大器對(duì)二次諧波的放大倍數(shù)小于對(duì)基波的放大倍數(shù)，那么放大后的信號(hào)各頻率分量的大小比例將不同于輸入信號(hào)。線性失真和非線性失真線性失真和非線性失真同樣會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變，但兩者有許多不同點(diǎn)：

1.起因不同線性失真由電路中的線性電抗元件引起，非線性失真由電路中的非線性元件引起(如晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線的非線性等)。2.結(jié)果不同線性失真只會(huì)使各頻率分量信號(hào)的比例關(guān)系和時(shí)間關(guān)系發(fā)生變化，或?yàn)V掉某些頻率分量的信號(hào)，但決不產(chǎn)生輸入信號(hào)中所沒(méi)有的新的頻率分量信號(hào)。不失真條件––理想頻率響應(yīng)綜上所述，若放大器對(duì)所有不同頻率分量信號(hào)的放大倍數(shù)相同，延遲時(shí)間也相同，那么就不可能產(chǎn)生頻率失真，故不產(chǎn)生頻率失真的條件為下圖給出了不產(chǎn)生線性失真的振幅頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)，稱之為理想頻率響應(yīng)。理想頻率響應(yīng)(a)理想振幅頻率響應(yīng)；(b)理想相位頻率響應(yīng)實(shí)際的放大器幅頻響應(yīng)一、高通電路二、低通電路5.1.3波特圖5.2晶體管的高頻等效模型5.2.1晶體管的混合π模型一、完整的混合π模型混合π型參數(shù)和h參數(shù)之間的關(guān)系二、簡(jiǎn)化的混合π型模型Cμ的等效過(guò)程令此式表明,從b′、e兩端看進(jìn)去,跨接在b′、c之間的電容Cμ的作用,和一個(gè)并聯(lián)在b′、e兩端,其電容值為的電容等效。這就是密勒定理。如圖(c)所示。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)共基極電流放大系數(shù)α的截止頻率fα定義當(dāng)下降為中頻α0的0.707倍時(shí)的頻率fα為α的截止頻率。

場(chǎng)效應(yīng)三極管的高頻小信號(hào)模型如圖（a）所示。它是在低頻模型的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)極間電容而構(gòu)成的，其中Cgs、Cgd一般在10pF以內(nèi)，Cds一般不到1pF。為了分析方便，用密勒定理將Cgd折算到輸入和輸出側(cè)。

(a)場(chǎng)效應(yīng)三極管高頻小信號(hào)模型(b)單向化高頻小信號(hào)模型圖場(chǎng)效應(yīng)三極管高頻小信號(hào)模型5.3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1單管共射放大電路的頻率響應(yīng)具體分析時(shí),通常分成三個(gè)頻段考慮:(1)中頻段:全部電容均不考慮,耦合電容視為短路,極間電容視為開(kāi)路。

(2)低頻段:耦合電容的容抗不能忽略,而極間電容視為開(kāi)路。

(3)高頻段:耦合電容視為短路,而極間電容的容抗不能忽略。這樣求得三個(gè)頻段的頻率響應(yīng),然后再進(jìn)行綜合。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是,可使分析過(guò)程簡(jiǎn)單明了,且有助于從物理概念上來(lái)理解各個(gè)參數(shù)對(duì)頻率特性的影響。一、中頻電壓放大倍數(shù)二、低頻電壓放大倍數(shù)三、高頻電壓放大倍數(shù)四、波特圖電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式為：5.4.2單管共源放大電路的頻率響應(yīng)5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。問(wèn)題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。

可以看到，當(dāng)晶體管選定之后，參數(shù)隨之而定，因而增益帶寬積也就大體確定，即增益增大多少倍，帶寬幾乎就要變窄多少倍。5.5多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)5.5.1多級(jí)放大電路頻率特性的定性分析對(duì)于n極放大電路：兩級(jí)放大電路中頻電壓增益低頻電壓放大倍數(shù)高頻電壓放大倍數(shù)例：已知某電路的各級(jí)均為共射放大電路，其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖所示。求下限頻率、上限頻率和電壓放大倍數(shù)。

解：（1）低頻段只有一個(gè)拐點(diǎn)，說(shuō)明影響低頻特性的只有一個(gè)電容，故電路的下限頻率為10Hz。（2）高頻段只有一個(gè)拐點(diǎn)，斜率為-60dB/十倍頻程，電路中應(yīng)有三個(gè)電容，為三級(jí)放大電路。（3）電壓放大倍數(shù)

例5.5.2,分別求出圖2.4.2(B)所示Q點(diǎn)穩(wěn)定電路中C1,C2,Ce所確定的下限頻率的表達(dá)式及上限頻率的表達(dá)式.將耦合電容和旁路電容短路,將極間電容開(kāi)路考慮C1,將C2,Ce短路,開(kāi)路考慮C2,將C1,Ce短路,開(kāi)路比較C1,C2,Ce所在回路的時(shí)間常數(shù),可知,當(dāng)C1=C2=Ce時(shí),fLe>>fL1,fL2,fLe為下限頻率.考慮Ce,將C1,C2短路,開(kāi)路,見(jiàn)圖d5.6頻率響應(yīng)與階躍響應(yīng)頻率響應(yīng)是描述放大電路對(duì)不同頻率正弦信號(hào)放大的能力.即在輸入信號(hào)幅值不變的情況下改變信號(hào)的頻率,來(lái)考察輸出信號(hào)幅值與相位的變化,這種方法稱為頻域法.可以用階躍函數(shù)作為放大電路的輸入,考察輸出信號(hào)前沿和頂部的變化.來(lái)研究電路的放大能力,這種方法稱為時(shí)域法.5.7.1階躍響應(yīng)的指標(biāo)上升時(shí)