第四章 放大電路的頻率響應(yīng)

第四章

放大電路的頻率特性內(nèi)容提要由于放大電路中存在著電抗器件，使放大電路對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)的增益量(幅度及時(shí)延)可能不同。增益量因工作頻率不同而改變的特性稱為放大電路的頻率響應(yīng)特性，簡稱頻率特性。研究的問題：放大電路對(duì)輸入信號(hào)頻率的適應(yīng)程度，即輸入信號(hào)頻率對(duì)放大倍數(shù)的影響。內(nèi)容提要頻率特性的分析方法晶體管參數(shù)的頻率特性放大電路的頻率響應(yīng)特性本章包括：4.1.1放大電路的理想頻率特性第一節(jié)頻率特性的分析方法將放大電路作為一個(gè)信號(hào)的線性傳輸系統(tǒng)：：輸入信號(hào)的拉式變換：輸出信號(hào)的拉式變換：系統(tǒng)傳輸函數(shù)一、幅頻特性和相頻特性時(shí)，頻率的穩(wěn)態(tài)正弦頻率響應(yīng)：幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)4.1.1

放大電路的理想頻率特性一、幅頻特性和相頻特性中頻段低頻段高頻段4.1.1

放大電路的理想頻率特性二、工作頻段、截止頻率和通頻帶4.1.1

放大電路的理想頻率特性二、工作頻段、截止頻率和通頻帶低頻段使放大倍數(shù)數(shù)值下降的原因：隨著信號(hào)頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動(dòng)態(tài)信號(hào)損失。高頻段使放大倍數(shù)數(shù)值下降的原因：隨著信號(hào)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(dòng)態(tài)信號(hào)損失。主要參數(shù)：fL、fH、fbw4.1.1

放大電路的理想頻率特性二、工作頻段、截止頻率和通頻帶三、放大電路的理想頻率特性放大電路應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)頻譜范圍內(nèi)任何頻率點(diǎn)的信號(hào)分量給予同等量的幅度放大和同等量的時(shí)延：放大電路的理想幅頻特性是通頻帶應(yīng)覆蓋輸入信號(hào)的頻譜范圍且通頻帶內(nèi)的幅度增益保持為一常數(shù)。放大電路的理想相頻特性是在輸入信號(hào)的頻譜范圍內(nèi)相頻特性為線性。4.1.1

放大電路的理想頻率特性幅度失真相位失真4.1.1

放大電路的理想頻率特性三、放大電路的理想頻率特性線性失真：包括幅度失真和相位失真。與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)。非線性失真：由放大器的非線性特性而引起。與輸入信號(hào)的相對(duì)幅度有關(guān)。4.1.1

放大電路的理想頻率特性三、放大電路的理想頻率特性第一節(jié)頻率特性的分析方法4.1.2頻率特性的分析方法在各零、極點(diǎn)均為實(shí)數(shù)時(shí)，令：極點(diǎn)角頻率零點(diǎn)角頻率一、傳輸函數(shù)和零、極點(diǎn)：標(biāo)尺因子：零點(diǎn)：極點(diǎn)4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖即對(duì)數(shù)頻率特性，橫坐標(biāo)是頻率f，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。對(duì)數(shù)幅頻特性的縱坐標(biāo)是電壓放大倍數(shù)幅值的對(duì)數(shù) ，單位是分貝(dB)(dB)0.01-400.1-200.707-3103261020100404.1.2

頻率特性的分析方法幅頻特性：4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖對(duì)數(shù)相頻特性的縱坐標(biāo)是相角φ，不取對(duì)數(shù)，直接取線性刻度。相頻特性：二、波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖幅頻特性：4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖fH一階低通的幅頻響應(yīng)4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖從而可以用兩條直線構(gòu)成的折線來近似表示一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線.幅頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖相頻特性：fH4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖從而可以用三條直線構(gòu)成的折線來近似表示一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的對(duì)數(shù)相頻特性曲線。－45o/10倍頻相頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法1、一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)的波特圖上限(-3dB)截止角頻率。RC低通網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)表達(dá)式4.1.2

頻率特性的分析方法RC低通網(wǎng)絡(luò)幅頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法高頻段產(chǎn)生負(fù)90度滯后相移。RC低通網(wǎng)絡(luò)相頻特性4.1.2

頻率特性的分析方法幅頻特性：相頻特性：一階零點(diǎn)因子的波特圖與一階實(shí)數(shù)極點(diǎn)波特圖的畫法類似。注意：上式所對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)為負(fù)實(shí)數(shù)，將提供正的相角，即引起超前相移；若零點(diǎn)值為正實(shí)數(shù)則會(huì)引起滯后相移4.1.2

頻率特性的分析方法二、波特圖2、一階實(shí)數(shù)零點(diǎn)的波特圖頻率響應(yīng)表達(dá)式RC高通網(wǎng)絡(luò)下限(-3dB)截止角頻率。4.1.2

頻率特性的分析方法其模為：RC高通網(wǎng)絡(luò)高通網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)第一節(jié)頻率特性的分析方法多級(jí)相角為：RC高通網(wǎng)絡(luò)相頻特性第一節(jié)：頻率特性的分析方法4.1.3多級(jí)放大電路的頻率特性第一節(jié)頻率特性的分析方法多級(jí)放大電路的通頻帶窄于每一單級(jí)電路的通頻帶，且級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)越多，通頻帶就越窄?？捎媒飧唠A代數(shù)方程的方法來嚴(yán)格求解多級(jí)放大電路的上、下限截止頻率1.1為修正系數(shù)，以提高公式的近似精度。一、多級(jí)放大電路的通頻帶和截止頻率4.1.3

多級(jí)放大電路的頻率特性在一個(gè)低通系統(tǒng)中，若有n個(gè)極點(diǎn)和m個(gè)零點(diǎn)，其中有一個(gè)(或幾個(gè)靠得很近的)極點(diǎn)(或零點(diǎn))最低，與其它極、零點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)，則最低的極點(diǎn)(或零點(diǎn))稱為主極點(diǎn)(或主零點(diǎn))。類似地，可以在高通系統(tǒng)中定義主極點(diǎn)(或主零點(diǎn))。當(dāng)系統(tǒng)存在主極、零點(diǎn)時(shí)，其上、下限截止頻率由主極、零點(diǎn)近似確定，非主極、零點(diǎn)的影響較小。但要注意非主極點(diǎn)對(duì)相角的貢獻(xiàn)有時(shí)是不能忽略的。二、主極點(diǎn)和主極點(diǎn)頻率單級(jí)4.1.3

多級(jí)放大電路的頻率特性第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)即混合π模型圖中的輸出端短路。共射電流放大系數(shù)的定義為：低、中頻時(shí)可認(rèn)為電容開路，電流與頻率基本無關(guān)。第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)而fT>>f,所以

參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)fT表征晶體管的高頻放大能力。特征頻率第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)管子不再有放大能力。參數(shù)估算共基截止頻率參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)在共基極電路中：注意晶體管的混合π模型，其頻率適用的范圍一般在fT/3以內(nèi)。以上各頻率與工作點(diǎn)有一定關(guān)系第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)當(dāng)20lgβ下降3dB時(shí),頻率f稱為共發(fā)射極接法的截止頻率當(dāng)β=1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT，且有fT≈β0f第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.1雙極型晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.2MOS型場效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)第二節(jié)晶體管的頻率特性4.2.2MOS型場效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)+-高頻時(shí)，由于電容的存在，柵極電流不再為0。仿照雙極型晶體管也可定義特征頻率：略去中間過程后：分析可知，溝道長度越短，管子的高頻放大能力就會(huì)越強(qiáng)。第二節(jié)：晶體管的頻率特性4.2.2MOS型場效應(yīng)晶體管的高頻參數(shù)第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性從該圖中可以解出電壓傳輸函數(shù)，但是結(jié)果非常復(fù)雜(二階一零系統(tǒng))。4.3.1單管共射放大電路的高頻特性高頻模型網(wǎng)絡(luò)的一種等效變換關(guān)系，可以將跨接在網(wǎng)絡(luò)輸入端與輸出端之間的阻抗分別等效為并接到輸入端與輸出端的阻抗。一、密勒等效定理4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性密勒等效定理的變換方法4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性一、密勒等效定理二、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性可用中頻增益近似,則二、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性二、共射放大電路的單向化等效電路4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性特征頻率三、共射放大電路的放大倍數(shù)4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性參數(shù)的估算共射放大電路的中頻增益+-Ri中頻時(shí)，電容開路，其增益為4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性放大倍數(shù)及上截頻的估算上圖可看作兩個(gè)低通電路的級(jí)聯(lián)。4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性第三節(jié)：雙極型晶體管放大電路的頻率特性主極點(diǎn)放大倍數(shù)及上截頻的估算使上截頻嚴(yán)重下降4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性放大倍數(shù)及上截頻的估算密勒單向化近似后將二階一零系統(tǒng)簡化為無零系統(tǒng).中頻反相4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性放大倍數(shù)及上截頻的估算若只考慮主極點(diǎn)，密勒單向化近似后成為一階系統(tǒng).單向化后的增益及上截頻參數(shù)分析增益帶寬積：影響上限截止頻率的主要元件及參數(shù)是:在電路參數(shù)及晶體管都選定后，基本上是個(gè)常數(shù)，因而要提高增益，其帶寬就要下降.小結(jié)：可據(jù)此選器件。同時(shí)，信號(hào)源內(nèi)阻應(yīng)盡可能小，即共射放大電路應(yīng)盡可能恒壓激勵(lì).4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性用時(shí)間常數(shù)法估算放大電路的截止頻率4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性用時(shí)間常數(shù)法估算放大電路的截止頻率4.3.1

單管共射放大電路的高頻特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性令4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性將電流源分別等效到輸入、輸出回路中。輸入回路的電流源可等效為一純電阻4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性由于輸入回路電容較共射電路要小，且共基回路的輸入電阻也相對(duì)較小，故共基電路的輸入回路時(shí)間常數(shù)會(huì)遠(yuǎn)小于共射電路因此共基電路電壓增益的上截止頻率要高于相同工作條件下的共射電路。4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性時(shí)間常數(shù)大，決定主極點(diǎn)頻率4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性時(shí)間常數(shù)大，決定主極點(diǎn)頻率4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性共基放大電路的電流增益、上限截止頻率、輸入輸出阻抗均可較好地滿足對(duì)電流跟隨器的要求。4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性忽略后共基放大電路電壓增益的上限截止頻率主要由輸出回路的極點(diǎn)值決定。對(duì)的影響程度與的大小有關(guān)；為了擴(kuò)展頻帶，除選用高的管子外，共基極電路宜于恒流激勵(lì)，而且不宜過大。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性若負(fù)載帶有容性，則輸出回路的時(shí)間常數(shù)可能會(huì)限制共基極放大電路的上截頻。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.2單管共基放大電路的高頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.3單管共集放大電路的高頻特性結(jié)電容跨接于輸入、輸出端之間，故可根據(jù)密勒定理來分析其影響。由于共集電路的電壓跟隨特性，的密勒效應(yīng)較小，電路的上限截止頻率相應(yīng)會(huì)較高，高于相同條件下的共射放大電路。第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性4.3.3單管共集放大電路的高頻特性由近似分析可知，用減小信號(hào)源內(nèi)阻，選基區(qū)體電阻效應(yīng)較小的管子，增大負(fù)載電阻的方法可以提高共集電路的源電壓增益上限截止頻率。當(dāng)信號(hào)源頻率較低時(shí)，耦合電容、旁路電容的阻抗增加，從而使得增益的模值減小，相移增大。分析可知，欲降低放大電路的下截止頻率，應(yīng)增加耦合電容的容量，增大放大電路的輸入電阻和負(fù)載電阻。直接耦合電路的下截頻為零頻。4.3.4放大電路的低頻特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性例題一解：C1、C2、Ce影響低頻特性，每個(gè)電容產(chǎn)生一個(gè)高通環(huán)節(jié)。利用時(shí)間常數(shù)法，C1、C2、Ce中考慮一個(gè)電容時(shí)，可將其余兩個(gè)短路。C1所在回路的等效電路從C1看進(jìn)的等效電阻為：C2所在回路的等效電路從C2看進(jìn)的等效電阻為：Ce所在回路的等效電路從Ce看進(jìn)的等效電阻為：為改善低頻特性，Ce取值要遠(yuǎn)大于C1、C2。fHfLefL2fL120--80--60--40--ff-270--0---90---180--fHfLefL2fL190--10fLe0.1fH10fH1、耦合方式?2、在f＝104Hz時(shí)，附加相移φ=？解：1、直接耦合；2、φ=3x(-45o)=-135o例題二4.3.5組合放大電路的頻率特性第三節(jié)雙極型晶體管放大電路的頻率特性一、共射—共基組合放大電路又稱為串接放大電路。一、共射—共基組合放大電路中頻交流通路4.3.5

組合放大電路的頻率特性設(shè)兩管參數(shù)相同4.3.5

組合放大電路的頻率特性一、共射—共基組合放大電路高頻響應(yīng)特性好，頻帶寬。4.3.5

組合放大電路的頻率特性一、共射—共基組合放大電路二、共集—共射組合放大電路4.3.5

組合放大電路的頻率特性射隨的輸出電阻較低，故提高了后級(jí)共射電路的上截頻。由于射隨的電壓增益近似為1，故組合電路的中頻增益與共射電路接近。二、共集—共射組合放大電路4.3.5

組合放大電路的頻率特性第四節(jié)場效應(yīng)管放大電路的頻率特性4.4.1基本共源放大電路的頻率特性襯源短路時(shí)的MOS管等效模型第四節(jié)場效應(yīng)管放大電路的頻率特性4.4.1基本共源放大電路的頻率特性由于輸出回路為容性負(fù)載，此時(shí)密勒等效阻抗的表達(dá)式復(fù)雜，等效處理失去意義。手動(dòng)計(jì)算時(shí)，可以使用電路