放大器的頻率響應(yīng)

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)夏煒煒揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院E-mail：wwxia@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，介紹頻率響應(yīng)波特圖的畫(huà)法。并用晶體管混合π參數(shù)等效模型分析晶體管的高頻特性。要求：掌握放大電路頻率特性的相關(guān)概念；會(huì)計(jì)算只含一個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)電路的fL和fH；能畫(huà)出近似波特圖；理解增益帶寬積的概念；定性了解多級(jí)放大電路頻帶寬度與單級(jí)的關(guān)系問(wèn)題提出：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(fù)載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等），當(dāng)信號(hào)頻率較高或較低時(shí)，不但放大倍數(shù)會(huì)變小，而且會(huì)產(chǎn)生超前或滯后的相移，使得放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)分量的放大倍數(shù)和相移都不同。4.1頻率響應(yīng)的一般概念幅度失真：放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的幅值放大不同;二次諧波基波輸入信號(hào)輸出信號(hào)二次諧波基波幅度失真相位失真：放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)產(chǎn)生的相移不同；幅度失真和相位失真總稱(chēng)為線性失真或頻率失真。二次諧波基波輸入信號(hào)輸出信號(hào)二次諧波基波相位失真2.三極管的()是頻率的函數(shù)。在研究線性特性時(shí)，三極管的低頻小信號(hào)模型不再適用，而要采用高頻小信號(hào)模型。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(shí)際上是研究電抗元件對(duì)放大器放大倍數(shù)的影響。當(dāng)f低時(shí)，主要是耦合電容、旁路電容起作用.當(dāng)f高時(shí)，主要是PN結(jié)電容起作用。1.放大電路中存在電抗性元件。例如耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、PN結(jié)電容、分布電感等;產(chǎn)生線性失真的原因是: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(hào)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(diǎn)：

起因不同：線性失真是由電路中的線性電抗元件對(duì)不同信號(hào)頻率的響應(yīng)不同而引起(也稱(chēng)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BJT、FET的特性曲線等）引起的。

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掉某些頻率分量信號(hào)。但非線失真，會(huì)將正弦波變?yōu)榉钦也?，它不僅包含輸入信號(hào)的頻率成分，而且還產(chǎn)生許多新的諧波成分。放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系。頻率響應(yīng)(頻率特性)：電壓放大倍數(shù)的幅值與頻率f

的函數(shù)關(guān)系，稱(chēng)為幅頻響應(yīng)

放大倍數(shù)的相位與頻率f的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為相頻響應(yīng)

波特圖在研究放大電路的頻率響應(yīng)時(shí)，由于信號(hào)的頻率范圍很寬（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(dá)百萬(wàn)倍），為壓縮坐標(biāo)，擴(kuò)大視野，在畫(huà)頻率特性曲線時(shí)，頻率坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)刻度，而幅值（以dB為單位）或相角采用線性刻度。在這種半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中畫(huà)出的幅頻特性和相頻曲線稱(chēng)為對(duì)數(shù)頻率特性或波特圖。為了在同一坐標(biāo)系中表示比較寬的變化范圍，在畫(huà)頻率特性曲線時(shí)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，稱(chēng)為波特圖。

(a)高通電路波特圖(b)低通電路波特圖

波特圖由對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性?xún)刹糠纸M成，它們的橫軸采用對(duì)數(shù)刻度

幅頻特性的縱軸采用20lg

表示，單位是分貝（dB）；相頻特性的縱軸用表示。

頻率響應(yīng)波特圖放大電路中的頻率參數(shù)

在低頻段，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，放大能力下降。高通電路低通電路

在高頻段，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，放大能力下降。下限頻率上限頻率結(jié)電容4.2單時(shí)間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)RC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)的主要因是管子的極間電容和接線電容等，它們?cè)陔娐分信c其它支路是并聯(lián)的，因此它們對(duì)高頻響應(yīng)的影響可用如圖所示的RC低通電路來(lái)模擬。RC低通電路電壓放大倍數(shù)：解得：時(shí)間常數(shù)：對(duì)上式取對(duì)數(shù)得：幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)f<0.1fH， ф≈00；f>10fH， ф≈-900；0.1fH<f<10fH，ф≈-450/十倍程。折線近似法：f<fH，用零分貝即橫坐標(biāo)表示；f>fH，用斜率為-20dB每十倍頻直線表示?？僧?huà)出如圖實(shí)線。兩畫(huà)法的最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fH處。幅頻響應(yīng)的折線近似畫(huà)法折線近似法：f<0.1fH，

ф≈00；

f>10fH，

ф≈-900；

0.1fH<f<10fH， ф≈-450/十倍程。可畫(huà)出如圖實(shí)線。兩畫(huà)法的最大誤差為±5.710，發(fā)生在f=0.1fH和f=10fH處。相頻特性的折線近似畫(huà)法－－－當(dāng)f≤fH時(shí)，|Au|≈1，通！當(dāng)f≥fH時(shí)，頻度越高，|Au|值越小，不通！fH稱(chēng)為低通電路的上限(-3dB)頻率。在高頻段，低通電路還將產(chǎn)生一個(gè)0～900的滯后相位移。低通電路結(jié)論：電壓放大倍數(shù)：解得：時(shí)間常數(shù)：RC高通電路的頻率響應(yīng)用來(lái)模擬放大電路低頻響應(yīng)的RC高通電路取對(duì)數(shù)得：幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)

f>10fL，

ф≈00；

f<0.1fL，

ф≈900；

0.1fL<f<10fL

ф≈450/十倍程折線近似法：f>fL，用零分貝即橫坐標(biāo)表示；f<fL，用斜率為20dB每十倍頻直線表示?？僧?huà)出如圖實(shí)線。兩畫(huà)法的最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處。對(duì)數(shù)幅頻特性折線近似法：f>10fL，ф≈00；f<0.1fL，ф≈900；0.1fL<f<10fL，ф≈450可畫(huà)出如圖實(shí)線。兩畫(huà)法的最大誤差為±5.710，發(fā)生在f=0.1fL和f=10fL處。對(duì)數(shù)相頻特性當(dāng)f≥fL時(shí)，|Au|≈1，通！當(dāng)f≤fL時(shí)，頻度越低，|Au|值越小，不通！fL稱(chēng)為高通電路的下限(-3dB)頻率。在低頻段，高通電路還將產(chǎn)生一個(gè)0～900的超前相位移。高通電路結(jié)論：?jiǎn)喂芄采浞糯箅娐返念l率響應(yīng)定性分析：C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au與f無(wú)關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，Au

降低。而且，構(gòu)成RC低通電路。混合

型等效電路一、混合

型等效電路混合

型等效電路(a)三極管結(jié)構(gòu)示意圖c

be

(b)等效電路

++bce二、混合

參數(shù)與h參數(shù)的關(guān)系低頻時(shí)，不考慮極間電容作用，混合

等效電路和h參數(shù)等效電路相仿，即：

bce

bce圖3.3.1混合

參數(shù)與h參數(shù)之間的關(guān)系通過(guò)對(duì)比可得則則一般小功率三極管三、混合

型等效電路中電容

++bce圖3.3.2(b)等效電路：可從器件手冊(cè)中查到；并且(估算，fT要從器件手冊(cè)中查到)注意：將輸入回路與輸出回路直接聯(lián)系起來(lái)，使解電路的過(guò)程變得十分麻煩?！捎妹芾斩ɡ砗?jiǎn)化電路！

++bce圖3.3.2(b)等效電路密勒定理：用兩個(gè)電容來(lái)等效Cbc。分別接在b、e和c、e兩端。圖3.3.4單向化的混合

型等效電路

bce++其中：電容值分別為：阻容耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng)圖3.3.5阻容耦合單管共射放大電路C1RcRb+VCCC2RL++++~Rs+將C2和RL看成下一級(jí)的輸入耦合電容和輸入電阻。一、中頻段C1可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1.中頻段等效電路圖3.3.6中頻段等效電路

bce

+Rb~+++RcRs由圖可得2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式，與利用簡(jiǎn)化h參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。二、低頻段考慮隔直電容的作用，其等效電路：圖3.3.7低頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRsC1C1與輸入電阻構(gòu)成一個(gè)RC高通電路式中Ri=Rb//rbe輸出電壓低頻電壓放大倍數(shù)

bce

+Rb~+++RcRsC1低頻時(shí)間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則三、高頻段考慮并聯(lián)在極間電容的影響，其等效電路：

bce

+Rb~+++RcRs圖3.3.8高頻等效電路

ce

+~++Rc圖中——C

與R

構(gòu)成RC低通電路。高頻時(shí)間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：四、完整的波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算、fL和fH；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對(duì)數(shù)幅值=20lg低頻區(qū)：

f=fL開(kāi)始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；高頻段：f=fH開(kāi)始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。圖3.3.10幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO五、增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb//rbe假設(shè)Rb>>Rs，Rb>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe說(shuō)明：式很不嚴(yán)格，但從中可以看出一個(gè)大概的趨勢(shì)，即選定放大三極管后，rbb和Cbc的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時(shí)，若將放大倍數(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(gè)通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問(wèn)題是選用rbb

和Cbc

均小的高頻三極管。直接耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng)圖3.3.13fHfO-270o10fH-20dB/十倍頻-180o0.1fH-90ofO無(wú)隔直電容，在低頻段電壓放大倍數(shù)不會(huì)下降，也不產(chǎn)生附加的相位移。多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)多級(jí)放大電路的幅頻特性和相頻特性多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)：對(duì)數(shù)幅頻特性為：多級(jí)放大電路的總相位移為：兩級(jí)放大電路的波特圖圖3.4.1fHfL幅頻特性fOfL1fH16dB3dB3dBBW1BW一級(jí)二級(jí)圖3.4.1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO-540o-180o-450o-90o一級(jí)二級(jí)多級(jí)放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級(jí)的通頻帶為窄。多級(jí)放大電路的上限頻率和下限頻率在實(shí)際的多級(jí)放大電路中，當(dāng)各放大級(jí)的時(shí)間常數(shù)相差懸殊時(shí)，可取其主要作用的那一級(jí)作為估算的依據(jù)。由于放大器件存在極間電容，以及電路中的電抗性元件