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放大電路的頻率響應(yīng)第五章第五章

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5.4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)5.3場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型童詩(shī)白第四版5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性由于放大電路中存在電抗性元件及晶體管極間電容,當(dāng)輸入信號(hào)的頻率過(guò)低或過(guò)高時(shí),放大倍數(shù)數(shù)值會(huì)減小,而且還將產(chǎn)生超前或滯后相移,所以電路的放大倍數(shù)不再是一個(gè)常數(shù),而是頻率的函數(shù),這種關(guān)系稱(chēng)為頻率響應(yīng)或頻率特性。交流小信號(hào)等效模型只適用于低頻信號(hào)的分析。本章將引入高頻等效模型,并闡明放大電路的上限頻率、下限頻率和通頻帶的求解方法,以及頻率響應(yīng)的描述方法。5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念由于耦合電容的存在,高頻時(shí)1/ωC<<R,可視為短路,

低頻段時(shí),由于耦合電容的容抗變大,1/ωC<<R不成立,電容的容抗不可忽略,信號(hào)將在其上產(chǎn)生壓降,從而導(dǎo)致放大倍數(shù)減小并產(chǎn)生相移。由于三極管極間電容的存在,低頻段時(shí),由于三極管極間電容較小,低頻段視為開(kāi)路;

高頻時(shí),容抗減小,極間電容將分流,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。總結(jié):耦合電容影響低頻特性,極間電容影響高頻特性C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+一、

高通電路+_+_CR圖5.1.1(a)

RC

高通電路令:從無(wú)源RC高通、低通電路進(jìn)行分析fL

稱(chēng)為下限截止頻率則有:放大電路的對(duì)數(shù)頻率特性稱(chēng)為波特圖??v坐標(biāo)用表示,橫坐標(biāo)用對(duì)數(shù)刻度lgf0.1fLfL

10fLf0-20-40對(duì)數(shù)幅頻特性:

實(shí)際幅頻特性曲線:藍(lán)色圖5.1.3(a)

幅頻特性當(dāng)f≥

fL(高頻),當(dāng)f<fL(低頻),高通特性:且頻率愈低,的值愈小,低頻信號(hào)不能通過(guò)。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大誤差為3dB,發(fā)生在f=fL處20dB/十倍頻

折線化幅頻特性曲線:紅色對(duì)數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)

相頻特性5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o0f誤差在低頻段,高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。5.71o二、RC

低通電路的波特圖圖5.1.2

RC

低通電路圖+_+_CR令:則:fH

稱(chēng)為上限截止頻率圖5.1.3(b)

低通電路的波特圖對(duì)數(shù)幅頻特性:0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍頻對(duì)數(shù)相頻特性:fH

10fH-45o5.71o5.71o-45o/十倍頻-90o0.1fH0f在高頻段,低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。小結(jié)(1)電路的截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù)τ,即決定了fL和fH。(2)當(dāng)信號(hào)頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB,且產(chǎn)生+450或-450相移。(3)近似分析中,可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。5.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型圖5.2.1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合模型5.2晶體管的高頻等效模型(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖(b)混合模型二、簡(jiǎn)化的混合

模型通常情況下,rce遠(yuǎn)大于c--e間所接的負(fù)載電阻,而rb’c也遠(yuǎn)大于Cμ的容抗,因而可認(rèn)為rce和rb’c開(kāi)路。圖5.2.2

簡(jiǎn)化的混合

模型(b)混合模型Cμ跨接在輸入與輸出回路之間,電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ等效在輸入回路和輸出回路,稱(chēng)為單向化。單向化靠等效變換實(shí)現(xiàn)。圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(b)單向化后的混合模型因?yàn)镃π>>C”μ,且一般情況下。C”μ的容抗遠(yuǎn)大于集電極總負(fù)載電阻R’L,C”μ中的電流可忽略不計(jì),得簡(jiǎn)化模型圖(C)。圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(C)

忽略C”μ的混合模型密勒定理:用兩個(gè)電容來(lái)等效Cμ

。分別接在b、e和c、e兩端。其中:電容值分別為:等效電容的求法圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(b)單向化后的混合模型圖5.2.2

簡(jiǎn)化混合

模型的簡(jiǎn)化

(C)

忽略C//μ的混合模型三、混合

模型的主要參數(shù)將混合

模型和簡(jiǎn)化的h參數(shù)等效模型相比較,它們的電阻參數(shù)完全相同。Cμ可從手冊(cè)中查得Cob

,Cob與Cμ近似相等。Cπ數(shù)據(jù)可從手冊(cè)中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點(diǎn)求解。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)

當(dāng)信號(hào)頻率發(fā)生變化時(shí),電流放大系數(shù)β不是常量,而是頻率的函數(shù)。

對(duì)數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻

1.共射截止頻率f值下降到0.7070

(即)時(shí)的頻率。當(dāng)

f=f

時(shí),值下降到中頻時(shí)的70%左右?;?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個(gè)頻率的分析2.特征頻率fT值降為1時(shí)的頻率。f>fT

時(shí),,三極管失去放大作用;

f

=

fT

時(shí),由式得:3.共基截止頻率f

值下降為低頻0時(shí)

的0.707時(shí)的頻率。因?yàn)榭傻谜f(shuō)明:所以:1.f

比f(wàn)

高很多,等于f

的(1+0)倍;2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫,高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。

f

與f

、

fT

之間關(guān)系: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)C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖5.4.1

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。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)耦合電容

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5.4.2中頻段等效電路由圖可得

bce

+Rb~+++RcRs2.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、低頻電壓放大倍數(shù)圖5.4.3低頻等效電路

C2

與負(fù)載電阻RL構(gòu)成一個(gè)RC高通電路考慮隔直電容C2,不考慮C1的作用,其等效電路:

bce

+Rb~+++RcRsC2

RL

+~+RcC2

RLC2以左部分的頻率特性和中頻時(shí)一樣,只需考慮接入C2后的影響,將受控源gmUbe和RC進(jìn)行等效如右圖所示:低頻電壓放大倍數(shù)

+~+RcC2

RL低頻時(shí)間常數(shù)為:下限(-3dB)頻率為:則對(duì)數(shù)幅頻特性對(duì)數(shù)相頻特性因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)的極間電容的影響,其等效電路:圖5.4.4高頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRs圖5.4.4

高頻等效電路的簡(jiǎn)化(a)由于輸出回路時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時(shí)間常數(shù),故可忽略輸出回路的結(jié)電容。用戴維南定理簡(jiǎn)化圖5.4.4(b)—Cл

與R

構(gòu)成RC

低通電路。

ce

+~++Rc高頻時(shí)間常數(shù):上限(-3dB)頻率為:的對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性高頻段最大附加相移為-90度四、波特圖繪制波特圖步驟:1.根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算、fL

fH

;同時(shí)考慮耦合電容和結(jié)電容的影響,則有放大倍數(shù)的表達(dá)式:2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段:對(duì)數(shù)幅值=20lg低頻段:

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。幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻圖5.4.5-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。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。通常情況下:頻帶寬度近似等于fH,fH和放大倍數(shù)之間的矛盾就是帶寬和增益的矛盾帶寬變大,則增益減小增益增大,則帶寬減小為了考慮兩方面的性能,引入增益帶寬積的概念問(wèn)題:fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。3.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:式不很?chē)?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Cu

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

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