電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第六版) 康華光ch06

《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分（版）2021/5/91電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分1緒論2運(yùn)算放大器3二極管及其基本電路4場(chǎng)效應(yīng)三極管及其放大電路5雙極結(jié)型三極管及其放大電路6差分式放大與頻率響應(yīng)7模擬集成電路8反饋放大電路9功率放大電路10信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路11直流穩(wěn)壓電源2021/5/926頻率響應(yīng)6.1放大電路的頻率響應(yīng)6.2單時(shí)間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)6.3共源和共射放大電路的低頻響應(yīng)6.4共源和共射放大電路的高頻響應(yīng)6.5共柵和共基、共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng)6.6擴(kuò)展放大電路通頻帶的方法6.7多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)*6.8單級(jí)放大電路的瞬態(tài)響應(yīng)2021/5/936.1放大電路的頻率響應(yīng)1、需要放大的信號(hào)通常都包含許多頻率成份。如話筒輸出的語(yǔ)音信號(hào)（20Hz～20kHz），衛(wèi)星電視信號(hào)（3.7～4.2GHz）等。2、放大電路中含有電抗元件或等效的電抗元件，導(dǎo)致對(duì)不同頻率的信號(hào)放大倍數(shù)和時(shí)延不同。若信號(hào)中不同的頻率成份不能被放大電路同等地放大（包括時(shí)延），則會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象（稱為線性失真或頻率失真）。兩個(gè)現(xiàn)實(shí)情況2021/5/946.1放大電路的頻率響應(yīng)

因此，放大電路對(duì)不同頻率的輸入信號(hào)具有不同的放大能力，即增益是輸入信號(hào)頻率的函數(shù)。放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)產(chǎn)生不同響應(yīng)的根本原因

前兩章分析放大電路的性能指標(biāo)時(shí)，是假設(shè)電路中所有耦合電容和旁路電容對(duì)信號(hào)頻率來(lái)說(shuō)都呈現(xiàn)非常小的阻抗而視為短路；FET或BJT的極間電容、電路中的負(fù)載電容及分布電容對(duì)信號(hào)頻率來(lái)說(shuō)都呈現(xiàn)非常大的阻抗而視為開(kāi)路。輸入輸出放大電路1、電抗元件的阻抗會(huì)隨信號(hào)頻率的變化而變化。2、放大電路中有耦合電容、旁路電容和負(fù)載電容，F(xiàn)ET或BJT也存在PN結(jié)電容，此外實(shí)際電路中還有分布電容。2021/5/956.1放大電路的頻率響應(yīng)放大電路典型的頻率響應(yīng)曲線阻容耦合單級(jí)共源放大電路的典型頻率響應(yīng)曲線如圖所示，其中圖a是幅頻響應(yīng)曲線，圖b是相頻響應(yīng)曲線。一般有

fH>>fL如果信號(hào)的所有頻率成份均落在通頻帶內(nèi)，則基本上不會(huì)出現(xiàn)頻率失真現(xiàn)象。

若已知信號(hào)的頻率成份，要設(shè)計(jì)出滿足要求的放大電路，最主要的任務(wù)就是設(shè)計(jì)出頻率響應(yīng)的fH和fL。2021/5/966.1放大電路的頻率響應(yīng)1、正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是分析頻率響應(yīng)的基本方法2、工程上常采用分段分析的簡(jiǎn)化方法。即分別分析放大電路的低頻響應(yīng)、中頻（通頻帶）響應(yīng)和高頻響應(yīng)，最后合成全頻域響應(yīng)。其中通頻帶內(nèi)的響應(yīng)與頻率無(wú)關(guān)，就是前兩章放大電路性能指標(biāo)的分析結(jié)果。3、也可以用計(jì)算機(jī)輔助分析（如Spice等）的方法，獲得放大電路精確的頻率響應(yīng)曲線。頻率響應(yīng)的分析方法

研究放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)（主要是增益）隨信號(hào)頻率變化時(shí)的響應(yīng)。具體包括：1、頻率響應(yīng)的分析方法2、影響放大電路頻率響應(yīng)的主要因素3、如何設(shè)計(jì)出滿足信號(hào)頻帶要求的放大電路4、各種組態(tài)放大電路頻率響應(yīng)特點(diǎn)本章討論的主要內(nèi)容2021/5/976.2單時(shí)間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)6.2.1RC高通電路的頻率響應(yīng)6.2.2RC低通電路的頻率響應(yīng)2021/5/986.2.1RC高通電路的頻率響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)且令又則電壓增益的幅值（模）（幅頻響應(yīng)）電壓增益的相角（相頻響應(yīng)）2021/5/996.2.1RC高通電路的頻率響應(yīng)2.頻率響應(yīng)曲線描述最大誤差-3dB0分貝水平線幅頻響應(yīng)2021/5/9106.2.1RC高通電路的頻率響應(yīng)2.頻率響應(yīng)曲線描述相頻響應(yīng)低頻時(shí)，輸出超前輸入因?yàn)楸硎据敵雠c所以輸入的相位差。2021/5/9116.2.2RC低通電路的頻率響應(yīng)幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)2021/5/9126.2.2RC低通電路的頻率響應(yīng)幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)輸出滯后輸入2.頻率響應(yīng)曲線2021/5/9136.3共源和共射放大電路的低頻響應(yīng)6.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)6.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)2021/5/9146.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)

低頻區(qū)內(nèi)，電路中的耦合電容、旁路電容的阻抗增大，不能再視為短路。低頻小信號(hào)等效電路2021/5/9156.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)為簡(jiǎn)化分析，設(shè)低頻區(qū)內(nèi)，有低頻小信號(hào)等效電路則Rs可作開(kāi)路處理2021/5/9166.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)定性討論Cb1所在的輸入回路構(gòu)成的是RC高通電路Rg上的電壓輸入回路2021/5/9176.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)定性討論

輸出回路也是高通電路，不過(guò)不是簡(jiǎn)單的單時(shí)間常數(shù)RC高通電路。和輸出回路2021/5/9186.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)由電路可列出方程由前兩個(gè)方程得2021/5/9196.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)代入第3個(gè)方程得源電壓增益2021/5/9206.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)令且通帶內(nèi)（中頻）增益，與頻率無(wú)關(guān)Cb1引起的下限截止頻率Cs引起的下限截止頻率Cb2引起的下限截止頻率2021/5/9216.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)其中第1項(xiàng)是與頻率無(wú)關(guān)的通帶內(nèi)源電壓增益后三項(xiàng)分別是3個(gè)與6.2節(jié)RC高通電路相同的低頻響應(yīng)。可見(jiàn)共源放大電路的低頻響應(yīng)是由3個(gè)RC高通電路共同作用的結(jié)果。則

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)3個(gè)下限截止頻率fL1、fL2和fL3之間相距較遠(yuǎn)（4倍以上），可以只考慮起主要作用的截止頻率的影響。例如有fL2>4fL1，fL1>fL3，則上式簡(jiǎn)化為2021/5/9226.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)2.增益的頻率響應(yīng)波特圖水平線不是0dBf

>>fL2時(shí)，相頻響應(yīng)為-180，反映了通帶內(nèi)輸出與輸入的反相關(guān)系2021/5/9236.3.1共源放大電路的低頻響應(yīng)

若想盡可能降低下限截止頻率，則需要盡可能選擇大的旁路電容Cs和耦合電容Cb1、Cb2。但這種改善是很有限的，因此在信號(hào)頻率很低的使用場(chǎng)合，可考慮用直接耦合方式。2021/5/9246.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)低頻小信號(hào)等效電路Rb=（Rb1||Rb2）遠(yuǎn)大于Ri

Ri2021/5/9256.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)定性討論輸入回路構(gòu)成的是RC高通電路輸入回路和輸出回路輸出回路也是高通電路2021/5/9266.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)由第2個(gè)方程得由電路可列出方程其中2021/5/9276.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)代入第1個(gè)方程得源電壓增益2021/5/9286.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)令且通帶內(nèi)（中頻）增益，與頻率無(wú)關(guān)由Cb1和Ce引起的下限截止頻率Cb2引起的下限截止頻率2021/5/9296.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)其中第1項(xiàng)是與頻率無(wú)關(guān)的通帶內(nèi)源電壓增益后兩項(xiàng)分別是2個(gè)與6.2節(jié)RC高通電路相同的低頻響應(yīng)。可見(jiàn)共射放大電路的低頻響應(yīng)是由2個(gè)RC高通電路共同作用的結(jié)果。其中fL1與Cb1和Ce兩個(gè)電容有關(guān)。則

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)2個(gè)下限截止頻率fL1和fL2之間相距較遠(yuǎn)（4倍以上），可以只考慮起主要作用的截止頻率的影響。例如有fL1>4fL2，則上式簡(jiǎn)化為1.增益的傳遞函數(shù)2021/5/9306.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)1.增益的傳遞函數(shù)2.增益的頻率響應(yīng)波特圖水平線不是0dBf

>>fL1時(shí)，相頻響應(yīng)為-180，反映了通帶內(nèi)輸出與輸入的反相關(guān)系2021/5/9316.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)2.增益的頻率響應(yīng)波特圖包含fL2的幅頻響應(yīng)2021/5/9326.3.2共射放大電路的低頻響應(yīng)

若想盡可能降低下限截止頻率，則需要盡可能選擇大的旁路電容Ce和耦合電容Cb1、Cb2。但這種改善是很有限的，因此在信號(hào)頻率很低的使用場(chǎng)合，可考慮用直接耦合方式。2021/5/933小結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)共源和共射放大電路低頻響應(yīng)的分析看到，影響低頻響應(yīng)的主要因素是旁路電容和耦合電容。若想盡可能降低放大電路的下限截止頻率，則盡量選用容量較大的旁路電容和耦合電容，其它組態(tài)的放大電路有類似的結(jié)論。（2）以上分析過(guò)程均假設(shè)電路滿足一定條件，進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，實(shí)際上通過(guò)SPICE仿真可以得到更精確的分析結(jié)果。（3）通過(guò)選用大容量電容降低下限截止頻率的效果通常是有限的，因此在信號(hào)頻率很低的場(chǎng)合，可考慮采用直接耦合的放大電路。2021/5/9346.4共源和共射放大電路的高頻響應(yīng)6.4.1MOS管的高頻小信號(hào)模型及單位增益頻率fT6.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)6.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)6.4.4共射放大電路的高頻響應(yīng)2021/5/9356.4.1MOS管的高頻小信號(hào)模型及單位增益頻率fT1.MOS管的高頻小信號(hào)模型Cgs——柵-源電容Cgd——柵-漏電容Csb——源-襯底電容Cdb——漏-襯底電容多數(shù)情況下，MOS管的源極和襯底連在一起，此時(shí)Csb被短路，而Cdb變?yōu)镃ds。

當(dāng)信號(hào)頻率處于高頻區(qū)時(shí)，F(xiàn)ET或BJT的極間電容的阻抗將減小，不能再視為開(kāi)路，需考慮它們帶來(lái)的影響。2021/5/936其中Cgs的典型值為0.1~0.5pF，Cgd的典型值為0.01~0.04pF及Cds通常小于1pF，rds為(104~106)

。一般可從數(shù)據(jù)手冊(cè)上獲得這些參數(shù)。Cgs——柵-源電容Cgd——柵-漏電容Cds——漏-源電容

襯底與源極并接時(shí)的高頻小信號(hào)模型（也稱為模型）6.4.1MOS管的高頻小信號(hào)模型及單位增益頻率fT1.MOS管的高頻小信號(hào)模型2021/5/9372.單位增益頻率fTfT——共源組態(tài)、負(fù)載短路時(shí)電流增益等于1對(duì)應(yīng)的頻率（也稱為特征頻率）rds和Cds被短路6.4.1MOS管的高頻小信號(hào)模型及單位增益頻率fT2021/5/9382.單位增益頻率fTCgd較小，在所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)，該支路電流遠(yuǎn)小于受控源中的電流，所以可以忽略。

又電流增益6.4.1MOS管的高頻小信號(hào)模型及單位增益頻率fT2021/5/9392.單位增益頻率fTfT與gm成正比，與MOS管結(jié)電容成反比。fT越大，MOS管的高頻性能越好，由它構(gòu)成的放大電路的上限頻率就越高。早期以微米技術(shù)制造的MOS管的fT約為100MHz，現(xiàn)在以高速技術(shù)制造的MOS管的fT約為幾個(gè)GHz。

由得6.4.1MOS管的高頻小信號(hào)模型及單位增益頻率fT2021/5/9406.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)1.高頻小信號(hào)等效電路其中2021/5/9416.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)1.高頻小信號(hào)等效電路定性討論Cgs在輸入回路構(gòu)成低通電路輸入回路和輸出回路輸出回路也是低高通電路2021/5/9426.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)2.電路簡(jiǎn)化將Cgs左側(cè)電路進(jìn)行電源等效變換其中為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，作如下假設(shè)：，得簡(jiǎn)化后的電路2021/5/9436.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)3.密勒電容對(duì)節(jié)點(diǎn)d列KCL得由于輸出回路電流比較大，所以可以忽略的Cgd分流，得而輸入回路電流比較小，所以不能忽略的Cgd分流稱為密勒電容ZM相當(dāng)于g和s之間存在一個(gè)電容，若用CM1表示，則2021/5/9446.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)3.密勒電容同理，在d、s之間也可以求得一個(gè)等效電容CM2，且得等效后的電路再設(shè)且2021/5/9456.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)3.密勒電容得最后簡(jiǎn)化電路同理，在d、s之間也可以求得一個(gè)等效電容CM2，且得等效后的電路再設(shè)且2021/5/9466.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)4.高頻響應(yīng)和上限頻率輸入回路是RC低通電路由電路得得其中上限截止頻率通帶內(nèi)源電壓增益2021/5/9476.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)4.高頻響應(yīng)和上限頻率＝－180－arctg(f/fH)

相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)RC低通電路幅頻響應(yīng)常數(shù)項(xiàng)共源通帶增益的相位2021/5/9486.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)4.高頻響應(yīng)和上限頻率只要求得通帶增益和上限截止頻率，便可畫出波特圖C由上述關(guān)系看出

增益越高，Cgd產(chǎn)生的密勒電容也越大，上限截止頻率越低增益和帶寬相互制約2021/5/9496.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)5.增益-帶寬積一般放大電路有fH>>fL，則帶寬BW＝fHfLfH若有則MOS管一旦確定，對(duì)相同的信號(hào)源增益-帶寬積基本為常數(shù)#

如何提高帶寬？2021/5/9506.4.2共源放大電路的高頻響應(yīng)

為簡(jiǎn)化分析，上述分析過(guò)程對(duì)電路做了一些假設(shè)，盡管如此，其分析結(jié)果仍能符合大多數(shù)實(shí)際情況。使用CAD（如SPICE）工具很容易獲得更精確的分析結(jié)果。2021/5/9516.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號(hào)模型rb‘e---發(fā)射結(jié)電阻re折算到基極回路的電阻

---發(fā)射結(jié)電容---集電結(jié)電阻---集電結(jié)電容

rbb'---基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。互導(dǎo)2021/5/9526.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)1.BJT的高頻小信號(hào)模型高頻區(qū)通常有，模型簡(jiǎn)化為2021/5/9536.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)2.模型參數(shù)從手冊(cè)中查出（與頻率無(wú)關(guān)）#

與信號(hào)頻率有關(guān)嗎？2021/5/9546.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)由電路有低頻時(shí)所以當(dāng)時(shí)，3.的頻率響應(yīng)2021/5/9553.的頻率響應(yīng)6.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)其中幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)將f=fT帶入幅頻響應(yīng)所以2021/5/9563.的頻率響應(yīng)6.4.3BJT的高頻小信號(hào)模型及頻率參數(shù)——共發(fā)射極的截止頻率——特征頻率——共基極的截止頻率f=(1+0)f

≈f＋fT

另外根據(jù)所以可得2021/5/9576.4.4共射放大電路的高頻響應(yīng)1.高頻等效電路2021/5/9586.4.4共射放大電路的高頻響應(yīng)1.高頻等效電路與共源放大電路類似也可求出密勒電容，得到等效電路2021/5/9596.4.4共射放大電路的高頻響應(yīng)2.高頻響應(yīng)和上限頻率其中通帶源電壓增益上限截止頻率類似地求得源電壓增益響應(yīng)2021/5/9606.4.4共射放大電路的高頻響應(yīng)2.高頻響應(yīng)和上限頻率與共源放大電路類似2021/5/961例題

解：模型參數(shù)為

設(shè)共射放大電路在室溫下運(yùn)行，其參數(shù)為：負(fù)載開(kāi)路，Rb足夠大忽略不計(jì)。試計(jì)算它的低頻電壓增益和上限頻率。低頻電壓增益為又因?yàn)樗陨舷揞l率為2021/5/9626.5共柵和共基、共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng)6.5.1共柵和共基放大電路的高頻響應(yīng)6.5.2共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng)2021/5/9636.5.1共柵和共基放大電路的高頻響應(yīng)1.高頻小信號(hào)等效電路2021/5/9646.5.1共柵和共基放大電路的高頻響應(yīng)2.高頻響應(yīng)共柵放大電路的Cds均共基放大電路無(wú)跨接在輸入輸出之間的電容，所以無(wú)密勒電容效應(yīng)，上限頻率高于共射放大電路。2021/5/9656.5.2共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng)1.高頻小信號(hào)等效電路2021/5/9666.5.2共漏和共集放大電路的高頻響應(yīng)2.高頻響應(yīng)雖然Cgs和Cb`e都會(huì)產(chǎn)生密勒效應(yīng)，但是應(yīng)為兩電路的增益均小于等于1，所以它們的密勒電容都很小，上限頻率遠(yuǎn)高于同等工作條件下共源和共射放大電路。2021/5/9676.6擴(kuò)展放大電路通頻帶的方法擴(kuò)展放大電路的通頻帶是指降低下限頻率和提高上限頻率。采用直接耦合的方式可以將下限頻率降至零，而提高上限頻率通常有三種方法，即將不同組態(tài)的放大電路級(jí)聯(lián)組合、外接補(bǔ)償元件、采用負(fù)反饋。此處只討論第一種方法。將不同組態(tài)的放大電路級(jí)聯(lián)組合，可以減小前級(jí)密勒電容CM1=(1+gmRL)Cgd（或CM1=(1+gmRL)Cb′c）中RL的值，從而減小CM1，提高上限頻率，損失的增益由后級(jí)補(bǔ)償，共源?共基組合電路便是一例。另外，通過(guò)放大電路級(jí)聯(lián)組合，還可以減小后級(jí)中等效信號(hào)源內(nèi)阻Rsi的值，從而提高fH，如共集?共射組合電路。2021/5/9686.7多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)1.多級(jí)放大電路的增益?

前級(jí)的開(kāi)路電壓是下級(jí)的信號(hào)源電壓?

前級(jí)的輸出阻抗是下級(jí)的信號(hào)源阻抗?

下級(jí)的輸入阻抗是前級(jí)的負(fù)載2021/5/9696.7多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)2.多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)?

多級(jí)放大電路的通頻帶比構(gòu)成它的任何一級(jí)都窄。（以兩級(jí)為例）則單級(jí)的上下限頻率處的增益為當(dāng)兩級(jí)增益和頻帶均相同時(shí)，兩級(jí)的增益為即兩級(jí)的帶寬小于單級(jí)帶寬。2021/5/970*6.8單級(jí)