低頻電子電路-第5章 放大器頻率特性基礎(chǔ)

《低頻電子電路》----------人民郵電出版社普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材授課：曾浩5.1.1頻率特性的穩(wěn)態(tài)描述方法5.2單元放大器頻率特性基礎(chǔ)5.1.2基本增益器件的頻率特性與電路模型5.1

頻率特性描述方法與基本增益器件頻率特性第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)5.2.1雙極型單元放大電路的頻率特性5.2.2放大器頻率特性分析舉例第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

放大器頻率特性是指放大電路的輸入與輸出電量關(guān)系表達(dá)式受輸入信號(hào)頻率變化的影響特性。原因在于放大器內(nèi)部存在電容或電感等動(dòng)態(tài)記憶元器件，即無(wú)論放大器內(nèi)部存在的電容或電感是否線性，都將引起放大倍數(shù)表達(dá)式隨信號(hào)頻率變化。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

一般而言，放大器中含有電抗元件。在多頻率的模擬信號(hào)激勵(lì)下，因頻率的不同，放大器增益會(huì)隨之改變，因此，一般情況下，穩(wěn)態(tài)情況的增益應(yīng)采用復(fù)數(shù)表達(dá)：由于頻率失真由線性電抗元件引起，故稱線性失真。注意：線性失真不產(chǎn)生新的頻率成份。由于信號(hào)頻率變化引起增益改變，可致使放大器輸出波形不能反應(yīng)輸入變化規(guī)律的情況，定義為放大器的頻率失真。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)（1）不同頻率信號(hào)，對(duì)增益的幅頻特性的影響（2）不同頻率信號(hào)，對(duì)增益的相頻特性的影響若對(duì)不同頻率，增益的模不為常數(shù)，則輸出會(huì)出現(xiàn)失真，即幅度失真。若對(duì)不同頻率，增益的時(shí)延不為常數(shù)，則輸出會(huì)出現(xiàn)失真，即相位失真。無(wú)相位失真的條件為：注：一般音頻放大器應(yīng)考慮是否存在幅度失真；視頻放大器則對(duì)幅度失真與相位失真都應(yīng)考慮。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)1）寫(xiě)出電路傳遞函數(shù)表達(dá)式

A(j

)

頻率特性分析一般步驟3）確定上、下限角頻率

2）繪制漸近波特圖第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)5.1頻率特性描述方法與基本增益器件頻特性第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)圖5-1-1共發(fā)射極放大器的小信號(hào)等效通路從上圖可知（1）串聯(lián)大電容C1、C2和將在頻率減小時(shí)，使放大電路增益降低；（2）三極管中PN結(jié)結(jié)電容Cb’e、Cb’c將在頻率增加時(shí)，使放大電路增益降低。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)0f/HzA(f)0f/Hz

A(f)幅頻特性相頻特性通頻帶：對(duì)應(yīng)上限頻率fH

、及下限頻率fL

。AIAI2fHfL圖5-1-1共發(fā)射極放大器的頻率分析示意圖增益下降到時(shí)，第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)5.1.1頻率特性的穩(wěn)態(tài)描述方法1.波特圖的坐標(biāo)特點(diǎn)幅頻和相頻特性波特圖的橫坐標(biāo)均采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。這樣才可能把各個(gè)頻段的特性在同一個(gè)圖上描述出來(lái)。注意橫坐標(biāo)沒(méi)有零。lg1=0，lg2=0.30，lg3=0.48，lg4=0.60，lg5=0.70lg6=0.78，lg7=0.85，lg8=0.90，lg9=0.95，lg10=1第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)（a）相頻特性縱坐標(biāo)

（b）幅頻特性縱坐標(biāo)幅頻特性縱坐標(biāo)對(duì)增益來(lái)說(shuō)是對(duì)數(shù)坐標(biāo)，如圖（b）所示，但增益通過(guò)dB方式標(biāo)注，第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

RC低通電路頻率響應(yīng)CR+-+-vi(t)vo(t)

由圖，傳遞函數(shù)表達(dá)式：時(shí)間常數(shù)式中，幅值或相角2.基本傳遞函數(shù)因子的波特圖第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)0

H0.1

H10

HAv(

)/dB

-20-30

H0.1

H10

H

A(

)

-45

-90

-5.7

繪制漸近波特圖：根據(jù)畫(huà)出幅頻波特圖畫(huà)出相頻波特圖漸近波特圖畫(huà)法：幅頻

<<

H時(shí)，

>>

H時(shí)，

=

H

時(shí)，相頻

<0.1

H

時(shí)，

>10

H

時(shí)，

=

H

時(shí)，-20dB/十倍頻-45

/十倍頻第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

確定上限角頻率：0

p0.1

p10

pAv(

)/dB

-200

p0.1

p10

p

A(

)

-45

-90

-20dB/十倍頻-45

/十倍頻歸納一階因子漸近波特圖畫(huà)法：幅頻漸近波特圖：已知

自0dB水平線出發(fā)，經(jīng)

p轉(zhuǎn)折成斜率為（–20dB/十倍頻）的直線。相頻漸近波特圖：

自0

水平線出發(fā)，經(jīng)0.1

p處轉(zhuǎn)折，斜率為(–45

/十倍頻)，再經(jīng)10

p處轉(zhuǎn)折為-90

的水平線。因

=p時(shí)，

H=p第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

RC高通電路頻率響應(yīng)

由圖，傳遞函數(shù)表達(dá)式：時(shí)間常數(shù)式中，幅值相角CR+-+-vi(t)vo(t)下限角頻率：因

=L時(shí)，

L

第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)0

L0.1

L10

L

A(

)

45

90

繪制漸近波特圖：根據(jù)畫(huà)出幅頻波特圖畫(huà)出相頻波特圖0

L0.1

L10

LAv(

)/dB

-2020dB/十倍頻-45

/十倍頻幅頻漸近波特圖：>L：0dB水平線；

<L：斜率為(20dB/十倍頻）的直線。相頻漸近波特圖：<0.1

L：-90

的水平線。0.1

L<<10

L：斜率為(–45

/十倍頻)的直線。

>10

L

：0

水平線。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

多個(gè)一階因子系統(tǒng)頻率響應(yīng)

利用RC低通電路分析結(jié)果，得傳遞函數(shù)表達(dá)式：式中C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3

如圖所示的三級(jí)理想電壓放大器，Ri

，Ro0。試畫(huà)漸近波特圖，并求

H。已知R1C1>R2C2>R3C3第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

頻率特性表達(dá)式：幅頻及相頻表達(dá)式：均為單階因子波特圖的疊加。假設(shè)0

H20.1

H110

H3

A(

)

-90

H1

H3-180

-270

0

H2

H1

p3Av(

)/dB

204060-20

H3-20dB/十倍頻-40dB/十倍頻-60dB/十倍頻-45

/十-90

/十-45

/十第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)歸納多極點(diǎn)系統(tǒng)漸近波特圖畫(huà)法：幅頻漸近波特圖：

自中頻增益AvI(dB)的水平線出發(fā)，經(jīng)

pn轉(zhuǎn)折成斜率為（–20ndB/十倍頻）的直線。相頻漸近波特圖：自0

水平線出發(fā)，經(jīng)0.1

p1處開(kāi)始轉(zhuǎn)折，斜率為：

(–45

/十倍頻）乘以（單階因子重疊的段數(shù)），再經(jīng)10

pn，轉(zhuǎn)折成-90

n的水平線。已知第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

確定上、下限角頻率：根據(jù)定義，當(dāng)

=H時(shí)：即整理并忽略高階小量得：將上式推廣到多級(jí)放大器。則上限截止頻率為上限角頻率第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)若

H24

H1，則稱

H1為主極點(diǎn)，

H2、

H3為非主極點(diǎn)。上限角頻率取決于主極點(diǎn)角頻率：對(duì)于下限截止頻率也可以推出結(jié)論如下：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，放大器級(jí)數(shù)越多（其中電容越多），通頻帶越窄。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)例1：解：可以判斷上圖所示頻率特性為二級(jí)理想電壓放大器的頻率特性，Ri

，Ro

0。一級(jí)為低通放大器，一級(jí)為高通放大器，電路示意圖如下：C1R1+-+-vivoAv1C2R2Av2已知某兩級(jí)放大器的頻率特性如下式，試畫(huà)出其波特圖20dB/十倍頻0

fLAv(f)/dBf204060-20fH1kHz10MHz-20dB/十倍頻00.1fH10fH

(f)f-90

fH-180

-270

90

0.1fL10fLfL-45

/十倍頻-45

/十倍頻

高頻工作，考慮三極管極間電容影響時(shí)，

為頻率的復(fù)函數(shù)。5.1.2基本增益器件的頻率特性與電路模型經(jīng)推導(dǎo)得其中

/2

指

(

)下降到中頻

的0.707倍時(shí)對(duì)應(yīng)的角頻率。

()

共發(fā)電路截止角頻率

根據(jù)定義rbb

rberceCbeCbcgmVbe(j)b

ebcIb(j)Ic(j)第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)三極管頻率特性參數(shù)當(dāng)

=

T時(shí)因此

指

(

)下降到1時(shí)，對(duì)應(yīng)的角頻率。特征角頻率

T

/2

()

T1根據(jù)

T>>

T是三極管具有電流放大作用的最高極限角頻率。及第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

指

(

)下降到中頻

的0.707倍時(shí)對(duì)應(yīng)的角頻率。

共基電路截止角頻率

>

T>>

根據(jù)及整理得其中

三個(gè)頻率參數(shù)中應(yīng)用最廣、最具代表性的是特征角頻率

T。通常，

T越高，三極管高頻性能越好，構(gòu)成的放大器上限頻率越高。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)一般來(lái)說(shuō)，場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管有更高的上限截止頻率。單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的頻率特性計(jì)算時(shí)，常采用如圖所示小信號(hào)等效電路。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)場(chǎng)效應(yīng)管的頻率特性描述5.2單元放大器頻率特性基礎(chǔ)放大單元的下限截止頻率由外接電容決定，上限截止頻率由增益管內(nèi)部結(jié)電容決定。對(duì)于直接耦合放大器，因無(wú)外接電容，即電路下限截止頻率fL=0，通頻帶BW0.7=fH

。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)設(shè)原四端網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)：

密勒定理和單向化近似模型5.2.1雙極型單元放大電路的頻率特性密勒定理等效后：網(wǎng)絡(luò)+-+-V1(jω)V2(jω)Y1(jω)Y2(jω)●●第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)+-+-V1(jω)V2(jω)Y

(jω)●●

單向化近似共發(fā)交流通路RC+-vo+-vsRLRS+-vi由等效電路整理得單向化近似條件則第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

共發(fā)高頻等效電路及密勒近似第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)可以得出：fH2由輸出回路確定的極點(diǎn)頻率，具體計(jì)算公式為:電路上限截止頻率：第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)fH1為由輸入回路確定的極點(diǎn)頻率，具體計(jì)算公式為:(a)低、中頻等效電路共發(fā)放大電路的下限截止頻率分析低頻響應(yīng)主要取決于放大電路的外接電容，常用如下工程分析步驟。先畫(huà)出圖示交流等效電路耦合電容和旁路電容不能忽略，然后分別求解每個(gè)電容單獨(dú)作用時(shí)（其它電容此時(shí)短路）的下限截止頻率fLn

,第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)C1單獨(dú)作用時(shí)C2單獨(dú)作用時(shí)CE單獨(dú)作用時(shí)第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)增益帶寬積若，則有：信號(hào)源內(nèi)阻越小，并且選rbb

小、Cbc小、

T高的三極管可使GBW

。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)提高共發(fā)電路上限頻率的方法：

在電路輸入端采用低阻節(jié)點(diǎn)（即RS?。?。

在電路輸出端也采用低阻節(jié)點(diǎn)（即RL

?。?。

此時(shí)，共發(fā)電路上限角頻率

H最高，且接近管子特征角頻率

T。第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)解：（1）上限截止頻率

由上面的計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，上限截止頻率主要受影響。（2）下限截止頻率由上面的計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，旁路電容的容量最大，對(duì)下限頻率影響也最大。

共集放大器上限截止頻率分析由于因此，Cbc可忽略不計(jì)。令RL=rce//RE//RL簡(jiǎn)化等效電路rbb

rbeCbegmVbeb

VoRS+-R

L+-VseIb(s)●●●第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)由簡(jiǎn)化等效電路：式中：上限截止頻率：

并聯(lián)在Cbe兩端的總電阻

如采用恒壓源（RS

0）激勵(lì)：

共集電路輸入為低阻節(jié)點(diǎn)(RS小)時(shí)，上限角頻率fH

fT

?？紤]到混和π型電路實(shí)際情況，共集電路應(yīng)工作在fT

/3以下。簡(jiǎn)化等效電路rbb

rbeCbegmVbeb

VoRS+-R

L+-VseIb(s)●●●第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)

共基極放大器的頻率特性(a)中高頻交流通路

(b)中高頻小信號(hào)等效電路

(c)簡(jiǎn)化等效電路

(d)分析等效電路第五章放大器頻率特性基礎(chǔ)由簡(jiǎn)化等效電路：式中：共基電路輸出為低阻節(jié)點(diǎn)(RL

小)時(shí)，上限角頻率fH