模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第4章 放大電路的頻率響應(yīng)

本章討論頻率響應(yīng)的概念,晶體管的高頻等效模型，場效應(yīng)管的高頻等效模型,單管放大電路的頻率響應(yīng)以及多級放大電路的頻率響應(yīng)。2、單管共射放大電路混合π模型等效電路圖、頻率響應(yīng)的表達式及波特圖繪制。1、晶體管、場效應(yīng)管的混合π模型。第四章放大電路的頻率響應(yīng)重點：1.研究的問題：放大電路對信號頻率的適應(yīng)程度，即信號頻率對放大倍數(shù)的影響。由于放大電路中耦合電容、旁路電容、半導(dǎo)體器件極間電容的存在，使放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)。在使用一個放大電路時應(yīng)了解其信號頻率的適用范圍，在設(shè)計放大電路時，應(yīng)滿足信號頻率的范圍要求。4.1頻率響應(yīng)的概念

2.RC電路的頻率響應(yīng)

（1）高通電路:信號頻率越高，輸出電壓越接近輸入電壓。（1）高通電路：頻率響應(yīng)fL低頻段放大倍數(shù)表達式的特點？下限截止頻率的特征？f>>fL時放大倍數(shù)約為1（2）低通電路:

信號頻率越低，輸出電壓越接近輸入電壓。（2）低通電路：頻率響應(yīng)fH低頻段放大倍數(shù)表達式的特點？上限截止頻率的特征？f<<fH時放大倍數(shù)約為1（3）幾個結(jié)論①電路低頻段的放大倍數(shù)需乘因子②當(dāng)f=fL時放大倍數(shù)幅值約降到0.707倍，相角超前45o；當(dāng)f=fH時放大倍數(shù)幅值也約降到0.707倍，相角滯后45o。③截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)電路高頻段的放大倍數(shù)需乘因子④頻率響應(yīng)有幅頻特性和相頻特性兩條曲線。二、放大電路的頻率參數(shù)

在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。高通電路低通電路

在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，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，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。下限頻率上限頻率

在中頻區(qū)各種電容的影響均可以忽略不計，電壓放大倍數(shù)Au基本上不隨信號頻率而變化，保持常數(shù)。1.頻率響應(yīng)

放大電路的電壓放大倍數(shù)Au是頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為放大電路的頻率響應(yīng)或頻率特性。Au(f)表示電壓放大倍數(shù)的模與頻率f的關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)。φ(f)表示放大電路輸出電壓與輸入電壓之間的相位差與頻率f的關(guān)系，稱為相頻響應(yīng)。放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖。2.通頻帶

在繪制頻率響應(yīng)曲線時，常常采用對數(shù)坐標(biāo)。幅頻特性的縱坐標(biāo)為，單位為分貝（dB）。

相頻特性的縱坐標(biāo)仍為φ，不取對數(shù)。這時得到的頻率響應(yīng)曲線稱為對數(shù)頻率響應(yīng)或波特圖。

在波特圖中，放大器的下限頻率fL和上限頻率fH也就是中頻電壓增益下降3dB時所對應(yīng)的兩個頻率。3.幅頻失真和相頻失真

放大器不能使不同頻率的信號得到同樣的放大，使輸出波形產(chǎn)生失真，這種失真稱為頻率失真，又稱為線性失真。頻率失真又包括幅度失真和相位失真。

幅度失真：是由于放大器對不同頻率信號的放大倍數(shù)不同而引起輸出波形產(chǎn)生的失真。相位失真：是由于放大器對不同頻率信號的相位移不同而引起輸出波形產(chǎn)生的失真。

1.

混合π模型：形狀像Π，參數(shù)量綱各不相同結(jié)構(gòu)：由體電阻、結(jié)電阻、結(jié)電容組成。rbb’：基區(qū)體電阻rb’e’：發(fā)射結(jié)電阻Cπ：發(fā)射結(jié)電容re：發(fā)射區(qū)體電阻rb’c’：集電結(jié)電阻Cμ：集電結(jié)電容rc：集電區(qū)體電阻因多子濃度高而阻值小因面積大而阻值小4.2晶體三極管的高頻等效模型

1）完整的混合

模型

---忽略小電阻，考慮集電極電流的受控關(guān)系因在放大區(qū)iC幾乎僅決定于iB而阻值大因在放大區(qū)承受反向電壓而阻值大2）簡化的混合模型

---忽略大電阻的分流Cμ連接了輸入回路和輸出回路，引入了反饋，信號傳遞有兩個方向，使電路的分析復(fù)雜化。混合π模型的單向化（即使信號單向傳遞）等效變換后電流不變晶體管簡化的高頻等效電路＝？4.3

單管共發(fā)射極放大電路的頻率響應(yīng)分析單管共射放大電路的頻率響應(yīng)：

畫出混合晶體管混合π型等效模型式中

1、中頻電壓放大倍數(shù)Ausm2、低頻電壓放大倍數(shù)Ausl1）考慮C1對低頻段頻率響應(yīng)的影響（等效電路如圖b）所示：在低頻區(qū)，由于容抗變大，則并聯(lián)的極間電容可忽略不計，視為開路，但耦合電容和旁路電容的影響應(yīng)予以考慮，其等效電路如圖（a）所示。并令低頻段頻率響應(yīng)分析：中頻段20dB/十倍頻由上面的推導(dǎo)可以看出，fL1與C1所在回路的時間常數(shù)成反比。同理，當(dāng)只考慮C2的影響時，可以得出其下限截止頻率fL2為

2）考慮C2對低頻段頻率響應(yīng)的影響：3）對分壓式偏置放大電路來說，還應(yīng)考慮射極旁路電容Ce的影響。下限截止頻率fL3為：

在高頻區(qū)，由于容抗變小，則耦合電容和旁路電容可忽略不計，視為短路，但并聯(lián)的極間電容的影響應(yīng)予以考慮，其等效電路如圖（a）所示。由于所在回路的時間常數(shù)比輸入回路Cπ的時間常數(shù)小得多，所以將C’μ忽略不計，如圖（b）所示。3、高頻電壓放大倍數(shù)Aush

高頻電壓放大倍數(shù)并令高頻段頻率響應(yīng)分析：4、完整的頻率響應(yīng)放大倍數(shù)在全部頻率范圍內(nèi)的表達式：單管共射放大電路的頻率響應(yīng)（a）幅頻響應(yīng)（b）相頻響應(yīng)四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL

和

fH

；2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg

低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；

高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。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、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

＝0。2.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。3.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。說明：式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb

和Cb

c

的值即被確定，增益帶寬積就基本上確定，此時，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)。如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數(shù)又高的放大電路，首要的問題是選用rbb

和Cb

c

均小的高頻三極管。當(dāng)提高增益時，帶寬將變窄；反之，增益降低，帶寬將變寬。4.4多級放大電路的頻率響應(yīng)一、多級放大電路頻率特性的定性分析多級放大電路的電壓放大倍數(shù)：1、對數(shù)幅頻特性為：

在多級放大電路中含有多個放大管，因而在高頻等效電路中有多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個高通電路。6dB3dBfLfH≈0.643fH1fL>fL1，fH<fH1，頻帶變窄！兩級放大電路的波特圖：一個兩級放大電路每一級具有相同的頻率響應(yīng)，則幅頻特性如圖所示。≈1.56fL1相頻特性-270o-360ofL1fH1fO

-540o-180o-450o-90o一級二級多級放大電路的通頻帶，總是比組成它的每一級的通頻帶為窄。多級放大電路的總相位移為：二、多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算在實際的多級放大電路中，當(dāng)各放大級的時間常數(shù)相差懸殊時，可取其主要作用的那一級作為估算的依據(jù)即：若某級的下限頻率遠高于其它各級的下限頻率，則可認為整個電路的下限頻率就是該級的下限頻率。同理若某級的上限頻率遠低于其它各級的上限頻率，則可認為整個電路的上限頻率就是該級的上限頻率。例：已知某電路的各級均為共射放大電路，其對數(shù)幅頻特性如圖所示。求下限頻率、上限頻率和電壓放大倍數(shù)。（2）高頻段只有一個拐點，斜率為-60dB/十倍頻程，電路中應(yīng)有三個電容，為三級放大電路。解：（1）低頻段只有一個拐點，說明影響低頻特性的只有一個電容，故電路的下限頻率為10Hz。fH≈0.52fH1=(0.52×2×105)Hz=106KHz（3）電壓放大倍數(shù)4.6放大電路的階躍響應(yīng)（刪）

研究放大電路在不同頻率的正弦波輸入信號的作用下的頻率響應(yīng)，這種分析方法稱為頻域法。優(yōu)點:是分析簡單，實際測試方便

缺點:是用幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)不能直觀地確定放大電路的波形失真，

采用階躍信號作為測試信號，研究放大電路的輸出波形隨時間變化的情況，稱為放大電路的階躍響應(yīng)，其分析方法稱為時域法。優(yōu)點:是可以很直觀地判斷放大電路的波形失真缺點:是分析比較復(fù)雜1.階躍信號2.單級放大電路的階躍響應(yīng)（1）上升時間tr上升部分可以采用RC低通電路來模擬

（1）上升時間tr

定義上升時間tr來表示前沿失真，上升時間tr是指輸出電壓從終始值的10%上升到90%所需的時間。說明：上升時間tr與上限頻率fH成反比，fH越高，則上升時間愈短，前沿失真越小。

（2）平頂降落δ平頂部分可以采用RC高通電路來模擬

輸出電壓是按指數(shù)規(guī)律下降的現(xiàn)象稱為平頂降落δ。

下降速度取決于時間常數(shù)RC平頂降落δ：是指在規(guī)定的時間tp內(nèi)，輸出電壓比終始值下降的百分數(shù)。即當(dāng)時，有考慮到：平頂降落δ與低頻下限頻率fL成正比fL越低，平頂降落δ越小。則tp代表方波的半個周期