電子技術(shù)-第4章放大電路的頻率響應(yīng).ppt

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1、第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.1 頻率響應(yīng)的基本概念 4.2 RC低 通和高通電路的頻率響應(yīng) 4.3 三極管的混合 型等效電路及參數(shù)估算 4.4 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 4.5 多級放大電路的頻率響應(yīng) 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.1 頻率響應(yīng)的基本概念 由于放大電路中存在電抗性元件 ， 所以放大電路的放 大倍數(shù)是信號頻率的函數(shù) ， 這種函數(shù)關(guān)系稱為 頻率響應(yīng) 或 頻率特性 。 4.1.1 研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性 4.1.2 放大電路頻率特性的定性分析 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 由于放大電路中存在電抗性

2、元件，當(dāng)信號頻率較 高或較低時，不但放大倍數(shù)會變小，而且會產(chǎn)生超前 或滯后的相移，使得放大電路對不同頻率信號分量的 放大倍數(shù)和相移都不同。 當(dāng)輸入信號包含多次諧波時，經(jīng)過放大電路后， 輸出信號不能重現(xiàn)輸入信號的波形，這就產(chǎn)生了 頻率 失真 . 4.1.1 研究放大電路頻率響應(yīng)的必要性 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) (a)幅頻失真 (b)相頻失真 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 頻率失真 和 非線性失真 兩者在實(shí)質(zhì)上是不同的 : （ 1）起因不同 ：頻率失真是由電路中電抗性元件對 不同信號頻率的響應(yīng)不同而引起，非線性失真由電路 的非線性元件引起的。 （ 2）

3、結(jié)果不同 ：頻率失真只會使各頻率分量信號的 比例關(guān)系和時間關(guān)系發(fā)生變化，或?yàn)V掉某些頻率分量 信號。但非線性失真，會將正弦波變?yōu)榉钦也?，?不僅包含輸入信號的頻率成分（基波），而且還產(chǎn)生 許多新的諧波成分。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 1.幅頻特性和相頻特性 電壓放大倍數(shù)的幅值和相角都是頻率的函數(shù)。 即 )()( ffAA uu )( ：幅頻特性fA u ：相頻特性)( f 4.1.2 放大電路頻率特性的定性分析 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) C1 Rb +VCC C 2 Rc + + + Rs + SU OU iU + 中頻段 ： 各種電 抗影響忽略

4、 ， Au 與 f 無關(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 。 2單管共射放大電路頻率特性的定性分析 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) uA O f f L fH BW Aum 0.707Aum 90 180 270 f 0 fL ：下限頻率； fH ：上限頻率 BW ：通頻帶 BW = fH fL 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.2 RC低通和高通電路的頻率響應(yīng) 4.2.1 RC低通電路的頻率響應(yīng) 4.2.2

5、RC高通電路的頻率響應(yīng) 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.2.1 RC低通電路的頻率響應(yīng) RC C R C A u j1 1 j 1 j 1 令 ： RCf 2 12 1 HH 則： H H j1 1 j1 1 f fA u 2 H 1 1 f f A u H a r c t a n ff + _ + _ C R iU OU 1頻率特性的表達(dá)式 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2 H 1 1 f f A u 2波特圖 2 H 1lg20lg20 f f A u 則有： dB 02 0 l g H uAff 時，當(dāng) H H lg20lg20 f fAff u

6、 時，當(dāng) dB32lg20lg20 H uAff 時，當(dāng) (1)幅頻特性 一條 0dB的直線 斜率為 -20dB/十倍頻程的直線 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 對數(shù) 幅頻特性： 0.1 fH fH 10 fH f dB/lg20 uA 0 20 40 3dB 20dB/十倍頻 當(dāng) f fH (低頻 )， 當(dāng) f fH (高頻 )， 1uA 1uA 低通特性： 且頻率愈高 ， 的值愈小 ， 高頻信號不能通過 。 uA 最大誤差為 3 dB， 發(fā)生在 f = fH處 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) fH 10 fH 45 5.71 5.71 45/ 十倍頻 9

7、0 0.1 fH 0 f 在高頻段 ， 低通 電路產(chǎn)生 0 90 的滯后相移 。 H a r c t a n ff(2)相頻特性 ;0H 時，ff ;71.51.0 H 時，ff ;90H 時，ff ;5.8410 H 時，ff 45H 時，ff 誤差 誤差 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 例 4.2.1 電路如圖所示，試求該電路的上限截止頻率 fH RCf 2 1 H kH zHzCRR 9.15)(1001.010114.32 1)/(2 1 63 21 21 / RRR 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.2.2 RC高通電路的頻率響應(yīng) + _ + _

8、 C R iU OU RCC R R U U A u j 1 1 1 j 1 i O 令： L L 2 1 2 1 RCf f f A u L L j1 1 j 11 1 2 L1 1 f f A u模： )(a r c t a n Lff相角： 1頻率特性的表達(dá)式 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2 L1 1 f f A u 2 L1lg20lg20 f fA u 則有： dB 02 0 l g L uAff 時，當(dāng) L L L lg20lg20lg20 f f f fAff u 時，當(dāng) dB32lg20lg20 L uAff 時，當(dāng) 2波特圖 (1)幅頻特性 電氣與電子工

9、程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 對數(shù)幅頻特性： 實(shí)際幅頻特性曲線： 當(dāng) f fL(高頻 )， 當(dāng) f fT 時， ， 三極管失去放大作用； f fT 時，由式 ；1 1 2 T 0 f f 得： ff 0T 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 因?yàn)?， 1 f fj1 0 可得 f f ff ff )1( j1 1 /j1 1 /j1 0 0 0 0 0 比較，可知與 f fj1 0 ff )1( 1 0 0 0 0 3. 共基截止頻率 f 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 說明： ff )1( 1 00 0 0 ，因?yàn)椋?所以： 1. f 比 f 高很多

10、， 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 。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.4 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 4.4.1 阻容耦合共射放大電路的頻率響應(yīng) 4.4.2 放大電路頻率響應(yīng)的改善 4.4.3 其他電容對頻率特性的影響 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.4.1 阻容耦合共射放大電路的頻率響應(yīng) 將 C2 和 RL 看成下一級的輸入耦合電容和輸入電阻 。 4.4 單管共射放大電路的頻率響應(yīng) 1阻容耦合共射放大電路的混合 型等效電路 第 4

11、章 放大電路的頻率響應(yīng) 阻容耦合共射放大電路的混合 型等效電路 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2.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 由圖可得 bebi s be eb is i eb / rRR U r r RR R U 式中 scm be eb is i cebmo URgr r RR RRUgU 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) (2) 中頻 電壓放大倍數(shù) cm be eb is i s o sm Rgr r RR R U UA u 已知 ，則 eb m r g be c is i sm r R RR RA u 結(jié)論： 中頻電

12、壓放大倍數(shù)的表達(dá)式 ， 與利用簡化 h 參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致 。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 3.低頻段 考慮 隔直電容 的作用，其等效電路： C1 與輸入 電阻構(gòu)成一個 RC 高通電路 s be eb 1 is i eb j 1 U r r C RR R U 式中 Ri = Rb / rbe 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) s be eb 1 is i eb j 1 U r r C RR R U 輸出電壓 s 1is cm be eb is i cebmo )(j 1 1 1 U CRR Rg r r RR R RUgU 低頻電壓放大倍數(shù) 1is

13、 sm s o sL )(j 1 1 1 CRR A U U A uu 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 低頻時間常數(shù)為： 1isL )( CRR 下限 (3 dB)頻率為： 1isL L )(2 1 2 1 CRRf 則 f f AA L uu j1 1 smsL 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.高頻段 考慮 并聯(lián)在極間電容 的影響，其等效電路： 由于輸出回路時間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入回路時間常數(shù) ， 故 可忽略輸出回路的結(jié)電容 。 并用戴維南定理簡化 。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 簡化的高頻等效電路 )/(/ bsbbeb s be e

14、b is i s RRrrR U r r RR R U cbcmebcbeb )1()1( CRgCCKCC C 與 R 構(gòu)成 RC 低通電路 。 sseb j1 1 j 1 j 1 U CR U C R C U scm be eb is i cebmo j1 1 U CRRgr r RR RRUgU 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) CR A U UA uu j1 1 sm s o sH 高頻時間常數(shù)： CR H 上限 (3 dB)頻率為： CRf 2 1 2 1 H H H smsH 1 1 f fAA uu 故 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 5.完整

15、的波特圖 )j1)(j1( H L sm s f f f f AA u u 繪制波特圖步驟： 1. 根據(jù) 電路參數(shù)計(jì)算 、 fL 和 fH ； smuA 2. 由 三段直線構(gòu)成幅頻特性。 smuA中頻段： 對數(shù)幅值 = 20lg 低頻區(qū)： f = fL開始減小，作斜率為 20 dB/十倍頻直線； 高頻段： f = fH 開始增加，作斜率為 20 dB/十倍頻直線。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 中頻段 ：在 10fL至 0.1fH之間，作一條 的水平直線； 低頻區(qū)： 當(dāng) f10fH時，作一條 的水平直線， 在 0.1fH至 10fH之間，作一條斜率為 -450 /十倍頻程的

16、直 線。 3. 由五段直線構(gòu)成相頻特性。 180 180 90 270 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 幅頻特性 f dB/lg20 uA O f L 20dB/十倍頻 fH 20dB/十倍頻 smlg20 uA 270 225 135 180 相頻特性 90 10 fL 0.1fL 0.1fH 10 fH f O 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) (1)計(jì)算中頻電壓放大倍數(shù) 0 . 0 1 5 m AmA)6 2 0 6.010( B B E QCC BQ R UVI mA05.1mA015.070 BQCQEQ III 1 .

17、 8 k )05.1 2671()(26)1( EQ eb I mVr k2 1 8 0 0 )( 2 0 0 ebbbbe rrr k2k)2/6 2 0(/bi berRR 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) (2)估算 下限頻率和上限頻率 HzHzCRRf iS 69101102) ( 0. 32 1)(2 1 63 1 L 2 1 CRf H mS9.38mS8.1 70 eb m r g pF41F)101502 103 8 . 9(2 6 -3 T m eb f gC cRg U U m eb ceK pF10104)2.69.381(41 1K1+ cbcmebcbeb CRgCCCC

18、 k4.05.0/8.1)/()/(/ SbbebSbbbeb RrrRRrrR kH zHzCRf H 3941010 1 0104.02 12 1 123 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) （ 3）計(jì)算 電壓放大倍數(shù) Hzf 69L ) 394000 1)(691( 189 )1( 1 )1( 1. fj f j f fj f fjAA H L u s mus （ 4） 畫波特圖 dBA u s m 4618 9lg20lg20 k H zf H 394 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 幅頻特性 f dB/lg20 uA O f L 20dB/十倍頻 fH 20dB/十倍頻

19、46lg20 sm uA 270 225 135 180 相頻特性 90 10 fL 0.1fL 0.1fH 10 fH f O 69Hz 394000Hz 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.4.2 放大 電路頻率響應(yīng)的改善 1對放大電路頻率響應(yīng)的要求 為了減少頻率失真，放大電路的下限頻率 fL要低于輸 入信號中的最低頻率分量，而 fH要高于輸入信號中的 最高頻率分量。 2改善單級放大電路的低頻特性 (1)需加大耦合電容及其回路電阻，以增大回路時間 常數(shù) (2)采用直接耦合方式 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 3. 增益 帶寬積 中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的

20、乘積。 CRfRgr r RR RA u 2 1 Hcm be eb is i sm ；因?yàn)?)/(/ bsbbeb RRrrR cbcmeb )1( CRgCC Ri = Rb / rbe 假設(shè) Rb Rs， Rb rbe； (1 + gmRc)Cbc Cbe CRRgr r RR RfA u 2 1 cm be eb is i Hsm故 cbbbs )(2 1 CrR 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) cbbbs Hsm )(2 1 CrRfA u 說明： Hsm fA u 式很不嚴(yán)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 Cbc 的值

21、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 Cbc 均小的高頻三 極管 。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 求某個電容所決定的截止頻率，主要求出該電容 所在回路的時間常數(shù)，然后求出其截止頻率。 4.4.3 其他電容對頻率特性的影響 2 1f 1耦合 電容 C2對頻率特性的影響 在中頻段和高額段，耦 合電容 C2容抗很小，可 視為短路，故 C2只影響 下限頻率。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng)

22、等效電路 電容 C2所在回路的時間 常數(shù)為 22 )( CRRRC OL 2)(2 1 2 1 CRRf OLL 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2 射極旁路電容 Ce對頻率特性的影響 在中頻段和高額段， Ce容抗 很小，可視為短路，當(dāng)頻率 下降至 低頻段，其容抗不可 忽略。 以 Ce兩端為端口，求解它 所在回路的等效電阻 R為 1/ bbe e RrRR bsb RRR / eRC e bbe e L CRrR f ) 1 /(2 1 2 1 3 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 3.直接耦合單管共射放大電路的頻率響應(yīng) fH f dB/lg20 uA O m

23、lg20 uA 270 10 fH 20dB/十倍頻 180 0.1fH 90 f O 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.5 多級放大電路的頻率響應(yīng) 4.5.1多級放大電路的幅頻特性 和相頻特性 4.5.2 多級放大電路的截止頻率 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.5 多級放大電路的頻率響應(yīng) 4.5.1多級放大電路的幅頻特性 和相頻特性 多級放大電路的電壓放大倍數(shù)： unuuu AAAA 21 對數(shù)幅頻特性為： n k uk unuuu A AAAA 1 21 lg20 lg20lg20lg20lg20 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng)

24、多級放大電路的總相位移為： n k kn 1 21 兩級放大電路的波特圖 fH fL 幅頻特性 f dB/lg20 uA O f L1 fH1 6 dB 3 dB 3 dB BW1 BW 一 級 二 級 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 相頻特性 270 360 fL1 fH1 f O 540 180 450 90 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 。 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4.5.2 多級放大 電路的截止頻率 1上限頻率 每級的上限頻率分別為 fH1， fH2， ， fHn 22 2 2 1 21 111 HnHH u m

25、numum uH f f f f f f AAA A 22 2 2 1 111 HnHH um f f f f f f A 當(dāng) f=fH時 2 111 22 2 2 1 um Hn H H H H H um uH A f f f f f f A A 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2111 2 1 2 1 2 1 H H H H H H f f f f f f 21 22 2 2 1 Hn H H H H H f f f f f f 在工程上可將高次項(xiàng)忽略 1 22 2 2 1 Hn H H H H H f f f f f f 22 2 2 1 1111 HnHHH ffff 加上修正系數(shù)，則得

26、 2 H 2 2H 2 1HH 1111.11 nffff 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 如各級的上限頻率相差懸殊時，其中有一級比其他 各級都 低得多 ，工程上低于 5倍即可，那么，總的 上限 頻率就基本上等于這一級的上限截止頻率 。 如兩級放大電路的 k H zf H 1 0 01 k H zf H 8 0 02 則放大電路總的上限頻率應(yīng)為 k H zff HH 1 0 01 如兩級放大電路由兩個具有 相同頻率特性 的單管放 大電路組成，則上限頻率為 2 1 21.11 HH ff 1 6 4 3.0 HH ff 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2L2

27、2L2 1LL 1.1 nffff 如兩級放大電路由兩個具有相同頻率特性的單管放 大電路組成 ， 則下限頻率為 2下限 頻率 12 1 56.121.1 LLL fff 如各級的下限頻率相差懸殊時，如其中有一級的下限 頻率比其他各級都 高得多 ，工程上大于 5倍即可， 那么， 總的下限頻率就基本上等于這一級的下限截止頻率。 如兩級放大電路的 Hzf L 501 Hzf L 4002 則放大電路總的上限頻率應(yīng)為 Hzff LL 4 0 02 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 例 4.5.1 放大電路的對數(shù)幅頻特性如圖所示。 (1)求中頻電壓放大倍數(shù)； (2)求上、下限頻率 fL、

28、 fH； (3)當(dāng) f=105Hz，該放大電路的附加相移等于多少 ？ dBA u 50lg20 sm 3 1 6sm uA fH=104Hz 6.1556.121.1 12 1 LLL fff 000 1 3 54590 (1) (2) (3) 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 例 4.5.3 已知某電路的幅頻特性如圖所示 ,試問 (1)該電路的耦合方式； (2)該電路由幾級放大電路組成； (3)當(dāng) f=104Hz時，附加相移約為多少 ? 當(dāng) f=105Hz時，附加相 移約為多少 ? (4)近似估算該電路的上限頻率 fH (1)直接耦合電路 (2)三級放大電路 (3)當(dāng) f=104Hz時 ,附加相

29、移約 為 1350 當(dāng) f=105Hz時附加相移約為 2700 Hzfff HHH 411 1052.052.031.1 (4) 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 【 本章小結(jié) 】 1. 在放大電路的 高頻區(qū) ，影響頻率響應(yīng)的主要 是三極 管的極間電容 ，其對高頻響應(yīng)的影響可用 RC低通電 路來模擬； 在放大電路的 低頻區(qū) ，影響頻率響應(yīng)的主要是 耦合電 容和射極旁路電容 ，它們對低頻響應(yīng)的影響可用 RC 高通電路來模擬。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 2. 波特圖由對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性組成，它們 均以頻率為橫坐標(biāo)，坐標(biāo)采用對數(shù)刻度。為了簡化作 圖，常用 近似折線的方法

30、，可以得到放大電路的對數(shù) 頻率特性。 3.常用的頻率參數(shù)有 共射極截止頻率 、 特征頻率 、 共 基截止頻率。 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 4利用放大電路的混合 型等效電路，將阻容耦合單 管共射放大電路簡化為 三個頻段 ： 在 中頻區(qū) ，可將各種電容的作用忽略； 在 低頻區(qū) 要考慮隔直電容 C1的作用，而忽略三極管極 間電容 C的作用； 在 高頻區(qū) ，忽略隔直電容 C1，考慮三極管極間電容 C 的作用。 畫出放大電路的三個分頻段等效電路 ，分別分析本頻 段的頻率響應(yīng)，放大電路電壓放大倍數(shù)的全頻域響應(yīng) )1( 1 )1( 1. H L u s mus f fj f fjAA 電氣與電子工程學(xué)院 第 4章 放大電路的頻率響應(yīng) 5多級放大電路的對數(shù)增益為各級放大電路增益之 和，相位移也為各級放大電路相位移之和。在畫多級 放大電路的波特圖時，只要把各級放大電路在同一橫 坐標(biāo)下的對數(shù)增益和相位移分別疊加起來就可以了。 多級放大電路的通頻帶比各單級放大電路的通頻帶都 要窄 。當(dāng)各級放大電路的上限頻率（或下限頻率）相 近時，可采用式 4.5.4和式 4.5.5計(jì)算整個電路的上限頻 率和或下限頻率； 如 各級的上限頻率（或下限頻率）相差懸殊時 ， 上限 頻率中最低的上限頻率為整個電路總的上限頻率 ， 下 限頻率中最高的下限頻率為整個電路總的下限頻率。 電氣與電子工程學(xué)院