模電第5章放大電路的頻率響應(yīng)

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1、 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 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 多級放大電路的頻率響應(yīng) 5.3 場效應(yīng)管的高頻等效模型 5.6 集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 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 ， 所以電路的放大倍數(shù)為頻率的函數(shù) ， 這種關(guān)系稱為 頻率響應(yīng)或頻率特性 。 小 信號等效模型只適用于低頻信號的分析。 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。 模擬電子技

2、術(shù)基礎(chǔ) 一、 高通電路 + _ + _ C R iU OU 圖 5.1.1（ a) RC 高通電路 RC C R R U U A u j 1 1 1 j 1 i O 令： L L 2 1 2 1 RCf L L L L j1 j j 1 1 j 1 1 1 f f f f f f A u 2 L L 1 f f f f A u 模： )(a r c ta n90 Lf f相角： 5.1.2 頻率響應(yīng)的基本概念 fL 稱為下限截止頻率 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 2 LL 1lg20lg20lg20 f f f fA u 則有： dB 02 0 l g L uAff 時，當(dāng) L L L lg20lg20l

3、g20 f f f fAff u 時，當(dāng) dB32lg20lg20 L uAff 時，當(dāng) 2 L L 1 f f f f A u 放大電路的 對數(shù)頻率特性 稱為 波特圖 。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 對數(shù)幅頻特性： 實際幅頻特性曲線： 圖 5.1.3(a) 幅頻特性 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 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 3.共基截止頻率 f 值下降為低頻 0 時 的 0.707 時的頻率 。 f fj1 0 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) f 與 f 、 fT 之間關(guān)系： 因為 ， 1 f fj1 0 可得 f

4、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 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 說明： ff )1( 1 00 0 0 ，因為： 所以： 1. f 比 f 高很多 ， 等于 f 的 (1 + 0) 倍； 2. f fT 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 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) cbbbs Hsm )(2 1 CrRfA u 說明： Hsm fA u 式不很嚴(yán)格 ， 但從中可以看出一個大 概

5、的趨勢 ， 即選定放大三極管后 ， rbb 和 Cbc 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 Cbc 均小的高頻三極管 。 * 場效應(yīng)管共源放大電路的增益帶寬積（自閱） 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 復(fù)習(xí)： 1.晶體管、場效應(yīng)管的 混合 模 型 2.單管共射放大電路的 頻率響應(yīng) 表達(dá)式： )j1)(j1( j )j1)(j1( HL L sm H L sm s f f f f f f A f f f f A A u u u 波特圖

6、的繪制： 三段直線構(gòu)成幅頻特性 五段直線構(gòu)成相頻特性 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 5.5 多級放大電路的頻率響應(yīng) 5.5.1 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)： 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 。 unuuu AAAA 21 n k uk unuuu A AAAA 1 21 lg20 lg20lg20lg20lg20 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 多級放大電路的總相位移為： 兩級放大電路的波特圖 圖 5.5.1 fH fL 幅頻特性 f

7、dB/lg20 uA O f L1 fH1 6 dB 3 dB 3 dB fBW1 fBW2 一 級 二 級 20dB/十倍頻 40dB/十倍頻 n k kn 1 21 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 圖 5.5.1 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 。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 5.5.2 多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算 2 H 2 2H 2 1HH 1111.11 nffff 2L2 2L2 1LL 1.1 nffff 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

8、， 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(yuǎn)高于其它各級的下限頻率 ， 則 可認(rèn)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(yuǎn)低于其它各級的上限頻率 ， 則可認(rèn) 為整個電路的上限頻率就是該級的上限頻率 。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 例 5.5.1 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。 fH0.5

9、2fH1=(0.52 2 105)Hz=106KHz （ 3）電壓放大倍數(shù) 3 5 3 ) 102 1)( 10 1( 10 f j f j jf A u 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 例 5.5.2 分別求出如圖 所示 Q點穩(wěn)定電路中 C1 C2和 Ce所確定的下限頻 率的表達(dá)式及電路上限 頻率表達(dá)式。 C1 Rc R b2 +VCC C2 RL + + + + + C e uo R b1 R e ui 圖 2.4.2阻容耦合的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路 b 解：交流等效電路 圖 5.5.3(a)Q點穩(wěn)定電路的交流等效電路 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 1.考慮 C1對低頻特性的影響 (b) C1所在回路的等效電路 1 1

10、211 2 1 /2 1 2 1 CRR crRRR f iS bebbS LI 2.考慮 C2對低頻特性的影響 (c) C2所在回路的等效電路 222 2 1 2 1 CRRf LcL 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 3.考慮 Ce對低頻特性的影響 (d) Ce所在回路的等效電路 e Sbbbe e e LI CRRRrR f 1 /2 1 2 1 21 4.考慮結(jié)電容對高頻特性的影響 (e)結(jié)電容所在回路的等效電路 CRRRrr f SbbbbebH H /2 1 2 1 21 比較 C1、 C2、 Ce所在回路的時間 常數(shù) 1、 2、 e,當(dāng)取 C1 C2 Ce時 ， e將遠(yuǎn)小于 1, 2， 即 fL

11、e 遠(yuǎn)大于 fL1和 fL2 因此 ， f Le就約為電路的下限頻率 。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 5.6 集成運放的頻率響應(yīng)和頻率補償 5.6.1 集成運放的頻率響應(yīng) 集成運放有很好的低頻特性（ fL 0）： 集成運放直接耦合放大電路 集成運放高頻特性較差： 集成運放 AOd很大， 等效電 容 或 很大；集成運放 內(nèi)部需接補償電容。 C gsC 末加頻率補償集成運放 的頻率響應(yīng) 圖 5.6.1 末加頻率補償 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) fC 單位增益帶寬 fO 附加相移為 1800 對應(yīng)的頻率 集成運放常引入負(fù)反饋，容 易產(chǎn)生自激振蕩。 自激振蕩產(chǎn)生的條件 存在 fO，且 fO fC 如何消除自激振蕩？ 圖

12、5.6.1 末加頻率補償?shù)募蛇\放 的頻率響應(yīng) 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 5.6.2 集成運放的頻率補償 頻率補償：在集成運放電路中接入不同的補償電路，改 變集成運放的頻率響應(yīng)，使 f=fO時， 20lg A0d -1800 ，從而破壞產(chǎn)生自 激振蕩的條件，使電路穩(wěn)定。 穩(wěn)定裕度 幅值裕度 相位裕度 Off odm AG lg20 Cffm 0180 fC fO 一般要求 Gm-10dB, m450 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 一、滯后補償 在加入補償電容后，使運放的幅頻特性在大于 0dB的 頻率范圍內(nèi)只存在一個拐點，并按 -20dB/十倍頻的 斜率下降，即相當(dāng)于一個 RC回路的頻率響應(yīng)。其附 加相移為 - 9

13、00。 1.簡單電容補償 將一個電容并接在集成運放時間常數(shù)最大的那一級 電路中，使幅頻特性中的第一拐點的頻率進(jìn)一步降 低，以至增益隋頻率始終按 -20dB/十倍頻的斜率下 降，直至 0dB。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 設(shè)某運放第二級放大電路輸 入端等效電容所在回路的時 間常數(shù)最大 22011 /2 1 ii H CRRf )(/2 1 2201 1 CCRRf ii H 圖 5.6.3 滯后補償前后集成運放的幅頻特性 圖 5.6.4 簡單電容補償 加 C之前 加 C之后 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 將電容 C跨接在某級放大電路的輸入端和輸出端， 則折合到輸入端的 等效電容 C/是 C的 Auk 倍， （ Auk 該級放大電路的電壓放大倍數(shù)） 2.密勒效應(yīng)補償 圖 5.6.5 密勒效應(yīng)補償 滯后補償?shù)娜秉c： 降低了上限頻率 二、超前補償（略）