放大電路的頻率響應(yīng)

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1、重 慶 理 工 大 學(xué) 在 放 大 電 路 中 ， 由 于 耦 合 電 容 和 旁 路 電 容 的 存 在 ， 如果 信 號 頻 率 比 較 低 了 ， 那 么 它 的 容 抗 也 就 比 較 大 ， 這時 候 的 耦 合 電 容 和 旁 路 電 容 再 不 能 看 成 是 短 路 的 了 ，在 耦 合 電 容 和 旁 路 電 容 上 要 產(chǎn) 生 了 交 流 信 號 的 損 失 。放 大 電 路 的 電 壓 放 大 倍 數(shù) 要 減 小 ， 而 且 這 時 候 它 會 產(chǎn)生 相 移 。 同 樣 的 ， 由 于 三 極 管 結(jié) 電 容 存 在 ， 當(dāng) 信 號 的 頻 率 比 較高 的 時 候 ，

2、結(jié) 電 容 的 容 抗 就 不 能 看 成 是 無 窮 大 了 ， 這就 會 使 得 發(fā) 射 結(jié) 所 得 到 的 電 壓 會 變 小 ， 放 大 器 的 電 壓放 大 倍 數(shù) 在 信 號 頻 率 比 較 高 的 時 候 ， 它 的 數(shù) 值 將 要 減小 ， 而 且 還 要 產(chǎn) 生 相 移 。 任 何 一 個 放 大 電 路 的 電 壓 放 大 倍 數(shù) 都 是 頻 率 的 函 數(shù) 。所 謂 的 頻 率 特 性 ， 指 的 就 是 這 種 函 數(shù) 關(guān) 系 。 我 們 把 在低 頻 和 高 頻 放 大 倍 數(shù) 下 降 而 且 產(chǎn) 生 相 移 的 現(xiàn) 象 也 稱 為它 產(chǎn) 生 了 頻 率 的 失 真

3、。 重 慶 理 工 大 學(xué) 6 放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng)6.1 單 時 間 常 數(shù) RC電 路 的 頻 率 響 應(yīng)6.2 BJT的 高 頻 小 信 號 模 型 及 頻 率 參 數(shù)6.3 單 級 共 射 極 放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng)6.4 單 級 共 集 電 極 和 共 基 極 放 大 電 路 的 高 頻 響 應(yīng)6.5 多 級 放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng) 研 究 放 大 電 路 的 動 態(tài) 指 標(biāo) （ 主 要 是 增 益 ） 隨 信號 頻 率 變 化 時 的 響 應(yīng) 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 頻 率 響 應(yīng) 的 概 念 在 放 大 電 路 的 通 頻 帶 中 給 出

4、 了 頻 率 特 性 的 概 念 -一 、 頻 率 響 應(yīng) 的 概 念 幅 頻 特 性 是 描 繪 輸 入 信 號 幅 度固 定 ， 輸 出 信 號 的 幅 度 隨 頻 率 變 化而 變 化 的 規(guī) 律 。 即 = =A io /VV )( fA幅 度 頻 率 特 性 相 頻 特 性 是 描 繪 輸 出 信 號 與 輸 入信 號 之 間 相 位 差 隨 頻 率 變 化 而 變 化的 規(guī) 律 。 即 )(io fVVA 相 位 頻 率 特 性 重 慶 理 工 大 學(xué) 這 些 統(tǒng) 稱 放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng) 。幅 頻 特 性 偏 離 中 頻 值 的 現(xiàn) 象 稱 為 幅 度 頻 率 失

5、真 ; 相 頻 特 性 偏 離 中 頻 值 的 現(xiàn) 象 稱 為 相 位 頻 率 失 真 。 放 大 電 路 的 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 ， 也 稱 為 頻 率 響應(yīng) 。 因 放 大 電 路 對 不 同 頻 率 成 分 信 號 的 增 益 不 同 ， 從而 使 輸 出 波 形 產(chǎn) 生 失 真 ， 稱 為 幅 度 頻 率 失 真 ， 簡 稱 幅頻 失 真 。 放 大 電 路 對 不 同 頻 率 成 分 信 號 的 相 移 不 同 ，從 而 使 輸 出 波 形 產(chǎn) 生 失 真 ， 稱 為 相 位 頻 率 失 真 ， 簡 稱相 頻 失 真 。 幅 頻 失 真 和 相 頻 失 真 是 線 性

6、 失 真 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 重 慶 理 工 大 學(xué) 產(chǎn) 生 頻 率 失 真 的 原 因 是 :1.放 大 電 路 中 存 在 電 抗 性 元 件 ， 例 如 耦 合 電 容 、旁 路 電 容 、 分 布 電 容 、 變 壓 器 、 分 布 電 感 等 ; 2.三 極 管 的 ()是 頻 率 的 函 數(shù) 。 在 研 究 頻 率 特 性 時 ， 三 極 管 的 低 頻 小 信 號 模型 不 再 適 用 ， 而 要 采 用 高 頻 小 信 號 模 型 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 6.1 單 時 間 常 數(shù) RC電 路 的 頻 率 響 應(yīng)1. RC低 通 電 路 的 頻 率 響 應(yīng)（ 電 路

7、 理 論 中 的 穩(wěn) 態(tài) 分 析 ）RC電 路 的 電 壓 增 益 （ 傳 遞 函 數(shù) ） ：則 1111 1ioH 1 1/1/1)( )()( CsRsCR sCsV sVsAV fs j2j 且 令 11H 2 1 CRf 又 )/j(1 1 HioH ffVVAV 電 壓 增 益 的 幅 值 （ 模 ） 2HH )/(1 1 ffAV （ 幅 頻 響 應(yīng) ）電 壓 增 益 的 相 角 )/(arctan HH ff （ 相 頻 響 應(yīng) ） 增 益 頻 率 函 數(shù) RC低 通 電 路 重 慶 理 工 大 學(xué)最 大 誤 差 -3dB 頻 率 響 應(yīng) 曲 線 描 述幅 頻 響 應(yīng) 2HH )

8、/(1 1 ffAV 1. RC低 通 電 路 的 頻 率 響 應(yīng)相 頻 響 應(yīng) )/(arctan HH ff最 大 誤 差 5.7 重 慶 理 工 大 學(xué) 2. RC高 通 電 路 的 頻 率 響 應(yīng)RC電 路 的 電 壓 增 益 ： 22 22 2ioL /1 /1)( )()( CRs s sCR RsV sVsAV 幅 頻 響 應(yīng) 2LL )/(1 1 ffAV 相 頻 響 應(yīng) )/(arctan LL ff 輸 出 超 前 輸 入RC高 通 電 路 重 慶 理 工 大 學(xué) 6.2 BJT的 高 頻 小 信 號 模 型 及 頻 率 參 數(shù)1. BJT的 高 頻 小 信 號 模 型 模

9、 型 的 引 出rbe-發(fā) 射 結(jié) 電 阻 re歸 算到 基 極 回 路 的 電 阻 。 -發(fā) 射 結(jié) 電 容-集 電 結(jié) 電 阻 rbc -集 電 結(jié) 電 容 C bc rbb -基 區(qū) 的 體 電 阻 ， b是 假 想 的 基 區(qū) 內(nèi)的 一 個 點 ?；?導(dǎo) CECE EBCEBCm VV iig vv BJT的 高 頻 小 信 號 模 型 三 極 管 物 理 模 型 重 慶 理 工 大 學(xué) 簡 化 模 型 混 合 型 高 頻小 信 號 模 型 。1. BJT的 高 頻 小 信 號 模 型由 于 rbc和 rce阻 值 很 大 ， 故 忽 略rbc和 rce 重 慶 理 工 大 學(xué) 在 型

10、 小 信 號 模 型中 ， 因 存 在 Cbc 對 求 解不 便 ， 可 通 過 單 向 化 處理 加 以 變 換 。 高 頻 小 信 號 模 型 電 路1. BJT的 高 頻 小 信 號 模 型 簡 化 高 頻 小 信 號 電 路 重 慶 理 工 大 學(xué) 2. BJT高 頻 小 信 號 模 型 中 元 件 參 數(shù) 值 的 獲 得低 頻 時 ， 混 合 模 型 與 H 參 數(shù) 模 型 等 價 ebbbbe rrr EQbbebbbe )1()1( IVrrrr T 又所 以 EQeb )1( IVr T ebbebb rrr 重 慶 理 工 大 學(xué)又 因 為 ebbeb rIV bebm IV

11、g Tmeb 2 fgC 從 手 冊 中 查 出 Tcb fC 和所 以 TVIrg EQebm 2. BJT高 頻 小 信 號 模 型 中 元 件 參 數(shù) 值 的 獲 得低 頻 時 ， 混 合 模 型 與 H參 數(shù) 模 型 等 價g m與 Q有 關(guān) ， 與 頻 率 無關(guān) 。 fT特 征 頻 率 , 下 降到 1時 的 信 號 頻 率 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 6.3 單 管 共 射 放 大 器 的 頻 率 響 應(yīng)一 、 全 頻 段 小 信 號 電 路 模 型二 、 中 頻 段 電 壓 放 大 倍 數(shù) Ausm三 、 低 頻 段 電 壓 放 大 倍 數(shù) Ausm四 、 高 頻 段 電 壓 放

12、 大 倍 數(shù) Ausm五 、 完 整 的 頻 率 響 應(yīng) 曲 線 重 慶 理 工 大 學(xué) 一 、 全 頻 段 小 信 號 電 路 模 型 對 于 下 圖 （ 左 ） 所 示 的 共 發(fā) 射 極 接 法 的 基 本 放 大電 路 ， 分 析 其 頻 率 響 應(yīng) ， 需 畫 出 放 大 電 路 從 低 頻 到 高 頻的 全 頻 段 小 信 號 模 型 ， 如 下 圖 （ 右 ） 所 示 。 然 后 分 中 、低 、 高 三 個 頻 段 加 以 研 究 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 如 果 將 C2和 RL看 作 是 下 一 級 放 大 電 路 的 耦 合 電容 和 輸 入 電 阻 ， 則 上 面 的

13、 電 路 還 可 以 進 一 步 化 簡 為下 圖 所 示 的 電 路 ： 重 慶 理 工 大 學(xué) 二 、 中 頻 段 電 壓 放 大 倍 數(shù) usmA 在 中 頻 段 ， 耦 合 電 容 和 三 極 管 結(jié) 電 容 的 影 響 可 以忽 略 ， 因 此 電 路 可 簡 化 為 下 圖 。siiebebosousm vvvvvvvvA Cmebo Rgvv ebbb ebieb rr rvv is isi RR Rvv 其 中 ： 、 、 、 )/( ebbbbi rrRR 重 慶 理 工 大 學(xué) 整 理 得 到 中 頻 段 電 壓 放 大 倍 數(shù) 如 下 ：Cmebbb ebis iusm

14、Rgrr rRR RA 由 于 、代 入 上 式 得 ： ebm rg beebbb rrr be Cis iusm rRRR RA 這 個 結(jié) 果 與 以 前 用 微 變 等 效 電 路 法 分 析 的 結(jié) 果完 全 一 樣 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 三 、 低 頻 段 電 壓 放 大 倍 數(shù) 將 全 頻 段 小 信 號 電 路 模 型 中 的 C1保 留 ， C忽 略 ， 即 可 獲 得低 頻 段 小 信 號 電 路 模 型 如 圖 3.7.16所 示 。 低 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) 為 ：ffjRgrr rRR RvvA LCmebbb ebis isousL 1 1 ffjA L

15、usm1 1s )(R2 1 CRf iL 式 中 ： 由 上 式 結(jié) 果 可 知 ， 放 大 電路 的 低 頻 響 應(yīng) 等 效 為 一 個 RC高通 電 路 ， 下 限 頻 率 fL主 要 與 低頻 等 效 電 路 的 時 間 常 數(shù) 有 關(guān) ，C1和 （ Rs+Ri） 的 乘 積 愈 大 ， 則fL愈 小 ， 即 放 大 電 路 的 低 頻 響應(yīng) 愈 好 。usm A 重 慶 理 工 大 學(xué) 四 、 高 頻 段 電 壓 放 大 倍 數(shù) usmA 將 全 頻 段 小 信 號 模型 中 的 C1短 路 ， 即 可 獲得 高 頻 段 小 信 號 模 型 微變 等 效 電 路 ， 如 圖3.7.1

16、7所 示 。 高 頻 電 壓放 大 倍 數(shù) 為 ： sousH vvA HCmebbb ebis i ffjRgrr rRR R 1 1Husm ffjA1 式 中 ： CRRrrf bsbbebH )/(/2 1 由 上 式 結(jié) 果 可 知 ， 放 大 電 路 的 高 頻 響 應(yīng) 等 效 為 一個 RC低 通 電 路 ， 上 限 頻 率 fH主 要 與 高 頻 等 效 電 路 的 時間 常 數(shù) rbe /rbb+ (Rs+Rb)C 有 關(guān) ， C 愈 小 ， 放 大 電路 的 高 頻 響 應(yīng) 愈 好 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 五 、 完 整 的 頻 率 響 應(yīng) 曲 線 將 以 上 在 中

17、頻 段 、 低 頻 段 和 高 頻 段 分 別 求 出 的 電壓 放 大 倍 數(shù) 進 行 綜 合 ， 就 可 以 得 到 基 本 共 射 放 大 電 路在 全 頻 率 范 圍 內(nèi) 的 放 大 倍 數(shù) 的 表 達 式 ： )1()1( HL usmus ffjffj AA 式 中 ： 、be Cis iusm rRRR RA 1)(2 1 CRRf isL CRRrrf bsbbebH )/(2 1 重 慶 理 工 大 學(xué) 同 時 ， 將 中 頻 段 、 低 頻 段 和 高 頻 段 的 頻 率 響 應(yīng) 曲 線綜 合 起 來 ， 就 得 到 了 基 本 共 射 放 大 電 路 完 整 的 頻 率

18、響 應(yīng)曲 線 ， 如 下 圖 所 示 重 慶 理 工 大 學(xué) 當(dāng) 頻 率 降 低 到 一 定 程 度 時 ， Au的 幅 值 要 下 降 ， 這 是 由 于 耦 合 電 容的 作 用 ， 當(dāng) 信 號 頻 率 高 到 一 定 程 度 時 ， Au的 數(shù) 值 也 要 下 降 ， 這 是由 于 結(jié) 電 容 C 的 作 用 ， 中 間 的 這 個 區(qū) 域 是 平 行 于 橫 軸 的 區(qū) 域 我們 叫 它 中 頻 段 ， 它 的 電 壓 放 大 倍 數(shù) 寫 成 Aum。 當(dāng) 信 號 頻 率 下 降 到 一 定 程 度 時 ， 電 壓 放 大 倍 數(shù) 會 下 降 ， 而 且 在 負(fù)180度 的 基 礎(chǔ) 上

19、 產(chǎn) 生 超 前 相 移 ， 這 里 有 一 個 特 殊 的 點 ， 是 電 壓 放 大倍 數(shù) 下 降 到 中 頻 段 時 候 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 70.7%， 并 且 它 產(chǎn) 生 一 個 正45度 的 相 移 ， 這 個 點 稱 為 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 下 限 截 止 頻 率 ， 簡 稱 下限 頻 率 。 如 果 信 號 頻 率 繼 續(xù) 下 降 ， 放 大 倍 數(shù) 繼 續(xù) 下 降 ， 趨 近 于 0，而 它 的 相 角 要 趨 近 于 負(fù) 的 90度 。 當(dāng) 著 信 號 頻 率 高 到 一 定 程 度 時 ， 放 大 倍 數(shù) 的 數(shù) 值 也 要 下 降 ， 這 里也 存 在

20、著 一 個 特 殊 的 點 ， 也 是 使 得 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 數(shù) 值 下 降 到 中頻 段 的 70.7%的 點 ， 并 且 它 產(chǎn) 生 一 個 滯 后 45度 的 相 移 ， 這 個 信 號 頻率 稱 為 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 上 限 截 止 頻 率 ， 簡 稱 上 限 頻 率 。 當(dāng) 信 號 頻率 趨 近 于 無 窮 的 時 候 ， 放 大 倍 數(shù) 繼 續(xù) 下 降 ， 趨 近 于 0， 而 它 的 相 角趨 近 于 負(fù) 270度 。 當(dāng) 信 號 工 作 在 下 限 頻 率 和 上 限 頻 率 之 間 的 時 候 我 們 稱 它 工 作 在 中 頻 段 ， 把 這 個 區(qū)

21、 間 叫 做 放 大 電 路 的 通 頻 帶 ， 通 頻 帶 BW=(fH-fL) fH。 重 慶 理 工 大 學(xué) 增 益 帶 寬 積 （ 描 述 集 成 運 放 的 一 個 參 數(shù) ）將 中 頻 增 益 與 通 頻 帶 相 乘 所 得 的 乘 積 稱 為 增 益 帶 寬 積 Husm fA be Cis i rRRR R CRRrr bsbbeb )/(/2 1 )1()(2 Cmebbbs Cm RgCrR Rg 由 上 式 可 見 ， 當(dāng) 電 路 參 數(shù) 及 三 極 管 都 選 定 后 ， 增 益-帶 寬 積 基 本 上 是 個 常 數(shù) ， 因 此 放 大 電 路 的 中 頻 增 益 與

22、 通頻 帶 存 在 矛 盾 ， 兩 這 相 互 制 約 。 要 提 高 增 益 -帶 寬 積 ， 可選 用 rbb和 Cb1e、 Cbc都 較 小 的 三 極 管 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 1. 多 級 放 大 電 路 的 增 益)j( )j()j( io VVAV )j( )j()j( )j()j( )j( -1)o(oo1o2io1 nnVVVVVV )j()j()j( 21 VnVV AAA 前 級 的 開 路 電 壓 是 下 級 的 信 號 源 電 壓 前 級 的 輸 出 阻 抗 是 下 級 的 信 號 源 阻 抗 下 級 的 輸 入 阻 抗 是 前 級 的 負(fù) 載 6.5 多 級

23、放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng) 重 慶 理 工 大 學(xué) 2. 多 級 放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng) 多 級 放 大 電路 的 通 頻 帶 比它 的 任 何 一 級都 窄 。 （ 以 兩 級 為 例 ）則 單 級 的 上 下 限 頻 率 處 的 增 益 為當(dāng) 兩 級 增 益 和 頻 帶 均 相 同 時 ， 。 707.0 M1VA兩 級 的 增 益 為 。 5.0)707.0( M122M1 VV AA 即 兩 級 的 帶 寬 小 于 單 級 帶 寬 。6.5 多 級 放 大 電 路 的 頻 率 響 應(yīng) 重 慶 理 工 大 學(xué) 結(jié) 論 ： 放 大 電 路 中 耦 合 電 容 和 旁 路

24、 電 容 越 多 ， 低 頻 特 性 越 差 ；放 大 電 路 的 級 數(shù) 越 多 ， 高 頻 特 性 越 差 ， 通 頻 帶 越 窄 。本 課 要 求 ：1、 理 解 頻 率 特 性 、 頻 率 失 真 、 截 止 頻 率 和 通 頻 帶 的 概 念 ；2、 會 分 析 一 個 放 大 電 路 的 中 頻 特 性 ， 低 頻 特 性 和 高 頻 特 性 ；3、 掌 握 放 大 電 路 全 頻 段 的 電 壓 增 益 表 達 式 ， 及 各 頻 段 電 壓 增 益 表 達 式 ；能 根 據(jù) 電 壓 增 益 表 達 式 畫 出 幅 頻 特 性 曲 線 和 相 頻 特 性 曲 線 ；4、 掌 握

25、多 級 放 大 電 路 與 單 級 放 大 電 路 的 電 壓 增 益 關(guān) 系 和 截 止 頻 率 、 通頻 帶 的 區(qū) 別 。 重 慶 理 工 大 學(xué) 回 答 下 面 問 題 ： 1、 什 么 是 放 大 電 路 的 頻 率 特 性 ？ 2、 什 么 是 通 頻 帶 ， 上 限 截 止 頻 率 ， 下 限 截 止頻 率 ？ 3、 電 壓 放 大 倍 數(shù) 在 中 頻 區(qū) 的 特 點 ？ 低 頻 區(qū) 和高 頻 區(qū) 怎 樣 變 化 ？ 是 升 高 還 是 降 低 ？ 為 什 么 ？ 4、 什 么 是 波 特 圖 ？ 什 么 是 增 益 ？ 怎 么 換 算 ？ 5、 多 級 放 大 電 路 與 單

26、級 放 大 電 路 相 比 ， 電 壓增 益 和 通 頻 帶 如 何 變 化 ？ 重 慶 理 工 大 學(xué) 例 題 ： 某 放 大 電 路 的 對 數(shù) 幅 頻 特 性 如 同 所 示 ， 由 圖 可 知 ：1） 該 電 路 中 頻 電 壓 增 益 為 多 少 倍 ？ 上 限 截 止 頻 率 和 下 限 截止 頻 率 為 多 少 ？2） 寫 出 該 電 路 全 頻 段 內(nèi) 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 表 達 式 。3） 當(dāng) 信 號 頻 率 為 上 限 或 下 限 截 止 頻 率 時 ， 實 際 的 電 壓 增 益為 多 少 dB？ 重 慶 理 工 大 學(xué) 作 業(yè) ： 6.1.1， 6.1.2， 6.1.3 )1()1( HL usmus ffjffj AA