模電課件：第五章 放大電路的頻率響應(yīng)

第五章第五章 放大電路的頻率響應(yīng)放大電路的頻率響應(yīng)5.1 頻率響應(yīng)概述頻率響應(yīng)概述5.2 晶體管的高頻等效模型晶體管的高頻等效模型5.3 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效模型5.4 單管放大電路的頻率響應(yīng)單管放大電路的頻率響應(yīng)5.5 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)5.1 頻率響應(yīng)概述頻率響應(yīng)概述在使用一個(gè)放大電路時(shí)應(yīng)了解其信號(hào)頻率的適用范圍，在設(shè)計(jì)放在使用一個(gè)放大電路時(shí)應(yīng)了解其信號(hào)頻率的適用范圍，在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)，應(yīng)滿足信號(hào)頻率的范圍要求。大電路時(shí)，應(yīng)滿足信號(hào)頻率的范圍要求。5.1.1 必要性必要性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，當(dāng)輸入信號(hào)頻率過(guò)低或過(guò)高時(shí)，放大倍數(shù)變小，并且產(chǎn)生超在，當(dāng)輸入信號(hào)頻率過(guò)低或過(guò)高時(shí)，放大倍數(shù)變小，并且產(chǎn)生超前或滯后相移，即，放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)。前或滯后相移，即，放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)。放大電路對(duì)信號(hào)頻率適應(yīng)程度，即信號(hào)頻率對(duì)放大倍數(shù)的影響。放大電路對(duì)信號(hào)頻率適應(yīng)程度，即信號(hào)頻率對(duì)放大倍數(shù)的影響。RCRCRCRUUAuj1jj1io5.1.2 頻率響應(yīng)基本概念頻率響應(yīng)基本概念一、一、RC高通電路頻率響應(yīng)高通電路頻率響應(yīng)RCf21L令LLj1jffffAu則)arctan(90)(1L2LLffffffAu幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性fL)arctan(90)(1L2LLffffffAuo01，時(shí)，當(dāng)uLAffo4521，時(shí)，當(dāng)uLAffLuLffAff時(shí)，當(dāng)o9000，時(shí)，當(dāng)uAffL：下限截止頻率：下限截止頻率l 對(duì)高通電路，頻率愈低，對(duì)高通電路，頻率愈低，衰減愈大，相移愈大衰減愈大，相移愈大高通電路頻率響應(yīng)高通電路頻率響應(yīng)RCRCCUUAuj11j1j1io二、二、RC低通電路頻率響應(yīng)低通電路頻率響應(yīng)RCf21H令Hj11ffAu則)arctan()(11H2HffffAufH)arctan()(11H2HffffAu低通電路頻率響應(yīng)低通電路頻率響應(yīng)o01，時(shí)，當(dāng)uHAffo4521，時(shí)，當(dāng)uHAffffAffHuH時(shí)，當(dāng)o900，當(dāng)uAffH：上限截止頻率：上限截止頻率l 對(duì)低通電路，頻率愈高，對(duì)低通電路，頻率愈高，衰減愈大，相移愈大衰減愈大，相移愈大通頻帶：通頻帶：fbwfHfL5.1.3 波特圖波特圖為了擴(kuò)大視野為了擴(kuò)大視野,縮短坐標(biāo)縮短坐標(biāo),幅頻特性和相頻特性采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)幅頻特性和相頻特性采用半對(duì)數(shù)坐標(biāo),即即橫坐標(biāo)頻率采用對(duì)數(shù)刻度橫坐標(biāo)頻率采用對(duì)數(shù)刻度,縱坐標(biāo)幅值（用縱坐標(biāo)幅值（用dB表示）或相角表示）或相角用線用線性刻度表示。繪制出的幅頻特性和相頻特性稱為波特性刻度表示。繪制出的幅頻特性和相頻特性稱為波特(Bode)圖。圖。220lg|20lg20lg 1uLLffAff090arctanLff高通電路高通電路 o00lg20，時(shí)，當(dāng)uLAffo4532lg20lg20，時(shí)，當(dāng)dBAffuLLuLffAfflg20lg20時(shí)，當(dāng)20dB/10倍頻（倍頻（f每下降每下降10倍，增益下降倍，增益下降20dB）21lg20|lg20HuffAHffarctan低通電路低通電路 o00lg20，時(shí)，當(dāng)dBAffuHo4532lg20lg20，時(shí)，當(dāng)dBAffuHHuHffAfflg20lg20時(shí)，當(dāng)-20dB/10倍頻（倍頻（f每上升每上升10倍，增益下降倍，增益下降20dB）0.1fH，10fH為相為相頻的兩個(gè)拐點(diǎn)，頻的兩個(gè)拐點(diǎn)，誤差誤差5.7100.1fL，10fL為相為相頻的兩個(gè)拐點(diǎn)，頻的兩個(gè)拐點(diǎn)，誤差誤差5.710在對(duì)數(shù)幅頻特性中，在對(duì)數(shù)幅頻特性中，fL，fH為拐點(diǎn)，有為拐點(diǎn)，有3dB誤差誤差LLj1jffff 電路低頻段的放大倍數(shù)需乘因子電路低頻段的放大倍數(shù)需乘因子 當(dāng)當(dāng) f=fL時(shí)放大倍數(shù)幅值約降到時(shí)放大倍數(shù)幅值約降到0.707倍，相角超前倍，相角超前45；當(dāng)當(dāng) f=fH時(shí)放大倍數(shù)幅值也約降到時(shí)放大倍數(shù)幅值也約降到0.707倍，相角滯后倍，相角滯后45。截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù)截止頻率決定于電容所在回路的時(shí)間常數(shù)21L(H)f電路高頻段的放大倍數(shù)需乘因子電路高頻段的放大倍數(shù)需乘因子Hj11ff 頻率響應(yīng)有幅頻特性和相頻特性兩條曲線。頻率響應(yīng)有幅頻特性和相頻特性兩條曲線。幾個(gè)結(jié)論幾個(gè)結(jié)論l 在低頻段，隨著信號(hào)頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電在低頻段，隨著信號(hào)頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動(dòng)態(tài)信號(hào)損失，放大能力下降。容等的容抗增大，使動(dòng)態(tài)信號(hào)損失，放大能力下降。高通高通電路電路低通低通電路電路l 在高頻段，隨著信號(hào)頻率逐漸升高，晶體管極間電容和在高頻段，隨著信號(hào)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(dòng)態(tài)信號(hào)分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動(dòng)態(tài)信號(hào)損失，放大能力下降。損失，放大能力下降。下限頻率下限頻率上限頻率上限頻率LHbwfff放大電路的頻率參數(shù)放大電路的頻率參數(shù)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由體電阻、結(jié)電阻、結(jié)電容組成。由體電阻、結(jié)電阻、結(jié)電容組成。rbb：基區(qū)體電阻：基區(qū)體電阻rbe：發(fā)射結(jié)電阻：發(fā)射結(jié)電阻C：發(fā)射結(jié)電容：發(fā)射結(jié)電容re：發(fā)射區(qū)體電阻：發(fā)射區(qū)體電阻rbc：集電結(jié)電阻：集電結(jié)電阻C：集電結(jié)電容：集電結(jié)電容rc：集電區(qū)體電阻：集電區(qū)體電阻阻值小，阻值小，可忽略可忽略阻值小，阻值小，可忽略可忽略5.2 晶體管的高頻等效模型晶體管的高頻等效模型5.2.1 晶體管的混合晶體管的混合模型模型從晶體管的物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容的影響，可從晶體管的物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容的影響，可以得到在高頻信號(hào)作用下的物理模型，稱為混合以得到在高頻信號(hào)作用下的物理模型，稱為混合模型。模型。gm跨導(dǎo)跨導(dǎo)，表明，表明Ube對(duì)對(duì)Ic的控制關(guān)系。的控制關(guān)系。阻值遠(yuǎn)大于阻值遠(yuǎn)大于ce間所接負(fù)載電阻間所接負(fù)載電阻因在放大區(qū)承受反因在放大區(qū)承受反向電壓而阻值大向電壓而阻值大混合混合模型：忽略小電阻，考慮集電極電流的受控關(guān)系模型：忽略小電阻，考慮集電極電流的受控關(guān)系一、完整的混合一、完整的混合模型模型C連接了輸入回路和輸連接了輸入回路和輸出回路，使電路的分析出回路，使電路的分析復(fù)雜化。復(fù)雜化。簡(jiǎn)化混合簡(jiǎn)化混合模型：模型：混合混合模型的單向化模型的單向化將將C等效在輸入回路和輸出回路。等效在輸入回路和輸出回路。ebceebceeb)1(UUKXUKXUUICCCKXIUXCCC1eb)1(CKC 1CKKC同理可得，等效變換后電流不變等效變換后電流不變利用密勒（利用密勒（Miller）定理等效）定理等效可從手冊(cè)查得、bbCrTEQeb0mebbmebmb0 UIrgrIgUgI？如何得到模型中的參數(shù)？為什么不考慮 C二、晶體管簡(jiǎn)化的高頻等效電路二、晶體管簡(jiǎn)化的高頻等效電路EQT0eb)1(IUr將簡(jiǎn)化的混合將簡(jiǎn)化的混合模型模型與簡(jiǎn)化的與簡(jiǎn)化的h參數(shù)等效模型相比參數(shù)等效模型相比CCCCEbc UII)1(0CCCKCCUUKebce所以，即eb0ebebmebebebm j1 j1)(j1 CrCrrgCCrUUg5.2.2 晶體管電流放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)晶體管電流放大倍數(shù)的頻率響應(yīng)ebmcUgIffCej1rj1 0b0eb 21Crf令與低通電路相似與低通電路相似ffffffarctan)(1j1 200共射截止頻率共射截止頻率ffffffarctan)(1j1 200-90 0 lg20lg20 20lg -45 3-lg202lg20 20lg lg20 20lg 0000，時(shí)，；時(shí)，；，時(shí)，；時(shí)，fffffffffo電流放大倍數(shù)的頻率特性曲線電流放大倍數(shù)的頻率特性曲線71.5，lg20采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，橫軸為采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，橫軸為lg f，可開(kāi)闊視野；縱軸為，可開(kāi)闊視野；縱軸為 單位為單位為“分貝分貝”（dB），使得），使得“”“”。lg fdB32lg20注意折線化曲線的誤差注意折線化曲線的誤差20dB/十倍頻折線化近似畫法折線化近似畫法電流放大倍數(shù)的波特圖電流放大倍數(shù)的波特圖:采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)系當(dāng)當(dāng)f增大，使增大，使 幅值降為幅值降為0dB時(shí)的頻率，稱為特征頻率時(shí)的頻率，稱為特征頻率fT。20)(1lg200 lg20ffTffffTT0022121CgCrfCrfmebTebffjffj1)1(1110000截止頻率，確定用Tfff)1(0共基截止頻率共基截止頻率共基電路截止頻率遠(yuǎn)高于共射電路的截止頻率，因此，共共基電路截止頻率遠(yuǎn)高于共射電路的截止頻率，因此，共基電路可做寬頻帶放大電路?；娐房勺鰧掝l帶放大電路。1 0TTffff 時(shí)的頻率為使)CC(rfffeb0 21 j1。、)(obTCCfff共射截共射截止頻率止頻率共基截共基截止頻率止頻率特征特征頻率頻率集電結(jié)電容集電結(jié)電容通過(guò)以上分析得出的結(jié)論：通過(guò)以上分析得出的結(jié)論：低頻段和高頻段放大倍數(shù)的表達(dá)式；低頻段和高頻段放大倍數(shù)的表達(dá)式；截止頻率與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系；截止頻率與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系；波特圖及其折線畫法；波特圖及其折線畫法；C的求法。的求法。手冊(cè)手冊(cè)查得查得晶體管的頻率參數(shù)晶體管的頻率參數(shù)可與晶體管高頻等效電流類比，簡(jiǎn)化、單向化變換。可與晶體管高頻等效電流類比，簡(jiǎn)化、單向化變換。很大，可忽略其電流很大，可忽略其電流單向化變換單向化變換極間電容極間電容CgsCgdCds數(shù)值數(shù)值/pF1101100.11gdLmgsgs)1(CRgCC忽略忽略d-s間等效電容間等效電容5.3 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路適用于信號(hào)頻率從適用于信號(hào)頻率從0交流等效電路交流等效電路中頻段：中頻段：C 短路，短路，開(kāi)路。開(kāi)路。CC低頻段：考慮低頻段：考慮C 的影響，的影響，開(kāi)路。開(kāi)路。高頻段：考慮高頻段：考慮 的影響，的影響，C 短路。短路。C5.4 單管放大電路的頻率響應(yīng)單管放大電路的頻率響應(yīng)5.4.1 單管共射放大電路的頻率響應(yīng)單管共射放大電路的頻率響應(yīng)考慮耦合電容和結(jié)電容影響，得等效電路考慮耦合電容和結(jié)電容影響，得等效電路eboiebsisosmUUUUUUUUAu)(LcmbeebisismRRgrrRRRAu帶負(fù)載時(shí)：帶負(fù)載時(shí)：)(cmbeebisismoRgrrRRRAu空載時(shí)：空載時(shí)：一、中頻電壓放大倍數(shù)一、中頻電壓放大倍數(shù)二、低頻電壓放大倍數(shù)（考慮耦合電容）二、低頻電壓放大倍數(shù)（考慮耦合電容）ceboRUgU.m.輸出回路等效輸出回路等效CRRARCRRRRRrRRrgRRRRrRCRRRrgrIRCRRRUgUUAuLcLcbecebmLcLcbecebmbebcebmiou)(j11j1)(1j11j1LcmLcLLcLLcL.l)(1)()(j1mLmlLLuuuffjffjAffAACRRf)(21 LcL令)arctan90(-180)(11lg20lg20lg20L2LsmslffffAAuuCRRfffffAAuu)(21 j1)j(LcLLLsmsl-135 dB3lg20 sL，下降時(shí)，uAff)lg(20lg20 LsmsLffAAffuu時(shí)，。，時(shí)，90 0 0suAfsmsLlg20lg20 uuAAff時(shí)，中頻段中頻段20dB/十倍頻十倍頻低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析sisibeebibeebsURRRrrUrrU三、高頻電壓放大倍數(shù)（考慮極間電容）三、高頻電壓放大倍數(shù)（考慮極間電容）輸入回路等效輸入回路等效)(sbbbebRRrrR)(sbbbebRRrrRHsmsoshj1ffAUUAuu)(j1 j1 LmbeebisibosbsssoshRgCRCrrRRRUUUUUUUUAeeu高頻電壓放大倍數(shù)高頻電壓放大倍數(shù))(21 21 sbbbebHCRRrrRCf)(21 j1sbbbebHHsmsoshCRRrrfffAUUAuu-225 dB3lg20 shH，下降時(shí)，uAffH2Hmsharctan-180)(1lg20lg20lg20ffffAAuu；下降倍，每增大時(shí)，dB20lg20 10 shHuAfff。，時(shí)，-270 0 shuAf；時(shí)，smshHlg20lg20 uuAAff高頻電壓放大倍數(shù)：高頻段頻率響應(yīng)分析高頻電壓放大倍數(shù)：高頻段頻率響應(yīng)分析 )j1)(j1()j1)(j1()j(HLsmHLLsmsosffffAffffffAUUAuuu全頻段放大倍數(shù)表達(dá)式：全頻段放大倍數(shù)表達(dá)式：四、電壓放大倍數(shù)的波特圖四、電壓放大倍數(shù)的波特圖)(21sbbbebHCRRrrfLm)1(CRgCCHmbwm fAfAuu帶寬增益積mLmHLmuARgfCRg)(LcmbeebisismRRgrrRRRAu矛盾矛盾當(dāng)提高增益時(shí)，帶寬將當(dāng)提高增益時(shí)，帶寬將變窄；反之，增益降低，變窄；反之，增益降低，帶寬將變寬。帶寬將變寬。5.4.3 帶寬增益積：定性分析帶寬增益積：定性分析fbw fH fL fH)(21sbbbebHCRRrrfLm)1(CRgCC)(LcmbeebisismRRgrrRRRAu若若rbeRb、Rs fL1，fH fH1，頻帶變窄！，頻帶變窄！),2,1(bbwHHLLnkffffffwkkknkknkkf.ff.f12HH12LL1111 11對(duì)于對(duì)于N級(jí)放大電路，若各級(jí)的下、上限頻率分別為級(jí)放大電路，若各級(jí)的下、上限頻率分別為fL1 fLn、fH1 fHn，整個(gè)電路的下、上限頻率分別為，整個(gè)電路的下、上限頻率分別為fL、fH，則，則nkknkukuAA11 lg20lg20由于由于求解使增益下降求解使增益下降3dB的的頻率，經(jīng)修正，可得頻率，經(jīng)修正，可得1.1為修正系數(shù)為修正系數(shù)多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)例例 5.5.1已知電路各級(jí)均為共射放大電路，其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖所示。已知電路各級(jí)均為共射放大電路，其對(duì)數(shù)幅頻特性如圖所示。求下限、上限頻率，以及電壓放大倍數(shù)。求下限、上限頻率，以及電壓放大倍數(shù)。例例5.5.2 確定電路上限頻率及下限頻率表達(dá)式。確定電路上限頻率及下限頻率表達(dá)式。所確定的截止頻率。、分別考慮e21CCCC1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrRCC)RRRr(rb2b1sbbebC2、Ce短路，短路，開(kāi)路，求出開(kāi)路，求出CC1、Ce短路，短路，開(kāi)路，求出開(kāi)路，求出CC1、C2短路，短路，開(kāi)路，求出開(kāi)路，求出CC1、C2、Ce短路，求出短路，求出1beb2b1s1)(CrRRR2Lc2)(CRR eb2b1sbeee)1(CRRRrRb2b1sbbeb)(CRRRrrC)2(1)2(1)2(1)2(1HeL32L21L1Cffff很小！很小！電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)1.該放大電路為幾級(jí)放大電路該放大電路為幾級(jí)放大電路?2.耦合方式耦合方式?3.在在 f 104Hz 時(shí)，增益下降多少？附加相移時(shí)，增益下降多少？附加相移？4.在在 f 105Hz 時(shí)，附加相移時(shí)，附加相移？5.畫出相頻特性曲線；畫出相頻特性曲線；6.fH？?uA已知某放大電路的幅頻特性已知某放大電路的幅頻特性如圖所示，討論下列問(wèn)題：如圖所示，討論下列問(wèn)題：例題：例題：習(xí)題：習(xí)題：自測(cè)題自測(cè)題 二二 5.2，5.3，5.4，5.5，5.12