放大電路的頻率響應

第五章 放大電路的頻率響應5.1頻率響應概述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5.5多級放大電路的頻率響應5.3場效應管的高頻等效模型5.6集成運放的頻率響應和頻率補償童詩白第三版 童詩白第三版本 章 重 點 和 考 點 ：2、 單 管 共 射 放 大 電 路 混 合 模 型 等 效 電 路 圖 、 頻 率 響 應 的 表 達 式 及 波 特 圖 繪 制 。1、 晶 體 管 、 場 效 應 管 的 混 合 模 型 。本 章 教 學 時 數(shù) ： 6學 時 童詩白第三版本 章 討 論 的 問 題 ：1.為 什 么 要 討 論 頻 率 響 應 ？ 如 何 制 定 一 個 RC網(wǎng) 絡(luò) 的 頻 率 響 應 ？ 如 何 畫 出 頻 率 響 應 曲 線 ？2.晶 體 管 與 場 效 應 管 的 h參 數(shù) 等 效 模 型 在 高 頻 下 還 適 應 嗎 ？ 為 什 么 ？3.什 么 是 放 大 電 路 的 通 頻 帶 ？ 哪 些 因 素 影 響 通 頻 帶 ？ 如 何 確 定 放 大 電 路 的 通 頻 帶 ？4.如 果 放 大 電 路 的 頻 率 響 應 ， 應 該 怎 么 辦 ？5.對 于 放 大 電 路 ， 通 頻 帶 愈 寬 愈 好 嗎 ？6.為 什 么 集 成 運 放 的 通 頻 帶 很 窄 ？ 有 辦 法 展 寬 嗎 ？ 第五章放大電路的頻率響應5.1頻率響應概述5.1.1 研 究 放 大 電 路 頻 率 響 應 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 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 的描 述 方 法 。 第五章放大電路的頻率響應一 、 高 通 電 路 +_ +_C RiU OU圖 5.1.1（a) RC 高通電路RC CR RUUAu j 11 1 j 1iO 令 ： LL 2 12 1 RCf LLLL j1 jj1 1j 11 1 ffffffAu 2LL1 fff fAu模 ： )(arctan90 Lff相 角 ：5.1.2 頻 率 響 應 的 基 本 概 念 fL 稱 為 下 限 截 止 頻 率 第五章放大電路的頻率響應2 LL 1lg20lg20lg20 ffffAu則 有 ： dB 020lg L uAff 時 ， 當 LLL lg20lg20lg20 ffffAff u 時 ， 當 dB32lg20lg20 L uAff 時 ， 當 2LL1 fff fA u放 大 電 路 的 對 數(shù) 頻 率 特 性 稱 為 波 特 圖 。 第五章放大電路的頻率響應對 數(shù) 幅 頻 特 性 ： 實 際 幅 頻 特 性 曲 線 ：圖 5.1.3(a) 幅頻特性當 f f L(高 頻 )，當 f fT 時 ， ， 三 極 管 失 去 放 大 作 用 ； f fT 時 ， 由 式 ；11 2T0 ff得 ： ff 0T 第五章放大電路的頻率響應3.共基截止頻率 f 值 下 降 為 低 頻 0 時 的 0.707 時 的 頻 率 。 ffj1 0 第五章放大電路的頻率響應 f 與 f 、 fT 之 間 關(guān) 系 ：因 為 ， 1 ffj1 0可 得 ffff ff )1(j1 1/j11 /j1 00000 比 較 ， 可 知與 ffj1 0 ff )1(1 0000 第五章放大電路的頻率響應說 明 ： ff )1(1 0000 ，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 CbeCRRgrrRR RfAu 2 1 cmbeebis iHsm 故 cbbbs )(2 1 CrR 第五章放大電路的頻率響應cbbbsHsm )(2 1 CrRfAu說 明 ： Hsm fAu 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 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 r bb 和 Cbc 均 小 的 高 頻 三 極 管 。* 場 效 應 管 共 源 放 大 電 路 的 增 益 帶 寬 積 （ 自 閱 ） 第五章放大電路的頻率響應復 習 ：1.晶 體 管 、 場 效 應 管 的 混 合 模 型2.單 管 共 射 放 大 電 路 的頻 率 響 應表 達 式 ： )j1)(j1( j)j1)(j1( HL LsmHL sms ffff ffAffffAA uuu 波 特 圖 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 第五章放大電路的頻率響應5.5多級放大電路的頻率響應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) ： unuuu AAAA 21對 數(shù) 幅 頻 特 性 為 ： nk uk unuuu A AAAA 1 21lg20 lg20lg20lg20lg20 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 。 第五章放大電路的頻率響應多 級 放 大 電 路 的 總 相 位 移 為 ： nk kn 121 兩 級 放 大 電 路 的 波 特 圖 圖 5.5.1 fHfL幅 頻 特 性 fdB/lg20 uA O fL1 fH 1 6 dB3 dB3 dB fBW1fBW2一 級二 級 20dB/十 倍 頻40dB/十 倍 頻 第五章放大電路的頻率響應圖 5.5.1相 頻 特 性270360 fL1 fH 1 fO54018045090 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 。 第五章放大電路的頻率響應5.5.2多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算2H22H21HH 1111.11 nffff 2 L22L21LL 1.1 nffff 在 實 際 的 多 級 放 大 電 路 中 ， 當 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 。 第五章放大電路的頻率響應例 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 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 10H z。f H 0.52fH 1=(0.52 2 105)H z=106KH z（ 3） 電 壓 放 大 倍 數(shù) 353 )1021)(101( 10 fjfj jfAu 第五章放大電路的頻率響應例 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 式 及 電 路 上 限頻 率 表 達 式 。 C1 RcRb2 +VCCC2RL + + + Ce uoRb1 Reui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 第五章放大電路的頻率響應1.考 慮 C1對 低 頻 特 性 的 影 響 (b) C1所 在 回 路 的 等 效 電 路 1 12112 1 /2 121 CRR crRRRf iS bebbSLI 2.考 慮 C2對 低 頻 特 性 的 影 響 (c) C2所 在 回 路 的 等 效 電 路 222 2 121 CRRf LcL 第五章放大電路的頻率響應3.考 慮 Ce對 低 頻 特 性 的 影 響 (d) Ce所 在 回 路 的 等 效 電 路eSbbbeeeLI CRRRrRf 1 /2 121 214.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 CRRRrrf SbbbbebHH /2 121 21比 較 C1、 C2、 Ce所 在 回 路 的 時 間常 數(shù) 1、 2、 e,當 取 C1 C2Ce時 ， e將 遠 小 于 1, 2， 即 fLe遠 大 于 fL1和 fL2因 此 ， fLe就 約 為 電 路 的 下 限 頻 率 。 第五章放大電路的頻率響應5.6 集 成 運 放 的 頻 率 響 應 和 頻 率 補 償5.6.1 集 成 運 放 的 頻 率 響 應集 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 A O d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 圖 5.6.1 末 加 頻 率 補 償 第五章放大電路的頻率響應fC 單 位 增 益 帶 寬fO 附 加 相 移 為 1800 對 應 的 頻 率集 成 運 放 常 引 入 負 反 饋 ， 容易 產(chǎn) 生 自 激 振 蕩 。自 激 振 蕩 產(chǎn) 生 的 條 件存 在 f O ， 且 fO fC如 何 消 除 自 激 振 蕩 ？ 圖 5.6.1 末 加 頻 率 補 償 的 集 成 運 放的 頻 率 響 應 第五章放大電路的頻率響應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 ， 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 Offodm AG lg20 Cffm 0180 fC fO一 般 要 求 G m-10dB, m450 第五章放大電路的頻率響應一 、 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 于 一 個 RC回 路 的 頻 率 響 應 。 其 附加 相 移 為 - 900。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 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。 第五章放大電路的頻率響應設(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 iiH CRRf )(/2 1 22011 CCRRf iiH 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 第五章放大電路的頻率響應將 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 補 償 圖 5.6.5 密 勒 效 應 補 償 滯 后 補 償 的 缺 點 ：降 低 了 上 限 頻 率二 、 超 前 補 償 （ 略 ）