1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四章 放大電路的頻率響應(yīng)4.1 學(xué)習(xí)要點(diǎn)4.1.1 重點(diǎn)和難點(diǎn)本章的重點(diǎn)是影響放大電路頻率響應(yīng)的因素、研究頻率響應(yīng)的必要性、求解單管放大電路下限頻率、上限頻率和波特圖的方法、多級(jí)放大電路的頻率參數(shù)與各級(jí)放大電路頻率參數(shù)的關(guān)系。本章的難點(diǎn)在于頻率響應(yīng)概念的建立及放大電路頻率參數(shù)的分析估算。尤其是初學(xué)時(shí)對(duì)下列問(wèn)題的理解感到困難：如何理解在分析下限頻率時(shí)管子結(jié)電容相當(dāng)于開(kāi)路，而分析上限頻率時(shí)將耦合電容和旁路電容短路；為什么截止頻率決定于電容所在回路時(shí)間常數(shù)；如何根據(jù)放大倍數(shù)表達(dá)式畫(huà)出波特圖及由波特圖寫(xiě)出放大倍數(shù)表達(dá)式等。而這些問(wèn)題的理解在于頻率特性概念的建立。4.4.2

2、內(nèi)容學(xué)習(xí)主線為什么要研究放大電路的頻率響應(yīng)為什么放大電路在高頻段和低頻段放大倍數(shù)值會(huì)下降且會(huì)產(chǎn)生附加相移什么是上限截止頻率、下限截止頻率、通頻帶、波特圖如何構(gòu)造晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路如何求取單管放大電路的頻率響應(yīng)如何進(jìn)行多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)分析4.1.3 學(xué)習(xí)要點(diǎn)1 為什么要研究頻率響應(yīng)，什么是頻率響應(yīng)。2 為什么放大電路的放大倍數(shù)在低頻段和高頻段會(huì)出現(xiàn)數(shù)值下降及產(chǎn)生附加相移。3 什么是上限截止頻率、下限截止頻率、通頻帶。4 如何表示頻率特性，什么是波特圖，用波特圖描述頻率響應(yīng)有什么好處。5 如何構(gòu)造晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管的高頻電路模型。6 晶體管高頻特性參數(shù)有哪些，如何求取。7 如何求取

3、單管放大電路的頻率響應(yīng)。8 如何求取多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)。9 為什么多級(jí)放大電路的通頻帶比組成它的任何一級(jí)放大電路都窄。4.2 知識(shí)提要4.2.1 放大電路頻率響應(yīng)的基本概念一、 概念放大電路的放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)，這種函數(shù)關(guān)系稱為放大電路的頻率響應(yīng)或頻率特性。表示為：其中為幅值頻率特性，為相位頻率特性。放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)放大倍數(shù)的幅值不同，相位也不同，當(dāng)輸入信號(hào)包含有若干多次諧波成分時(shí)，經(jīng)過(guò)放大電路后，其輸出波形產(chǎn)生的失真稱為頻率失真。由于頻率失真是由線性元件引起的，因此這種失真為線性失真，頻率失真又可分為幅頻失真和相頻失真。二、 影響放大電路頻率響應(yīng)的因素以單管共射電路為例，如表4.

4、1所示。表4.1 影響放大電路頻率響應(yīng)的因素頻段低頻段中頻段高頻段影響因素耦合電容、旁路電容不可忽略，結(jié)電容視為開(kāi)路。耦合電容、旁路電容視為短路，結(jié)電容視為開(kāi)路。耦合電容、旁路電容視為短路，結(jié)電容不可忽略。放大倍數(shù)變化情況放大倍數(shù)幅值下降，產(chǎn)生超前的附加相移。放大倍數(shù)幅值不隨頻率變化而變化，只有固定相移。放大倍數(shù)幅值下降，產(chǎn)生滯后的附加相移。分析方法采用低頻等效電路，計(jì)算下限截止頻率。采用中頻等效電路，計(jì)算中頻放大倍數(shù)。采用高頻等效電路，計(jì)算上限截止頻率。三、 頻率響應(yīng)的表示方法頻率響應(yīng)可以表示成解析表達(dá)式，也可表示成頻率特性曲線（即圖形表示）。1 頻率響應(yīng)的解析表達(dá)式以單管放大電路為例，頻率

5、響應(yīng)可表示成： （4.1）其中為中頻段電壓放大倍數(shù)，為低頻段下限頻率，為高頻段上限頻率。2 波特圖波特圖由對(duì)數(shù)幅頻特性和對(duì)數(shù)相頻特性兩部分組成，它們的橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)（lgf）刻度，幅頻特性縱坐標(biāo)取，單位是分貝（dB）；相頻特性縱坐標(biāo)為。四、 頻率響應(yīng)的主要指標(biāo)1 上限頻率和下限頻率當(dāng)放大電路的放大倍數(shù)下降到中頻放大倍數(shù)的0.707倍時(shí)，所對(duì)應(yīng)的高頻段和低頻段的頻率稱為上限頻率和下限頻率。2 通頻帶上下限頻率之差稱為通頻帶，即。3 增益帶寬積它是中頻放大倍數(shù)與通頻帶乘積的絕對(duì)值。4.2.2 晶體管及場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路模型一、 晶體管高頻等效電路模型從晶體管的結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電容

6、效應(yīng)，在高頻時(shí)其等效電路模型為混合等效電路模型，如圖4.1(a)所示，圖(b)為其簡(jiǎn)化電路模型。其中為基區(qū)體電阻，為發(fā)射結(jié)電阻，gm為跨導(dǎo)，各參量的表達(dá)式如下。 圖4.1 晶體管高頻等效電路模型 （4.2） （4.3） （4.4） （4.5） （4.6） （4.7） 其中，為晶體管的特征頻率。二、 晶體管的頻率參數(shù)高頻時(shí)，共射極電流放大倍數(shù)是頻率的函數(shù)，隨頻率升高而下降。（1） 共射截止頻率：下降到中頻段的0.707倍時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。（2） 特征頻率：下降到1時(shí)的頻率，。（3） 共基截止頻率：下降到中頻段的0.707倍時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，。三、 場(chǎng)效應(yīng)管的高頻等效電路模型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)電容在高頻時(shí)也不能

7、忽略，其高頻等效電路與晶體管相似，如圖4.2所示，其中（b）圖為簡(jiǎn)化模型。各參量的表達(dá)式如下。 圖4.2 場(chǎng)效應(yīng)管高頻等效電路模型 （4.8） （4.9） （4.10）4.2.3 放大電路的頻率響應(yīng)分析一、 單管放大電路的頻率響應(yīng)分析對(duì)單管放大電路進(jìn)行頻率響應(yīng)分析時(shí)，一般遵循下列步驟：（1） 由中頻段等效電路計(jì)算中頻電壓放大倍數(shù)；（2） 由低頻段等效電路計(jì)算下限頻率；（3） 由高頻段等效電路計(jì)算上限頻率；（4） 由前述式（4.1）求取放大電路全頻段頻率響應(yīng)表達(dá)式。二、 多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)分析1 多級(jí)放大電路的頻率特性多級(jí)放大電路的頻率特性分析方法與單管放大電路的分析方法基本相同，不同的是多

8、級(jí)放大電路由于級(jí)數(shù)多，因而放大倍數(shù)提高，其通頻帶會(huì)由于級(jí)數(shù)增多而變窄，但它的增益帶寬積是一個(gè)常數(shù)。具體計(jì)算時(shí)先求總的通頻帶增益，再求各級(jí)上下限頻率，最后按下述方法求整個(gè)放大電路的上下限頻率，從而由式（4.1）求取頻率響應(yīng)。2 上下限頻率的計(jì)算公式 （4.11） （4.12）（4.11）式和（4.12）式用于多級(jí)放大電路中各級(jí)頻率相差不多的情況。若某級(jí)的下限頻率遠(yuǎn)高于其它各級(jí)的下限頻率（通常相差510倍），可取其為整個(gè)電路的下限頻率。同理，若某級(jí)的上限頻率遠(yuǎn)低于其它各級(jí)的上限頻率（通常相差510倍），可取其為整個(gè)電路的下限頻率。此外，對(duì)于有多個(gè)耦合和旁路電容的單管放大電路，在求下限頻率時(shí)，先求出

9、每個(gè)電容所確定的下限頻率，然后用（4.12）式算出電路的下限頻率。4.3 典型題解例題4.1 已知某放大電路的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線如圖4.3所示，試回答：1 該放大電路由幾級(jí)阻容耦合放大電路構(gòu)成？2 每級(jí)的下限和上限截止頻率各為多少？3 寫(xiě)出電路可能的頻率特性表達(dá)式；4 總的電壓放大倍數(shù)、下限和上限截止頻率各為多少？5 當(dāng)頻率分別為時(shí)，放大電路的附加相移各為多少？ 圖4.3解題思路：?jiǎn)喂芊糯箅娐方品l特性曲線的特征一般為：中頻段為平行于橫軸的直線，低頻段為斜率是的直線，高頻段為斜率是的直線，而兩條斜線與中頻段直線的交點(diǎn)處的頻率分別為下限頻率和上限頻率。根據(jù)此特征即可判定放大電路的級(jí)數(shù)和頻率特性參

10、數(shù)。解： 1由圖4.3知，低頻段最大斜率為，高頻段最大斜率為，說(shuō)明此放大電路為兩級(jí)放大電路。2由圖知，上、下限截止頻率分別為： 3根據(jù)式（4.1）可寫(xiě)出頻率特性表達(dá)式：第一級(jí)放大電路頻率特性表達(dá)式 第二級(jí)放大電路頻率特性表達(dá)式 由圖知，所以 從而，放大電路頻率特性表達(dá)式為4總的電壓放大倍數(shù)。由于兩級(jí)電路下限頻率相差10倍，從而整個(gè)放大電路的下限頻率為。兩級(jí)電路上限頻率相等，因此根據(jù)式（4.11）得： 5附加相移的計(jì)算由放大電路頻率特性表達(dá)式知，在低頻段的相頻特性為 當(dāng)時(shí)，求得附加相移為 同理，在高頻段的相頻特性為 當(dāng)時(shí)，附加相移為 例題4.2 已知某放大電路電壓放大倍數(shù)如下式表示（頻率單位為H

11、z）。 1 求中頻電壓放大倍數(shù)；2 求上限和下限截止頻率；3 畫(huà)出的波特圖。解題思路：首先將放大電路的頻率特性表達(dá)式化成標(biāo)準(zhǔn)形式，再求取相關(guān)參數(shù)。解：1 求中頻電壓放大倍數(shù)將放大電路的頻率特性表達(dá)式化成標(biāo)準(zhǔn)形式為 從而可得中頻電壓放大倍數(shù)。2 由頻率特性表達(dá)式知上限截止頻率為，下限截止頻率有兩個(gè)：由于兩個(gè)頻率相差超過(guò)10倍，故下限截止頻率。3 畫(huà)出的波特圖如圖4.4所示。 圖4.4其中，中頻段幅值特性為 低頻段幅頻特性曲線方程為 高頻段幅頻特性曲線方程為 相頻特性曲線方程為例題4.3 工作點(diǎn)穩(wěn)定放大電路如圖4.5（a）所示。已知，三極管的，試計(jì)算：1足夠大時(shí)電路的下限頻率；2時(shí)電路的下限頻率；

12、3若將圖(a)電路射極改成圖(b)所示結(jié)構(gòu)，且仍為足夠大時(shí)，電路的下限頻率；4圖(a)電路的上限頻率；5寫(xiě)出電路頻率特性表達(dá)式。 圖4.5解題思路：放大電路的下限截止頻率的大小主要取決于耦合電容和旁路電容所在回路的時(shí)間常數(shù)。畫(huà)出各電容所在回路的等效電路即可求得回路的時(shí)間常數(shù)，在求取下限頻率時(shí)按耦合電容和旁路電容組成的回路分別求取，此時(shí)其它電容按短路處理，再按式（4.12）求出等效的下限頻率。求取上限頻率時(shí)，按高頻等效電路模型計(jì)算，此時(shí)所有的耦合電容和旁路電容全部按短路處理。解：1 C2、Ce足夠大時(shí)由電容C1決定下限頻率的計(jì)算將C2、Ce短路，得到電容C1所在回路的等效電路如圖4.5(c)所示

13、。 圖4.5 低頻段等效回路由圖（c）知等效電阻為 因?yàn)?，其中根據(jù)電路靜態(tài)分析得。從而其時(shí)間常數(shù)為由于C2、Ce足夠大，即不考慮其頻率效應(yīng)，則求得電路的下限截止頻率為 2 考慮C1、C2和Ce時(shí)的下限頻率計(jì)算當(dāng)考慮多個(gè)電容對(duì)下限截止頻率的影響時(shí)，可以先單獨(dú)計(jì)算出各個(gè)電容回路的截止頻率，然后再綜合。單獨(dú)考慮C1作用時(shí)的截止頻率前面已算得，即 單獨(dú)考慮C1作用時(shí)，其等效回路如圖4.5(d)所示，它的時(shí)間常數(shù)為其截止頻率為 單獨(dú)考慮Ce作用時(shí)，其等效回路如圖4.5(e)所示，它的時(shí)間常數(shù)為 式中的電阻為 從而時(shí)間常數(shù)和下限頻率為 比較，可見(jiàn)最大值比其它兩個(gè)大5倍以上，故放大電路的下限頻率應(yīng)為 3

14、射極改為圖（b）所示結(jié)構(gòu)時(shí)下限頻率的計(jì)算此時(shí)Ce回路的等效電路圖見(jiàn)圖4.5（f），電路的等效電阻為 回路的時(shí)間常數(shù)和下限截止頻率為 根據(jù)題意在不考慮C1、C2的影響時(shí)，放大電路的下限截止頻率為 值得指出的是，如果考慮C1、C2的影響時(shí)，射極結(jié)構(gòu)的變化不僅影響Ce回路的下限頻率，也將會(huì)影響C1回路的下限頻率，請(qǐng)讀者自行分析計(jì)算。4 計(jì)算圖4.5（a）電路的上限截止頻率放大電路高頻等效電路如圖4.5（g）所示。 圖4.5(g) 從圖（g）看到，由分別構(gòu)成一個(gè)RC回路。同樣分別單獨(dú)計(jì)算各自的上限截止頻率。由單獨(dú)作用時(shí)的上限截止頻率為 式中的等效電阻為電路中晶體管的跨導(dǎo)為電壓放大倍數(shù)k為由晶體管特征頻

15、率fT的表達(dá)式 求,有 從而電容為上限截止頻率為輸出回路中由單獨(dú)作用時(shí)的上限截止頻率為 而故比較，可知放大電路的上限截止頻率為 從這里可以看到，放大電路的上限截止頻率通常由輸入回路電容決定，輸出回路的上限截止頻率一般大大高于輸入回路，因此，在計(jì)算共射極放大電路的時(shí)，通常只求出輸入回路的上限截止頻率。5 求放大電路頻率特性表達(dá)式上面計(jì)算已求得放大電路的上下限截止頻率，為了表示其頻率特性，還需求出中頻放大倍數(shù)。根據(jù)第二章內(nèi)容，此電路的中頻電壓放大倍數(shù)為 從而放大電路的頻率特性表達(dá)式為 例題4.4 圖4.6(a)所示為一共基放大電路的交流通路。已知晶體管的參數(shù)為：，求電路的上限截止頻率。圖4.6解題

16、思路：共基放大電路進(jìn)行高頻計(jì)算時(shí)不必進(jìn)行結(jié)電容的等效，由于，通常認(rèn)為，這樣，分別構(gòu)成單獨(dú)的RC回路，一個(gè)在輸入回路，一個(gè)在輸出回路。從而可以分別進(jìn)行上限頻率的計(jì)算。解：對(duì)回路單獨(dú)計(jì)算，此時(shí)看成短路。從而等效電阻為 式中 所以 故上限頻率為 對(duì)回路單獨(dú)計(jì)算，此時(shí)看成短路。從而等效電阻為 故上限頻率為 比較兩個(gè)上限頻率，數(shù)值相差不到兩倍，按(4.11)式進(jìn)行整合。即 求得共基放大電路的上限截止頻率為 例題4.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路如圖4.7所示。已知，求此電路的上下限截止頻率和中頻電壓放大倍數(shù)。 圖4.7解題思路：場(chǎng)效應(yīng)管放大電路頻率特性的計(jì)算步驟和方法與晶體管完全相似，區(qū)別在于使用場(chǎng)效應(yīng)管電路模型

17、。解：1 計(jì)算下限截止頻率：分別計(jì)算電容C1、C2和Cs構(gòu)成的回路的下限頻率。對(duì)C1回路 對(duì)C2回路 對(duì)Cs構(gòu)成的回路 由于三個(gè)下限頻率相差小于5倍，從而放大電路的下限截止頻率為 2 由高頻等效電路求上限頻率 式中所以得到放大電路的上限頻率為 3 計(jì)算中頻電壓放大倍數(shù)這是一個(gè)共源放大電路，其電壓放大倍數(shù)為 例題4.6 多級(jí)放大電路頻率特性的計(jì)算。圖4.8(a)所示為共射共基構(gòu)成的兩級(jí)放大電路。已知：，晶體管的特征頻率，。1 求電路的下限截止頻率；2. 若電路的上限截止頻率由輸入回路決定，求的值。 圖4.8(a)解：1 求下限截止頻率電路的下限截止頻率由耦合或旁路電容所在回路的時(shí)間常數(shù)決定。圖4

18、.8(a)電路中電容C1C4所在回路的等效電路如圖4.8(b)所示。圖4.8(b)單獨(dú)考慮電容C1時(shí)的為 單獨(dú)考慮電容C2時(shí)的為 單獨(dú)考慮電容C3時(shí)的為 單獨(dú)考慮電容C4時(shí)的為 由于和遠(yuǎn)大于和，電路下限截止頻率主要由電容C1和C4決定，又因?yàn)楹拖嗖畈淮螅市璋?4.12)式求下限頻率。即 2 上限截止頻率的計(jì)算本例兩級(jí)放大電路為共射與共基組成，從上例可以看到，共基電路具有比共射更高的上限截止頻率。從而，按共射電路估算上限頻率。輸入回路的高頻等效電路如圖4.8（c）所示。由圖可得到上限截止頻率的表達(dá)式為其中電容為而第一級(jí)電路的等效負(fù)載應(yīng)為于是有電路上限截止頻率為 例題4.7 電路如圖4.9所示。已知：晶體管的b、C均相等，所有電容的容量均相等，靜態(tài)時(shí)所有電路中晶體管的發(fā)射極電流IEQ均相等。定性分析各電路，回答下列問(wèn)題：（1）低頻特性最差即下限頻率最高的電路是哪個(gè)？（2）低頻特性最好即下限頻率最低的電路是哪個(gè)？（3）高頻特性最差即上限頻率最低的電路是哪個(gè)？解：為了便于比較，將每個(gè)電路的高、低頻回路的時(shí)間常數(shù)表示出來(lái)。低頻回路的時(shí)間常數(shù)： 圖4.9電路(a): 所以，構(gòu)成電路(a)下限頻率的時(shí)間常數(shù)為 電路（b）： 所以，構(gòu)成電路(b)下限頻率的時(shí)間常數(shù)為 電路（c）：只有一個(gè)低頻回路 電路（d）:只有一個(gè)低頻回路 由于電路（a）