1、第五章第五章 放大電路的頻率響應放大電路的頻率響應5.1頻率響應概頻率響應概述述5.2晶體管的晶體管的高頻等效模型高頻等效模型5.4單管放大電路的頻率響應單管放大電路的頻率響應5.5多級放大電路的頻率響應多級放大電路的頻率響應5.3場效應管的場效應管的高頻等效模型高頻等效模型5.6集成運放的頻率響應和頻率補償集成運放的頻率響應和頻率補償5.1頻率響應概頻率響應概述述5.1.1研究放大電路頻率響應的必要性研究放大電路頻率響應的必要性由于放大電路中存在由于放大電路中存在電抗性元件電抗性元件及晶體管及晶體管極間電容極間電容，所以電路的所以電路的放大倍數放大倍數為為頻率頻率的函數，這種關系稱為的函數，

2、這種關系稱為頻率響應或頻率特性頻率響應或頻率特性。小小信號等效模型只適用于信號等效模型只適用于低頻低頻信號的分析。信號的分析。本章將引入本章將引入高頻高頻等效模型，并闡明放大電路的等效模型，并闡明放大電路的上限頻上限頻率、下限頻率和通頻帶率、下限頻率和通頻帶的求解方法，以及頻率響應的的求解方法，以及頻率響應的描述方法。描述方法。5.1.2頻率響應的基本概念頻率響應的基本概念 在放大電路中，在放大電路中，耦合耦合電容（容值大）電容（容值大）對對高高頻頻信號相當于信號相當于短短路，而對于路，而對于低頻低頻信號會在信號會在其上產生壓降，導致放大倍數的數值其上產生壓降，導致放大倍數的數值減小減小且產生

3、相移且產生相移。 半導體的半導體的極間極間電容（容值?。?，電容（容值?。?，對對低低頻信頻信號號開開路；對路；對高高頻信號極間電容會分流，導頻信號極間電容會分流，導致電壓放大倍數致電壓放大倍數數值減小數值減小且產生相且產生相移。移。一、一、 高通電路高通電路+_+_CRiUOU圖圖 5.1.1（a) RC 高通電路高通電路RCCRRUUAu j111j1iO 令：令：LL2121 RCfLLLLj1jj11j111ffffffAu2LL1ffffAu模：)(arctan90Lff相角：fL稱為下限截止頻率稱為下限截止頻率無源單級無源單級RC電路的頻率相應電路的頻率相應幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻

4、特性在放大電路中，在放大電路中，輸入信號的頻率輸入信號的頻率范圍范圍：幾赫到幾百兆赫：幾赫到幾百兆赫放大倍數范放大倍數范圍圍：幾倍到幾十萬倍：幾倍到幾十萬倍為了在同為了在同一坐標系中表示如此寬的變化圍一坐標系中表示如此寬的變化圍，在畫頻率，在畫頻率特性曲線時常采用特性曲線時常采用對數坐標對數坐標。擴大了擴大了視野視野且將放大倍數且將放大倍數的乘法運的乘法運算轉換算轉換成成加法加法。2LL1lg20lg20lg20ffffAu則有：則有：dB 020lg L uAff時時，當當LLLlg20lg20lg20 ffffAffu 時，時，當當dB32lg20lg20 L uAff時時，當當2LL1f

5、fffAu放大電路的放大電路的對數頻率特性對數頻率特性稱為稱為波特圖波特圖。對數幅頻特性：對數幅頻特性： 實際幅頻特性曲線：實際幅頻特性曲線：圖圖 5.1.3( (a) ) 幅頻特性幅頻特性當當 f fL( (高頻高頻) )，當當 f f 0 時，濾波特性不時，濾波特性不理想。對數幅頻特性下降速度為理想。對數幅頻特性下降速度為 20 dB / 十倍頻。十倍頻。 解決辦法解決辦法：采用：采用二階低二階低通有源濾波器。通有源濾波器。圖圖 7.4.6電壓放大倍數電壓放大倍數2.簡單二階電路簡單二階電路可提高幅頻特性的衰減斜率可提高幅頻特性的衰減斜率2110u)(311)1 ()()()1 ()()(

6、sRCsRCRRsUsURRsUsUsAFipFi）（圖圖7.4.7簡單二階低通電路簡單二階低通電路RF用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)0201F3j)(11ffffRRAu圖圖7.4.8簡單二階低通電路的幅頻特性簡單二階低通電路的幅頻特性二、反相輸入低通濾波器二、反相輸入低通濾波器1.一階電路一階電路圖圖7.4.11反相輸入一階反相輸入一階低通濾波電路低通濾波電路令信號頻率令信號頻率0，求出，求出通帶放大倍數通帶放大倍數12pRRAu電路的傳遞函數電路的傳遞函數CsRRRsUsUsAi2120u11.)()(）（用用j取代取代s，且令且令f0=1/(2 R2C)0pj1ffA

7、AuufP= f02.二階電路二階電路在一階電路的基礎上，增加在一階電路的基礎上，增加RC環(huán)節(jié)，可使濾環(huán)節(jié)，可使濾波器的過渡帶波器的過渡帶變窄變窄，衰減斜率的值加大，衰減斜率的值加大。圖圖7.4.12反相輸入簡單二反相輸入簡單二階低通濾波電路階低通濾波電路三、三種類型的有源低通濾波器三、三種類型的有源低通濾波器切比雪夫切比雪夫(Chebyshev)濾波器的品質因數濾波器的品質因數Q，也稱為濾波器的，也稱為濾波器的截止特性系數截止特性系數。其值決定于其值決定于f=fo附近的頻率特性。附近的頻率特性。按照按照f=fo附近頻率特性的特點，可將濾波器分為附近頻率特性的特點，可將濾波器分為:巴特沃思（巴

8、特沃思（Butterworth）貝塞爾（貝塞爾（Bessel）圖圖7.4.15三種類型二階三種類型二階LPF幅頻特性幅頻特性7.4.3其它濾波電路其它濾波電路一、高通濾波電路一、高通濾波電路高通濾波電路與低通濾波電路具有對稱性高通濾波電路與低通濾波電路具有對稱性1.壓控電壓源二階壓控電壓源二階高通濾波電路高通濾波電路2.無限增益多路反饋無限增益多路反饋二階高通濾波電路二階高通濾波電路圖圖7.4.16二階高通濾波電路二階高通濾波電路ffQffARCRCAARCUUAuuuu020p2pp2io1j)(1)j ()j3(1)j (可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數幅頻特性互可見高通濾波電路與低通

9、濾波電路的對數幅頻特性互為為“鏡像鏡像”關系。關系。二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器二、帶通濾波電路二、帶通濾波電路( (BPF) )只允許某一段頻帶內的信號通過，將此頻帶以外的信只允許某一段頻帶內的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。號阻斷。低通低通高通高通iUoUfp1fuAlg20O低通低通fuAlg20fp2O高通高通阻阻阻阻fp1fp2fuAlg20O通通圖圖 7.4.17壓控電壓源二階帶通濾波電路壓控電壓源二階帶通濾波電路RCf 210中心頻率中心頻率通帶電壓放大倍數通帶電壓放大倍數圖圖 7.4.18比例系數比例系數fbw = fp1 fp2 = f0 /Q通頻帶通頻帶1Ff1R

10、RAu)(j1)( j)3(00p00ffffffQAffffAAAuuuufffp3uuuuQAAAAf31uAQ三、帶阻濾波器三、帶阻濾波器( (BEF) )在規(guī)定的頻帶內，信號被在規(guī)定的頻帶內，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。順利通過。低通低通高通高通iUoUf2f1fuAlg20O通阻通通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通圖圖 7.4.20常用有源帶阻濾波電路常用有源帶阻濾波電路p0p2020)2(j2)(1)(1uuuAffAffffA RCf 2101Fp1RRAu )2( 21p0uABfQ 中心頻率中心頻率通帶電壓放

11、大倍數通帶電壓放大倍數2201ffffQAAuu 0p1j圖圖 7.4.22常用有源帶阻濾波電路常用有源帶阻濾波電路2201ffffQAAuu 0p1j阻帶寬度阻帶寬度 BW fp2 fp1 f0 /Q7.4.23帶阻濾波器的幅頻特性帶阻濾波器的幅頻特性四、全通濾波電路四、全通濾波電路圖圖7.2.24全通濾波電路全通濾波電路電壓放大倍數電壓放大倍數iiPnURCjRCjURCjRUU11iiURCjRCjRRURRU1)1 (0RCjRCjAU11Au=1=1800-2arctanf/f0圖圖7.2.24全通濾波電路全通濾波電路圖圖7.2.25全通濾波電路的全通濾波電路的相頻特性相頻特性7.4

12、.4開關電容濾波器開關電容濾波器一、基本開關電容單元一、基本開關電容單元二、開關電容濾波電路二、開關電容濾波電路7.4.5狀態(tài)變量型有源濾波器狀態(tài)變量型有源濾波器一、狀態(tài)變量型有源濾波電路的傳遞函數一、狀態(tài)變量型有源濾波電路的傳遞函數二、狀態(tài)變量型有源濾波電路的組成二、狀態(tài)變量型有源濾波電路的組成三、集成狀態(tài)變量型濾波電路（三、集成狀態(tài)變量型濾波電路（AF100）后接后接8,9，10章章5.2.1晶體管的混合晶體管的混合 模模 型型一、完整的混合一、完整的混合 模模型型圖圖 5.2.1晶體管結構示意圖及混合晶體管結構示意圖及混合 模模型型5.2晶體管的高頻等效模型晶體管的高頻等效模型( (a)

13、 )晶體管的結構示意圖晶體管的結構示意圖( (b) )混合混合 模模型型ebUrce遠大于遠大于c-e間所接的負載電阻，間所接的負載電阻，而而rb/c也遠大于也遠大于C的容抗，因而的容抗，因而可認為可認為rec和和rb/c開路。開路。二、簡化的二、簡化的混合混合 模模型型( (b) )混合混合 模模型型ebU圖5.2.2 混合混合 模模型的型的簡化簡化 (a)簡化的簡化的混合混合 模模型型C跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當復雜。跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當復雜。常將常將C等效在輸入回路和輸出回路，稱為等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化單向化。單向。單向化靠等效變換實現

14、?；康刃ё儞Q實現。圖5.2.2簡化簡化混合混合 模模型的型的簡化簡化 (b)單向化后的混合單向化后的混合 模模型型圖5.2.2簡化簡化混合混合 模模型的型的簡化簡化 (C) 忽略忽略C的混合的混合 模模型型因為因為C ，且一般情況下。，且一般情況下。 的容抗遠大于集電的容抗遠大于集電極總負載電阻極總負載電阻R， 中的電流可忽略不計，得簡化模型中的電流可忽略不計，得簡化模型圖（圖（C）。）。Cu/Cu/Cu/密勒定理：密勒定理：用兩個電容來等效用兩個電容來等效 C 。分別接在。分別接在 b 、e 和和 c、e 兩端。兩端。其中：其中：電容值分別為電容值分別為：等效電容的求法等效電容的求法CKK

15、CCKC 1;)1(CK1CC）（圖5.2.2簡化簡化混合混合 模模型的型的簡化簡化 (b)單向化后的混合單向化后的混合 模模型型圖5.2.2簡化簡化混合混合 模模型的型的簡化簡化 (C) 忽略忽略C的混合的混合 模模型型ebceUUK三、三、混合混合 模模型的主要參數型的主要參數將混合將混合 模模型和簡化的型和簡化的h h參數等效模型相比較，參數等效模型相比較，它們的電阻參數完全相同。它們的電阻參數完全相同。EQbbbeebbb26)1 (Irrrr EQbbbeeb26)1 (IrrrbebbmebmIrIgUg 26EQebmIrgC可從手冊中查得可從手冊中查得Cobob ， Cobob

16、與與C近似相等。近似相等。C數據可從手冊中給定的特征頻率數據可從手冊中給定的特征頻率fT T和放大電路和放大電路 的的Q點求解。點求解。5.2.2 晶體管電流放大倍數晶體管電流放大倍數的頻率響應的頻率響應 當信號頻率發(fā)生變化時，電流放大系數當信號頻率發(fā)生變化時，電流放大系數不是常量，不是常量，而是頻率的函數。而是頻率的函數。 CUIIcebc電流放大系數的定義：電流放大系數的定義：從混合從混合等效模型可以看出，管子工作在等效模型可以看出，管子工作在高頻高頻段時，段時，若基極注入的交流電流若基極注入的交流電流Ib的幅值不變，則隨著信號頻的幅值不變，則隨著信號頻率的升高，率的升高，b/-e間的電壓

17、間的電壓Ub/e的幅值將減小，相移將的幅值將減小，相移將增大；從而使增大；從而使IC的幅值隨的幅值隨Ub/e線性下降，并產生與線性下降，并產生與Ub/e相同的相移。相同的相移。求共射接法交流短路電流放大系數求共射接法交流短路電流放大系數ffjCrjeb1100)(2121CCCCrfeb的對數幅頻特性與對數相頻特性的對數幅頻特性與對數相頻特性20)(1lg20lg20lg20ffffarctan201lg20lg20lg20 ff的的波波特特圖圖圖圖 4.2.5對數幅頻特性對數幅頻特性fTfdB/lg20 Of 20lg 0 20dB/十倍頻十倍頻f0 對數相頻特性對數相頻特性10 f 0.1

18、f 45 90ffarctan1.共射截止頻率共射截止頻率 f 值下降到值下降到 0.707 0 ( (即即 ) )時的頻率。時的頻率。 021 當當 f = f 時，時，00707. 021 )dB(3lg202lg20lg20lg2000 值下降到中值下降到中頻時的頻時的 70% 左右?；驅捣l特左右?；驅捣l特性下降了性下降了 3 dB。 幾個頻率的分析幾個頻率的分析2.特征頻率特征頻率 f T 值降為值降為 1 時的時的頻率。頻率。 1 f fT 時，時，三極管失去放大作用；三極管失去放大作用； f fT 時，由式時，由式；112T0 ff得：得： ff0T 3.共基截止頻率共基截

19、止頻率 f 值下降為低頻值下降為低頻 0 時時 的的 0.707 時的頻率。時的頻率。 ffj10 f 與與 f 、 fT 之間關系：之間關系：因為因為， 1 ffj10 可得可得 ffffff)1(j11/j11/j100000 比比較較，可可知知與與 ffj10 ff)1(10000說明：說明： ff)1(10000 ，因為：因為：所以：所以：1. f 比比 f 高很多，等于高很多，等于 f 的的 (1 + 0) 倍；倍；2. f fT Rs，Rb rbe；(1 + gmRc)Cb c Cb eCRRgrrRRRfAu 21 cmbeebisiHsm故故cbbbs)(21 CrRcbbbs

20、Hsm)(21 CrRfAu說明：說明：HsmfAu 式不很嚴格，但從中可以看出一個大式不很嚴格，但從中可以看出一個大概的趨勢，即選定放大三極管后，概的趨勢，即選定放大三極管后，rbb 和和 Cb c 的值即被的值即被確定，確定，增益帶寬積增益帶寬積就基本上就基本上確定確定，此時，若將放大倍數，此時，若將放大倍數提高提高若干倍，則通頻帶也將幾乎若干倍，則通頻帶也將幾乎變窄變窄同樣的倍數。同樣的倍數。如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數又高的放大如愈得到一個通頻帶既寬，電壓放大倍數又高的放大電路，首要的問題是選用電路，首要的問題是選用 rbb 和和 Cb c 均小的高頻三極管。均小的高頻三極管。

21、5.5多級放大電路的頻率響應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頻率特性的定性分析多級放大電路的電壓放大倍數：多級放大電路的電壓放大倍數：unuuuAAAA 21對數幅頻特性為：對數幅頻特性為： nkukunuuuAAAAA121lg20lg20lg20lg20lg20在多級放大電路中含有多個在多級放大電路中含有多個放大管放大管，因而在高頻等效電路中有，因而在高頻等效電路中有多個低通電路多個低通電路。在阻容耦合放大電路中，如有多個。在阻容耦合放大電路中，如有多個耦合電容耦合電容或或旁路電容，則在低頻等效電路中就含有旁路電容，則在低頻等效電路中就含有多個多個

22、高通高通電路電路。多級放大電路的總相位移為：多級放大電路的總相位移為： nkkn121 兩級放大電路的波特圖兩級放大電路的波特圖圖圖 5.5.1fHfL幅頻特性幅頻特性fdB/lg20uAOfL1fH16 dB3 dB3 dBfBW1fBW2一一 級級二二 級級 20dB/十倍頻十倍頻 40dB/十倍頻十倍頻圖圖 5.5.1相頻特性相頻特性 270 360fL1fH1fO 540 180 450 90一一 級級二二 級級多級放大電路的多級放大電路的通頻帶通頻帶，總是比組成它的每一級的，總是比組成它的每一級的通頻帶為通頻帶為窄窄。5.5.2多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算多級放大電路的上限頻率和下限頻率的估算2H22H21HH1111 .11nffff 2L22L21LL1 . 1nffff 在實際的多級放大電路中，當各放大級的時間常數在實際的多級放大電路中，當各放大級的時間常數相差相差懸殊懸殊時，可取其時，可取其主