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)5.1頻率響應(yīng)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(yīng)5.5多級放大電路的頻率響應(yīng)5.3場效應(yīng)管的高頻等效模型童詩白第四版5.1頻率響應(yīng)概述5.1.1研究放大電路頻率響應(yīng)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，當(dāng)輸入信號的頻率過低或過高時，放大倍數(shù)數(shù)值會減小，而且還將產(chǎn)生超前或滯后相移，所以電路的放大倍數(shù)不再是一個常數(shù)，而是頻率的函數(shù)，這種關(guān)系稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。交流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(yīng)的描述方法。5.1.2頻率響應(yīng)的基本概念由于耦合電容的存在,高頻時1/ωC<<R,可視為短路,

低頻段時,由于耦合電容的容抗變大,1/ωC<<R不成立，電容的容抗不可忽略，信號將在其上產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)減小并產(chǎn)生相移。由于三極管極間電容的存在，低頻段時,由于三極管極間電容較小,低頻段視為開路；

高頻時,容抗減小,極間電容將分流，使加至放大電路的輸入信號減小,輸出電壓減小,從而使放大倍數(shù)下降。同時也會在輸出電壓與輸入電壓間產(chǎn)生附加相移?？偨Y(jié)：耦合電容影響低頻特性，極間電容影響高頻特性C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+一、

高通電路+_+_CR圖5.1.1（a)

RC

高通電路令：從無源RC高通、低通電路進行分析fL

稱為下限截止頻率則有：放大電路的對數(shù)頻率特性稱為波特圖?？v坐標(biāo)用表示，橫坐標(biāo)用對數(shù)刻度lgf0.1fLfL

10fLf0-20-40對數(shù)幅頻特性：

實際幅頻特性曲線：藍色圖5.1.3(a)

幅頻特性當(dāng)f≥

fL(高頻)，當(dāng)f<fL(低頻)，高通特性：且頻率愈低，的值愈小，低頻信號不能通過。0.1fLfL

10fLf0-20-403dB最大誤差為3dB，發(fā)生在f=fL處20dB/十倍頻

折線化幅頻特性曲線：紅色對數(shù)相頻特性圖5.1.3(a)

相頻特性5.71o-45o/十倍頻fL0.1fL

10fL45o90o0f誤差在低頻段，高通電路產(chǎn)生0~90°的超前相移。5.71o二、RC

低通電路的波特圖圖5.1.2

RC

低通電路圖+_+_CR令：則：fH

稱為上限截止頻率圖5.1.3(b)

低通電路的波特圖對數(shù)幅頻特性：0.1fHfH

10fHf0-20-403dB-20dB/十倍頻對數(shù)相頻特性：fH

10fH-45o5.71o5.71o-45o/十倍頻-90o0.1fH0f在高頻段，低通電路產(chǎn)生0~90°的滯后相移。小結(jié)（1）電路的截止頻率決定于電容所在回路的時間常數(shù)τ，即決定了fL和fH。（2）當(dāng)信號頻率等于fL或fH放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折線化的近似波特圖表示放大電路的頻率特性。5.2.1晶體管的混合模

型一、完整的混合

模型圖5.2.1晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及混合模型5.2晶體管的高頻等效模型(a)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖(b)混合模型二、簡化的混合

模型通常情況下，rce遠大于c--e間所接的負(fù)載電阻，而rb’c也遠大于Cμ的容抗，因而可認(rèn)為rce和rb’c開路。圖5.2.2

簡化的混合

模型(b)混合模型Cμ跨接在輸入與輸出回路之間，電路分析變得相當(dāng)復(fù)雜。常將Cμ等效在輸入回路和輸出回路，稱為單向化。單向化靠等效變換實現(xiàn)。圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(b)單向化后的混合模型因為Cπ＞＞C”μ，且一般情況下。C”μ的容抗遠大于集電極總負(fù)載電阻R’Ｌ，C”μ中的電流可忽略不計，得簡化模型圖（C）。圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(C)

忽略C”μ的混合模型密勒定理：用兩個電容來等效Cμ

。分別接在b、e和c、e兩端。其中：電容值分別為：等效電容的求法圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(b)單向化后的混合模型圖5.2.2

簡化混合

模型的簡化

(C)

忽略C／／μ的混合模型三、混合

模型的主要參數(shù)將混合

模型和簡化的h參數(shù)等效模型相比較，它們的電阻參數(shù)完全相同。Cμ可從手冊中查得Cob

，Cob與Cμ近似相等。Cπ數(shù)據(jù)可從手冊中給定的特征頻率fT和放大電路的Q點求解。5.2.2晶體管電流放大倍數(shù)β的頻率響應(yīng)

當(dāng)信號頻率發(fā)生變化時，電流放大系數(shù)β不是常量，而是頻率的函數(shù)。

對數(shù)幅頻特性fTfOf20lg0-20dB/十倍頻

1.共射截止頻率f值下降到0.7070

(即)時的頻率。當(dāng)

f=f

時，值下降到中頻時的70%左右?；?qū)?shù)幅頻特性下降了3dB。幾個頻率的分析2.特征頻率fT值降為1時的頻率。f>fT

時，，三極管失去放大作用；

f

=

fT

時，由式得：3.共基截止頻率f

值下降為低頻0時

的0.707時的頻率。因為可得說明：所以：1.f

比f

高很多，等于f

的(1+0)倍；2.f

<fT<

f

3.低頻小功率管f

值約為幾十至幾百千赫，高頻小功率管的

fT約為幾十至幾百兆赫。

f

與f

、

fT

之間關(guān)系：5.4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)C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~+圖5.4.1

單管共射放大電路

中頻段：各種電抗影響忽略，Au

與f無關(guān)；低頻段：隔直電容壓降增大，Au降低。與電路中電阻構(gòu)成RC高通電路；高頻段：三極管極間電容并聯(lián)在電路中，Au

降低。而且，構(gòu)成RC低通電路。具體分析時,通常分成三個頻段考慮:(1)中頻段:全部電容均不考慮,耦合電容視為短路,極間電容視為開路。

(2)低頻段:耦合電容的容抗不能忽略,而極間電容視為開路。

(3)高頻段:耦合電容視為短路,而極間電容的容抗不能忽略。這樣求得三個頻段的頻率響應(yīng),然后再進行綜合。這樣做的優(yōu)點是,可使分析過程簡單明了,且有助于從物理概念上來理解各個參數(shù)對頻率特性的影響。一、中頻電壓放大倍數(shù)耦合電容

可認(rèn)為交流短路；極間電容可視為交流斷路。1.中頻段等效電路圖5.4.2中頻段等效電路由圖可得

bce

+Rb~+++RcRs2.中頻電壓放大倍數(shù)已知，則

結(jié)論：中頻電壓放大倍數(shù)的表達式，與利用簡化h參數(shù)等效電路的分析結(jié)果一致。二、低頻電壓放大倍數(shù)圖5.4.3低頻等效電路

C2

與負(fù)載電阻RL構(gòu)成一個RC高通電路考慮隔直電容C2，不考慮C1的作用，其等效電路：

bce

+Rb~+++RcRsC2

RL

+~+RcC2

RLC2以左部分的頻率特性和中頻時一樣，只需考慮接入C2后的影響，將受控源gmUbe和RC進行等效如右圖所示：低頻電壓放大倍數(shù)

+~+RcC2

RL低頻時間常數(shù)為：下限(-3dB)頻率為：則對數(shù)幅頻特性對數(shù)相頻特性因電抗元件引起的相移為附加相移。低頻段最大附加相移為+90度三、高頻電壓放大倍數(shù)考慮并聯(lián)的極間電容的影響，其等效電路：圖5.4.4高頻等效電路

bce

+Rb~+++RcRs圖5.4.4

高頻等效電路的簡化(a)由于輸出回路時間常數(shù)遠小于輸入回路時間常數(shù)，故可忽略輸出回路的結(jié)電容。用戴維南定理簡化圖5.4.4(b)—Cл

與R

構(gòu)成RC

低通電路。

ce

+~++Rc高頻時間常數(shù)：上限(-3dB)頻率為：的對數(shù)幅頻特性和相頻特性高頻段最大附加相移為-90度四、波特圖繪制波特圖步驟：1.根據(jù)電路參數(shù)計算、fL

和

fH

；同時考慮耦合電容和結(jié)電容的影響，則有放大倍數(shù)的表達式：2.由三段直線構(gòu)成幅頻特性。中頻段：對數(shù)幅值=20lg低頻段：

f=fL開始減小，作斜率為20dB/十倍頻直線；高頻段：f=fH開始增加，作斜率為–20dB/十倍頻直線。幅頻特性fOfL-20dB/十倍頻fH20dB/十倍頻圖5.4.5-270o-225o-135o-180o相頻特性-90o10fL0.1fL0.1fH10fHfO3.由五段直線構(gòu)成相頻特性。5.4.3放大電路頻率響應(yīng)的改善和增益帶寬積1.為了改善放大電路頻率響應(yīng)，應(yīng)降低下限頻率，放大電路可采用直接耦合方式，使得fL

＝02.為了改善單管放大電路的高頻特性，應(yīng)增大上限頻率fH。問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。通常情況下：頻帶寬度近似等于fH，fH和放大倍數(shù)之間的矛盾就是帶寬和增益的矛盾帶寬變大，則增益減小增益增大，則帶寬減小為了考慮兩方面的性能，引入增益帶寬積的概念問題：fH的提高與Ausm的增大是相互矛盾。3.增益帶寬積中頻電壓放大倍數(shù)與通頻帶的乘積。Ri=Rb

//rbe假設(shè)Rb

>>Rs，Rb

>>rbe；(1+gmRc)Cbc>>Cbe說明：式不很嚴(yán)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Cu

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