1、第五章 頻率響應特性,51 頻率響應的概念 52 單級共射放大器的高頻響應 53 共集電路的高頻響應 54 共基電路的高頻響應55 差分放大器的頻率響應56 場效應管放大器的高頻響應 57 放大器的低頻響應 58 多級放大器的頻率響應 59 建立時間tr與上限頻率fH的關(guān)系 510 舉例及計算機仿真,51 頻率響應的概念,511 頻率失真及不失真條件 一、頻率失真 我們知道，待放大的信號，如語音信號、電視信號、生物電信號等等，都不是簡單的單頻信號，它們都是由許多不同相位、不同頻率分量組成的復雜信號，占有一定的頻寬。,頻率失真包括以下兩種情況 幅度頻率失真 如圖51(a)所示，若某待放大的信號是

2、由基波(1)和三次諧波(31)所組成，如果放大器對三次諧波的放大倍數(shù)小于對基波的放大倍數(shù)，那么放大后的信號各頻率分量的大小比例將不同于輸入信號而產(chǎn)生失真。 相位頻率失真 如果放大器存在電抗元件使基波和三次諧波產(chǎn)生了不同的時延, 則放大后的信號各頻率分量的相位關(guān)系將不同于輸入信號而產(chǎn)生失真。,二、線性失真和非線性失真 頻率失真屬于線性失真， 線性失真和非線性失真都會使輸出信號產(chǎn)生畸變，但兩者有許多不同點： 1.起因不同 線性失真由電路中的線性電抗元件引起，非線性失真由電路中的非線性元件引起(如晶體管或場效應管的特性曲線的非線性等)。 2.結(jié)果不同 線性失真是使信號中各頻率分量的大小比例關(guān)系和時間

3、關(guān)系發(fā)生了變化，或是濾掉了某些頻率分量的失真，但在輸出信號中不產(chǎn)生輸入信號中所沒有的新的頻率分量。,三、不失真條件理想頻率響應 綜上所述，若放大器對所有不同頻率分量信號的放大倍數(shù)相同，延遲時間也相同，那么就不產(chǎn)生頻率失真，故不產(chǎn)生頻率失真的條件為式（5-2）,(51),(52a),(52b),圖52給出了不產(chǎn)生線性失真的振幅頻率響應和相位頻率響應，稱之為理想頻率響應。,圖52理想頻率響應 (a)理想振幅頻率響應；(b)理想相位頻率響應,512 實際的頻率特性及通頻帶定義 實際的振幅頻率特性一般如圖53所示。在低頻和高頻區(qū)放大倍數(shù)有所下降，而中間一段比較平坦。為分析方便起見，人們將實際的振幅頻率

4、響應劃分為三個區(qū)域，即中頻區(qū)、低頻區(qū)和高頻區(qū)。并定義上限頻率fH、下限頻率fL以及通頻帶BW，以便定量表征頻率響應的實際狀況。 對于直接耦合放大器, 其下限頻率為零。,圖53 實際的放大器幅頻響應,(53),(54),(55),(56),(57),52 單級共射放大器的高頻響應,521 晶體管的頻率參數(shù)和高頻等效電路 一、晶體管的高頻等效電路 在第二章中，我們學習過晶體管的結(jié)電容包括勢壘電容和擴散電容。發(fā)射結(jié)正向偏置時，擴散電容成分較大，記為Cbe；而集電結(jié)為反向偏置，勢壘電容起主要作用，記為 Cbc。在高頻區(qū)，這些電容呈現(xiàn)的阻抗較小，其對電流的分流作用不可忽略。考慮這些極間電容影響后的高頻混

5、合小信號等效電路如圖54所示。,圖54 晶體管的高頻小信號混合等效電路,二、晶體管的高頻參數(shù) 1. 共射短路電流放大系數(shù)(j)及其上限頻率f 由于電容C be的影響，值將是頻率的函數(shù)。根據(jù)的定義,(58),(59),P45 (2-32),(511),|(j)|的頻率特性如圖55所示。,圖55 |(j)|與頻率f的關(guān)系曲線,2. 特征頻率fT 特征頻率fT定義為|(j)|下降到1所對應的頻率，如圖55所示。 當f= fT時:,(512),3.共基短路電流放大系數(shù)(j)及f 因為,(513),522 共射放大器的高頻響應分析 一、共射放大器的高頻小信號等效電路 圖56(a)所示的共射放大器的晶體三

6、極管用其高頻小信號模型代替得交流等效電路如圖56(b)所示。該電路中Cbc跨接在輸入回路和輸出回路之間，使高頻響應的估算變得復雜化，所以首先應用密勒定理將其作單向化近似。,圖56（a) 共射放大器電路,圖56 (b)共射放大器的高頻小信號等效電路 (設(shè)RB1RB2Rs 忽略),二、密勒定理以及高頻等效電路的單向化模型 密勒定理給出了網(wǎng)絡的一種等效變換關(guān)系，它可以將跨接在網(wǎng)絡輸入端與輸出端之間的阻抗分別等效為并接在輸入端與輸出端的阻抗。 如圖57(a)所示，阻抗Z跨接在網(wǎng)絡N的輸入端與輸出端之間，則等效到輸入端的阻抗Z1為,圖57 密勒定理及等效阻抗 (a)原電路；,I1,I2,圖57密勒定理及

7、等效阻抗 (b)等效后的電路,I1,I2,(514),(515),(516),(517),(519a),(518),(519b),(520),(521 ),(522),利用圖58(b)的單向化簡化模型，我們很快可以 估算出電路的頻率響應和上限頻率fH。,單向化簡化模型參數(shù):,圖58密勒等效后的單向化等效電路 (a)單向化模型； (b)進一步的簡化等效電路,三、放大器高頻增益表達式及上限頻率 由圖58(b)可見,(523),(524),為中頻增益(525a),(525b),(526),(527),(528),其中,為附加相移,根據(jù)式(526)、(527)畫出單級共射放大器的幅頻特性和相頻特性分別

8、如圖59(a),(b)所示。在半功率點處對應的附加相移為-45，而當頻率f10fH以后，附加相移趨向于最大值(-90)。,圖59 考慮管子極間電容影響后的共射放大器頻率響應 (a)幅頻特性； (b)相頻特性； (c)幅頻特性波特圖； (d)相頻特性波特圖,四、頻率特性的波特圖近似表示法 將式(524)用對數(shù)頻率響應來表示，即,五、負載電容和分布電容對高頻響應的影響 令式(524)中的Aus(j)為Aus(j), Uo為Uo H為H1, 如圖510(b)所示。,圖510 包含負載電容CL的電路及等效電路 (a)電路； (b)等效電路,(529),(531),(530),(532),(533),如

9、果H2H1,則H H1,圖511 同時考慮Ci和CL影響的波特圖,六、結(jié)果討論 通過以上分析，為我們設(shè)計寬帶放大器提供了依據(jù)。 1.選擇晶體管的依據(jù) ； 2.信號源內(nèi)阻Rs對高頻特性的影響； 3.關(guān)于集電極負載電阻RC的選擇原則； 4.注意負載電容CL對高頻特性的影響；,圖512 插入共集電路以減小Rs大、CL大對fH的不良影響,53 共集電路的高頻響應,共集電路如圖513(a)所示。這里，我們有意將基區(qū)體電阻rbb拉出來，并將Cbc及Cbe這兩個對高頻響應有影響的電容標于圖中。與共射電路對比，我們有理由說，共集電路的高頻響應比共射電路要好得多，即 f H(CC)f H(CE)。,圖513共集

10、電路高頻響應的討論 (a)電路；(b)高頻交流通路及密勒等效,一、 Cbc的影響 由于共集電路集電極直接連接到電源UCC，所以Cbc相當于接在內(nèi)基極“b”和“地”之間，不存在共射電路中的密勒倍增效應。因為Cbc本身很小(零點幾幾pF),只要源電阻Rs及rbb較小， Cbc對高頻響應的影響就很小。,二、C be的影響 這是一個跨接在輸入端與輸出端的電容，利用密勒定理將其等效到輸入端(如圖513(b)所示)，則密勒等效電容CM為,(534),Au為共集電路的電壓增益，是接近于1的正值， 故CMC be。,三、CL的影響,(535),只要源電阻Rs較小，工作點電流ICQ較大，則Ro可以做到很小。 所

11、以時常數(shù)RoCL很小，fH2很高。因此說共集電路有很強的承受容性負載的能力。,54共基電路的高頻響應,共基電路如圖514所示，我們來考察晶體管電容C be和C bc以及負載電容CL對高頻響應的影響。,圖514共基電路高頻響應的討論 (a)電路；(b)高頻交流通路,圖514共基電路高頻響應的討論 (a)電路；(b)高頻交流通路,一、C be的影響 由圖可見，如果忽略rbb的影響，則C be直接接于輸入端，輸入電容Ci= C be ，不存在密勒倍增效應，且與C bc無關(guān)。所以，共基電路的輸入電容比共射電路的小得多。而且共基電路的輸入電阻Rire=26mV/ICQ，也非常小，因此，共基電路輸入回路的

12、時常數(shù)很小， fH1很高。理論分析的結(jié)果fH1fT。,二、C bc及CL的影響 如圖514(b)所示，如果忽略rbb 的影響，則 Cbc直接接到輸出端，也不存在密勒倍增效應。輸出端總電容為Cbc +CL。此時，輸出回路時常數(shù)為Ro(Cbc + CL)，輸出回路決定的fH2為,(536),三、共射共基級聯(lián)的高頻響應 如圖515所示,圖515 共射共基級聯(lián)放大器,圖516 共射共基差分寬帶集成放大器電路(CA3040),55 差分放大器的頻率響應,差分放大器的頻率響應與單管放大器沒有本質(zhì)上的區(qū)別。如圖517(a)所示，對于差模信號來說可用“半電路”來分析，其“半電路”如圖517(b)所示。根據(jù)前面

13、對共射放大器高頻響應的分析可知，差分放大器雙端輸出的高頻增益表達式為,(537),圖517 差分放大器電路 (a)差分放大器電路；(b)半電路,圖519所示的電路，是一種單端輸出的差分放大器, 其具有較寬的頻帶, 因為它實際上是共集-共基組態(tài)放大器, 而共集、共基電路的上限頻率都較共射高，所以總的上限頻率主要受負載RC和CL的制約。,(538),(539),圖518 共集共基組態(tài)差分放大器,圖519 用于集成電路輸入級的共集共基,56 場效應管放大器的高頻響應,561場效應管的高頻小信號等效電路 無論是MOS管或結(jié)型場效應管，其高頻小信號等效電路都可以用圖520所示的模型表示。 圖中，Cgs表

14、示柵、源間的極間電容，Cgd表示柵、漏間的極間電容，Cds表示漏、源間的極間電容。,圖520場效應管的高頻小信號等效電路,562場效應管放大器的高頻響應 典型的場效應管共源放大器電路如圖521(a)所示，其高頻小信號等效電路如圖521(b)所示。,圖521場效應管放大器及其高頻小信號等效電路 (a)放大電路；(b)等效電路,圖521場效應管放大器及其高頻小信號等效電路 (a)放大電路；(b)等效電路,由圖5-21(b)可見，Cgd是跨接在放大器輸入端和輸出端之間的電容。應用密勒定理作單向化處理，可將Cgd分別等效到輸入端(用CM表示)和輸出端(用CM表示)，如圖522所示。其中:,(540),

15、(541),圖522場效應管共源放大器單向化模型,(542),(543),(544),(545),(546),上述分析結(jié)果顯示： (1)要提高fH,必須選擇Cgs ,Cgd ,Cds小的管子。 (2) fH高和AuIs大是一對矛盾，所以在選擇RD時要兼顧fH和AuIs的要求。 (3)由于Ci(=Cgs+CM)的存在，希望有恒壓源激勵，即要求源電阻Rs小。 共漏電路、共柵電路以及場效應管差分放大器的高頻響應分析方法和晶體管電路的十分相似，在此不予重復。,57 放大器的低頻響應,571 阻容耦合放大器的低頻等效電路 阻容耦合共射放大器電路如圖523(a)所示。在低頻區(qū)，隨著頻率的下降，電容C1、C

16、2、CE呈現(xiàn)的阻抗增大，其分壓作用不可忽視，故畫出低頻等效電路如圖523(b)所示。,圖523(c)中，將gm 直接接地，對輸出電壓和增益的計算不會有影響。,圖523阻容耦合共射放大器及其低頻等效電路,圖523阻容耦合共射放大器及其低頻等效電路,圖523阻容耦合共射放大器及其低頻等效電路,572阻容耦合放大器低頻響應分析 由圖523(c)可見，因為有g(shù)m 的隔離作用，C2對頻率特性的影響與輸入回路無關(guān)，可以單獨計算。這樣，在討論C1、CE對低頻特性的影響時可設(shè)C2短路;反之，在討論C2對低頻特性的影響時，可視C1 、 CE短路。,一、C1、E對低頻特性的影響 如圖523(c)所示， 將隨頻率的

17、下降而下降。一般電路能滿足條件,(547),(548),(549),(550),(551),(552),定性畫出低頻增益的幅頻特性和相頻特性如圖524。可見，C1、CE的作用使放大器的低頻響應下降，其下限角頻率L1反比于時常數(shù)(Rs+rbe)C。當=L1時，附加相移為+45，其最大附加相移為+90。,(553),(554),圖524 阻容耦合放大器C1及CE引入的低頻響應,圖525 C2對低頻響應影響的等效電路,二、C2對低頻響應的影響 如前所述，在考慮C2的影響時，忽略C1、CE對低頻響應的作用。為分析方便起見，將低頻等效電路改畫為圖525所示，可見,(555),(556),(中頻源增益),

18、(C2引入的下限角頻率),(557),(558),(559),(560),三、討論 (1)C1、E、C2越大，下限頻率越低，低頻失真越小，附加相移也將會減小。 (2)因為CE等效到基極回路時要除以(1+)，所以若要求CE對L1的影響與C1相同，需要求取CE =(1+)C1,所以射極旁路電容的取值往往比C1要大得多。 (3)工作點越低，輸入阻抗越大，對改善低頻響應有好處。,(4)RC,RL越大，對低頻響應也有好處。 (5)C1、CE、C2的影響使放大器具有高通特性，在下限頻率點處，附加相移為正值，說明輸出電壓超前輸入電壓。 (6)同時考慮低頻和高頻響應時，完整的頻率特性如圖526所示。,圖526

19、 阻容耦合放大器完整的頻率響應,58 多級放大器的頻率響應,如果放大器由多級級聯(lián)而成，那么，總增益,(561),(562),581多級放大器的上限頻率fH 設(shè)單級放大器的增益表達式為,(563),(564),(565),式中，|AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|為多級放大器中 頻增益。令,(566),(567),(568),582多級放大器的下限頻率fL 設(shè)單級放大器的低頻增益為,(569),(570),(571),(572),解得多級放大器的下限角頻率近似式為,若各級下限角頻率相等，即L1=L2=Ln,則,(574),59 建立時間tr與上限頻率fH的關(guān)系,591建立時間tr的定義

20、建立時間是描述一個線性網(wǎng)絡對快速變化信號的反應能力。例如有一個一階低通網(wǎng)絡，如圖527所示，如果在其輸入端加一個階躍信號，則在輸入信號突跳時，輸出信號是不能突跳的，而是以指數(shù)規(guī)律上升至穩(wěn)定值。所謂建立時間tr是描述該電壓上升快慢的一個指標，其定義為：uo從10%Uom上升到90%Uom所需要的時間。,圖527 建立時間tr的定義,對于一階RC電路，可以導出,根據(jù)tr的定義，可得出tr與時常數(shù)H=RC的關(guān)系式為,(576),(575),592建立時間與上限頻率的關(guān)系 建立時間表示電路對快速信號的反應能力，通常稱建立時間為暫態(tài)指標。而上限頻率可表示電路對高頻信號的響應能力，通常稱為穩(wěn)態(tài)指標。它們從不同的角度描述電路的性能。我們知道，如果信號的前