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1、第五章 放大电路的频率响应,5.1 频率响应概述 5.2 晶体管的高频等效模型 5.4 单管放大电路的频率响应 5.5 多级放大电路的频率响应,研究的问题： 放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响 原因：耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容,继续,前面几章在分析基本单元电路的特性和指标参数时，均假设输入信号为中频段的单一频率正弦信号。因此电路的耦合电容、旁路电容以及半导体器件的极间电容、结电容等均可忽略不计，采用BJT或FET的交流小信号线性模型对电路进行微变等效分析。,放大电路中存在电抗元件，使得放大器可能对不同频率信号的放大倍数和相移不同。放大电路对不同频率信号的幅值放
2、大不同，就会引起幅度失真；放大电路对不同频率信号产生的相移不同就会引起相位失真。,然而实际应用中，电子电路所处理的信号，如语音信号、电视信号等都不是简单的单一频率信号，它们都是由多频率分量组合而成，具有一定的频谱。如音频信号的频率范围从20Hz到20kHz，而视频信号从直流到几十兆赫。,为实现信号不失真放大，我们需要研究放大器的频率特性。,5.1 频率响应概述,频率响应电压放大倍数与频率的关系,其中： 称为放大器的幅频响应,称为放大器的相频响应,继续,RC阻容耦合放大器的频率特性,电路中的C1、C2、Ce通常为微法拉数量级大电容；,晶体管的极间电容Ci、CO通常为皮法拉量级小电容；,在中频范围
3、：,交流通路可认为是一个纯阻性的电路，,求出的电路参数Au、Ri、RO等均为与频率无关的常数。,大电容的容抗小，可以忽略；小电容的容抗大，可以视为开路。,在低频段：,C1、C2容抗，,不能忽略它们对输入输出信号的分压作用,Ce容抗，,对发射极电阻的旁路作用减弱。,以上都将导致Au下降，,同时产生附加的相移。,在高频段：,Ci、CO容抗，,对输入、输出信号的分流作用，,同时，f ，,导致Au下降，,同时产生附加的相移。,结论：,1、中频区的电压增益最高，相位差约为180。,2、在高频区和低频区，由于极间电容和耦合电容的影响，电压增益要下降，同时会产生附加的相移。,阻容耦合放大器的频率特性：,低频
4、截止频率fL ：,高频截止频率fH ：,中频段,高频段,低频段,通频带BW（3dB带宽） ：,直接耦合,放大电路的对数频率特性称为波特图。,频率(f)：采用对数刻度； 幅值：采用 表示,单位是dB； 相角：采用线性刻度,频率失真（线性失真）,幅频失真：,相频失真：,放大电路对输入信号不同频率分量的幅值不是等同放大而产生的输出波形失真。,放大电路对输入信号不同频率分量的相移不成比例而产生的输出波形失真。,频率失真（线性失真）与非线性失真的比较：,5.1.2 基本概念 （1）高通电路:信号频率越高，输出电压越接近输入电压。,继续,（1）高通电路：频率响应,fL,ffL时放大倍数约为1,继续,波特图
5、,斜率为 20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,继续,相频响应,re,这种对数频率特性曲线称为波特图,总结：当频率较高时，AU 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的降低， AU 下降，相位差增大，且输出电压是超前于输入电压的，最大超前90o。 其中，fL是一个重要的频率点，称为下限截止频率。,最大误差为 3 dB，发生在 f = fL处,近似的幅频特性曲线,误差,（2）低通电路: 信号频率越低，输出电压越接近输入电压。,继续,（2）低通电路：频率响应,fH,ffH时放大倍数约为1,继续,波特图,0分贝水平线,斜率为 -20dB/十倍频程 的直线,幅频响应：,继续,相频响应,可见：当
6、频率较低时，AU 1，输出与输入电压之间的相位差=0。随着频率的提高， AU 下降，相位差增大，且输出电压是滞后于输入电压的，最大滞后90o。 其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。,re,实际波特图和近似波特图,（3）几个具有普遍意义的结论 p225,（2） 当 f=fL时放大倍数幅值约降到0.707倍（3dB），相角超前45 当 f=fH时放大倍数幅值约降到0.707倍（3dB），相角滞后45,（1） 截止频率决定于电容所在回路的时间常数,（3） 频率响应有幅频特性和相频特性两条曲线，近似分析中，可用折线化的近似波特图来表示频率特性。,继续,截止频率决定于电容所在回路的时间常数,继
7、续,5.2 晶体管的高频等效电路 p225 1. 混合模型：形状像，参数量纲各不相同,结构：由体电阻、结电阻、结电容组成,rbb：基区体电阻 rbe：发射结电阻 C：发射结电容 re：发射区体电阻 rbc：集电结电阻 C：集电结电容 rc：集电区体电阻,因多子浓度高而 阻值小,因面积大而阻值小,继续,混合模型：忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系,gm为跨导，不随信号频率的变化而变,因在放大区, 阻值大,阻值远大于Cu的阻抗,低频,低频混模型,低频时， Cbe和Cbc容抗很大，可视为开路；,rbc很大，通常视为开路。,当负载电阻较小时，rce也可视为开路。,混合模型：简化之,继续,其中Cu很小
8、，可略去，得到下页的简化混合模型,晶体管简化的高频等效电路：牢记,继续,见后,继续,5.2.2 电流放大倍数的频率响应 (了解),电流放大倍数不是常量: 信号频率越高，Ic幅值越小，相移越大；是频率的函数。 适于频率从0至无穷大的表达式:,频率特性曲线,继续,波特图: 采用对数坐标系,采用对数坐标系，横轴为lg f，可开阔视野；纵轴为 单位为“分贝” （dB），使得 “ ”法 “ ”法 。,lg f,注意折线化曲线的误差,20dB/十倍频,折线化近似画法,zong,晶体管的频率参数,共射截止频率,共基截止频率,特征频率,集电结电容,掌握： 低通电路和高通电路放大倍数的表达式； 截止频率与时间常
9、数的关系； 波特图及其折线画法； 模型中各参数的求法。,求C,讨论,电路如图,已知各电阻阻值；静态工作点合适,集电极电流ICQ2mA;晶体管的0=80，rbb=200,Cob=5pF,f=1MHz 试求解该电路中晶体管高频等效模型中的各个参数,继续,5.4,5.4 单管共射放大电路的频率响应 p231,适用于信号频率从0的交流等效电路,中频段：C 短路， 开路。,低频段：考虑C 的影响， 开路。,高频段：考虑 的影响，C 短路。,继续,在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降,在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和分布电容、寄生电容
10、等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降,下限频率,上限频率,继续,适用于信号频率从0的交流等效电路,继续,1. 中频电压放大倍数 p231,带负载时：,空载时：,继续,2. 低频电压放大倍数:定性分析,继续,2. 低频电压放大倍数：定量分析,C所在回路的时间常数？,继续,推导得：,2. 结论：低频段频率响应分析,中频段,20dB/十倍频,继续,3. 高频电压放大倍数,通过推导可得：,继续,高频段频率响应分析,继续,4. 全频段电压放大倍数的波特图,全频段放大倍数表达式：,继续,绘制波特图步骤：,1. 根据电路参数计算 、fL 和 fH ；,2. 由三段直线构成幅频特性。,中频段：对
11、数幅值 = 20lg,低频区： f = fL开始减小，作斜率为 20 dB/十倍频直线；,高频段：f = fH 开始增加，作斜率为 20 dB/十倍频直线。,3. 由五段直线构成相频特性。,幅频特性,相频特性,截止频率决定于电容所在回路的时间常数！,.4.3,电路低频段的放大倍数需乘因子,电路高频段的放大倍数需乘因子,看p235例题5.4.1,5.4.3 带宽增益积 (1)定性分析 p238,fbw fH fL fH,当提高增益时，带宽将变窄；反之，增益降低，带宽将变宽。,继续,(2) 定量分析,若rbeRb、 RsRb、 ，则可以证明图示电路的,约为常量,根据,5.5,说明：,式并不严格，但
12、从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和 Cu的值即被确定，增益带宽积就基本上确定，此时，若将放大倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。,如欲得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，关键：选用 rbb 和 Cu 均小的高频三极管。,5.5 多级放大电路的频率响应,5.5.1 多级放大电路的幅频特性和相频特性,多级放大电路的电压放大倍数：,对数幅频特性为：,多级放大电路的总相位移为：,两级放大电路的波特图,幅频特性,一 级,二 级,fL fL1， fH fH1，多级放大电路的频带变窄,相频特性,一 级,二 级,多级放大电路的通频带，总是比组成它的每一级的通频带
13、为窄。,5.5.2 多级放大电路的上限频率和下限频率,在实际的多级放大电路中，当各放大级的时间常数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据。,讨论1：,1. 信号频率为0时电压放大倍数的表达式？ 2. 若所有的电容容量都相同,则下限频率等于多少？,继续,C2、Ce短路， 开路，求出,C1、Ce短路， 开路，求出,C1、C2短路， 开路，求出,C1、 C2、 Ce短路，求出,继续,说明,Ce所在回路的等效电阻最小，因而它所确定的下限频率最高。在所有电容容量相同时fL=fL3 换言之，若要该电路的低频特性改善，则应增大Ce,2,讨论2:,1. 该放大电路为几级放大电路? 2. 耦合方式?
14、3. 在 f 104Hz 时，附加相移？ 4. fH？,已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论下列问题：,继续,1. 为几级放大电路? 在高频段斜率为-60dB/十倍频，为三级放大。 2. 耦合方式? 该放大电路对低频直流信号仍能放大，应为直接耦合 3. 在 f 104Hz 时，附加相移？ 为-453135 4. fH？,自看： p243例题 5.5.1,bu,该电路的上限频率仅约为0.52104Hz！说明波特图折线化后在这里所产生的误差。,三极管的频率参数,1. 三极管 ,f ：为 值下降至 时的频率。,0 ：低频共射电流放大系数；,对数幅频特性,fT,20lg 0,对数相频特性,0.1f,
15、2. 共射截止频率 f ,值下降到 0.707 0 (即 )时的频率。,当 f = f 时，,值下降到中频时的 70% 左右。或对数幅频特性下降了 3 dB。,2. 特征频率 f T,值降为 1 时的频率。,f fT 时， ，三极管失去放大作用；,f = fT 时，由式,得：,3. 共基截止频率 f,值下降为低频 0 时 的 0.707 时的频率。,f 与 f 、 fT 之间关系：,因为,可得,说明：,所以：,1. f 比 f 高很多，等于 f 的 (1 + 0) 倍；,2. f fT f,3. 低频小功率管 f 值约为几十至几百千赫，高频小功率管的 fT 约为几十至几百兆赫。,作 业,5.1 5.2 5.3, 5.4, 5.5, 5.7 5.8,结束,
