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1、.多级放大电路频率响应仿真分析摘要：频率响应是多级放大器中放大电路的主要性能指标，表明放大电路对于不同频率信号的放大功能。本文从以下几点来阐述多级放大电路的频率响应：首先推导出多级放大电路放大倍数与各级放大电路放大倍数之间的关系式；然后以基本放大电路为出发点，分析其对于高频、中频和低频三个不同频段信号的放大能力，推导出多级放大电路的频率响应表达式；得出多级放大电路的通频带由各级放大电路通频带所决定，且其通频带小于组成它的各级放大电路的通频带的结论。最后将使用Multisim软件对上述结论进行仿真，通过对图形的分析，从而对理论结果进行验证。关键词：多级放大电路，频率响应，截止频率，通频带，Mul
2、tisim1 引言如今电子科技发展日新月异，越来越多的电子产品开始进入人们的日常生产生活当中，放大器应用于对各种信号（最终转化为电信号）的放大作用，使得一个微小的信号能够放大来进行使用，如我们所见的声音信号、图像信号等。可以说，如果没有放大器，我们便如法使用各种各样的数码产品来丰富我们的日常生活。但单级放大电路的电压放大倍数一般只可以达几倍到几十倍，然而，在许多场合，这样的放大倍数是不够用的，常需要把若干个单级放大电路串接起来，组成多级放大器，把信号经过多次放大，从而得到所需的放大倍数，这便是多级放大器，而构成多级放大器的电路便是我们要探讨研究的多级放大电路。所以，多级放大电路是对基本放大电路
3、的延伸应用，其结构较之基本放大电路也更加复杂，因为所要分析的方面也更加多。多级放大电路的一个重要性能指标就是其频率响应，频率响应特性反映了多级放大电路对于不同频率信号的放大能力，在设计一个多级放大器时，我们必须首先了解信号的频率范围，根据这个范围来设计合适的放大电路，以保证设计的放大电路有适用于该信号频率范围的通频带，这样才能保证放大电路良好的放大效果，由此可见研究放大电路的频率响应对于设计放大电路的重要意义。本文中从最基本的单级放大电路出发，从高、中、低三个频段研究其频率响应特性，得出影响放大电路频率响应的主要因素。然后以两级放大电路为例，讨论多级放大电路与组成它的各级放大电路频率响应之间的
4、关系，总结出多级放大电路的频率特性，并推广到N级放大电路。在本次设计中，我们采用了Multisism软件对理论结果结果进行仿真验证，与理论计算结果进行了对比，从而更好的证明了理论推导的结论。2 单级放大电路2.1 放大的概念放大电路放大的本质是能量的控制和转换，是在输入电源获得能量大于信号源所提供的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量，因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。能够控制能量的元件称为有源元件，因而在放大电路中必须存在有源元件，使电子电路中的能量能够被有效控制，如晶体管和场效应管等。2.2 频率响应的定义由于
5、放大器件（包括BJT和FET）本身具有极间电容，此外，在放大电路中存在电抗元件(如电容、电感线圈等)及半导体管极间电容，当输入信号的频率过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移，说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性1。系统的频率响应由幅频特性和相频特性组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。以RC低通电路为例，电路如图1所示。图1 基本RC低通电路已知输出电压与输入电压之比 (1)令时间常数、，则有：， (2)其中称为上限频率。将其带入式(1)，则有2： (3)将其用幅频及相频分别
6、表示，则有： (4)其中式(4)是其幅频特性及其相频特性。2.3 放大电路频率放大能力的性能指标由于放大期间本身存在极间电容，还有一些放大电路中接有电抗性元件，因此，放大电路的放大倍数将随着频率的变化而变化。一般情况下，当频率升高或降低时，放大倍数都将减小，而在中间一段频率范围内，因各种电抗性元件的作用可以忽略，故放大倍数基本不变，如图2所示。通常放大倍数在高频和低频段分别下降至中频段放大倍数的1/时所包括的频率范围，定义为放大电路的通频带，用符号BW表示，通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号频率较低或较高时，放
7、大倍数的数值会下降并产生相移。通常情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号，如图2所示。图2 放大电路的通频带中频段是指在通频带以内的频率范围。各种容抗影响极小，可忽略不计。此时电压放大倍数基本上是一个与频率无关的常数，用表示。除了晶体管的反相作用外，无其他附加相移，所以中频电压放大倍数的相角= 1803。低频段是指的频率范围。引起高频段放大倍数下降的原因有两个：一方面三极管的极间电容及接线电容起作用，将信号旁路掉一部分；另一方面，晶体管的值也随频率升高而减小，从而使电压放大倍数下降。相移滞后90。下限截止频率：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值
8、等于0.707倍 的频率称为下 限截止频率。 上限截止频率：信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值也将下降，使放大倍数的数值等于0.707倍 的频率称为上限截止频率。 通频带：与之间形成的频带称中频段，或通频带，。显然，通频带越宽，表明放大电路对信号频率的变化具有更强的适应能力。3 多级放大电路的频率与响应3.1 多级放大电路的基本形式多级放大电路由基本的放大电路组成，每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称之为耦合，耦合方式有多种，主要是分为直接耦合与间接耦合。图3所示为三级直接耦合放大器。 图3 三级直接耦合放大器示意图由于前级的输出电压就是后级的输入电压，既，所以该多级放大电路的
9、电压放大倍数为1,4： 。 (5)即多级放大器的放大倍数为各级放大器放大倍数的乘积5。 3.2 多级放大电路频率响应的分级分析法所谓分级分析法就是把多级放大器的整体电路划分为多个单级放大器，然后逐一进行分析计算，最后再综合给出结果。以图4所示两级阻容耦合放大电路为例，分几个步骤来进行分析说明。图4 两级阻容耦合放大电路分析放大电路的频率响应时，一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段进行分析。在三个频段进行分析时，主要考虑级间电容与耦合电容（或旁路电容）对于不同频率信号的特性，从而视作短路或开路，以便分析其频率响应6。将图4所示电路划分为两部分。其中，左边为第一级放大电路，其等效模
10、型如图5(a)所示。图5(a) 第一级放大电路右边为第二级放大电路，其等效模型如图5(b)所示。图5(b) 第二级放大电路（1）中频响应 在分析电路中频响应时，由于耦合电容和旁路电容在中频段的容抗较小，因此可以将所有耦合（旁路）电容视为短路，而级间电容由于容抗较大，因此可以视为开路 。对于第一级放大电路，由图5(a)可知其输入电阻 (6)则根据共射放大电路电压增益计算公式，3有： (7)对于第二级放大电路，将第一级看做是一个信号源，等效为一电压源 ，其内阻为，则根据第一级放大电路的计算公式有 ， (8)其中 (9) (10)则对于整个放大电路，由式(5)有 (11)由此可知，多级放大器在中频段
11、其增益、相角均为常数，不随频率而变化，所以电抗电容影响可以忽略不计，此时放大器的放大倍数较为稳定。（2） 高频响应在高频段，随着频率的增加，级间电容的容抗减小，分流作用加大，因此不能再视为开路处理，必须考虑极间电容的影响，而旁路电容（耦合电容）依旧视为短路处理5.7。如图所示，由戴维宁定理可知，第一级放大电路的输入部分可以等效为一个低通电路，如图6所示。图6 第一级放大电路输入回路的等效电路由图5可知，由于旁路既耦合电容仍视为短路，因此与的关系没有改变，则由式(1)与式(7)可以推出其高频放大倍数 (12)其中是中频放大倍数，令则可得出 (13)对于第二级放大电路，由同样方法可以得出 (14)
12、则整体放大电路的高频电压放大倍数 (15)其幅频特性与相频特性分别为 (16)可以看出，多级放大器的高频特性主要由极间电容所决定，极间电容决定了其上限频率。由式(16)可知，随着放大器级数的增加，其高频增益逐渐减小。（3）低频响应对于低频信号，随着频率的减小，耦合、旁路电容的容抗增大，分压作用明显，故交流工作时不能视为短路处理，而级间电容的容抗减小，因此可以视为开路。既影响低频响应的主要是耦合及旁路电容7.8。对于第一级放大电路，由于有、及 三个电容，同时分析会比较困难，因此在分析时可以先考虑某一个电容的影响，将其他电容做理想化处理，即看作短路，从而计算出由每一个电容所确定的下限频率，然后确定
13、出电路的低频放大倍数3.7。则单独考虑影响时，所在的回路可以等效为图7所示的电路。图7 所在回路则由所确定的下限频率 (17)单独考虑影响时，所在的回路可以等效为如图8所示的电路。图8 所在回路则由所确定的下限频率： (18)单独考虑影响时，其所在回路的等效电路如图9所示。图9 所在回路等效电路图则由其所确定的下限频率： (19)则可以算出第一级放大电路低频电压放大倍数： (20)对于第二级放大器，前级的输出电阻就是其电源内阻，因此同理可得： (21)可得出整体电路的低频放大倍数： (22)由于、所在回路所确定的下限频率在本质上是相同的，它们只是作为级间连接稳定作用，因此放大器的下限频率主要取决于与。3.3 N级放大
