晶体管的频率响应

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1、刘开华 *电子线路基础1第三章、放大器的频率特性3.1 线性失真及其分析方法 3.2 单级放大器的频率响应 3.3 多级放大器的频率响应 3.4 放大器的阶跃响应23.1线性失真及其分析方法3.1.1 线性失真3.1.2 分析方法3由于放大电路中存在电抗元件(电容、电感等）， 所以在放大含有丰富频率成分的信号（如语音信号、 脉冲信号等）时，导致输出信号不能重现输入信号 的波形，这种在线性系统中产生的失真称为线性失真。3.1.1 线性失真1. 基本概念丰富频率成分的信号电路中有电抗元件输出畸变线性失真41. 基本概念例31：RC电路如图所示，当输入信号为周 期为1ms的方波时，画出输出电压波形。

2、51. 基本概念对输入信号做傅立 叶分解，可见输入信 号中包含丰富的频率 成分。由于电容C对于不同频率呈现不同容抗，从而， 使输出波形产生了失真。由于RC电路是线性电路，可以用叠加原理，将 输入信号的各个频率分量分别作用于RC电路，最后 在输出端求和。63.1.1 线性失真 幅度失真：(与振幅频率特性有关)放大器对输入信号的不同频率分量的放大倍数大 小不同，使输出信号各个频率分量的振幅相对比例关 系发生了变化，从而导致输出波形失真。2. 线性失真的分类例32：72. 线性失真的分类输入信号由基波、二次谐波和三次谐波组成输入信号谐波振幅比为10:6:2 输出信号谐波振幅比为10:3:0.5 因此

3、出现失真。82. 线性失真的分类放大器对输入信号的不同频率分量滞后 时间不相等而造成的输出波形失真。 相位失真：(与相位频率特性有关)93. 不失真传输的条件即从幅频特性上看放大倍数的幅值与频率无关。（1）不产生幅度失真的条件103. 不失真传输的条件从相频特性上看放大器对各频率分量滞后时间相同即滞后时间（2）不产生相位失真的条件113. 不失真传输的条件实际上要完全满足这两个不失真条件是困难 的，也是没有必要的。因为对于要放大的输入信 号，其主要频率成份总是集中在一定的频率范围 内，通常称为信号带宽。对于幅度失真：只要放大器的通频带略大于信 号带宽，就可以忽略幅度失真。对于相位失真：在话音通

4、信中的中的放大器， 可以不考虑相位失真，但在图像通信中的放大器， 则必须考虑。123.1.1 线性失真4. 和非线性失真的区别 产生原因不同：线性失真是含有电抗元件的线性电路产生的 失真。非线性失真是含有非线性元件（如晶 体管、场效应管等）的非线性电路产生的 失真。134. 和非线性失真的区别线性失真的大小与输入信号幅度的大 小无关，而非线性失真的大小与输入信号 幅度大小密切相关（对于放大电路还与Q 点位置有关）。 产生结果不同：线性失真不会产生新的频率成分;非线性失真产生了输入信号所没有的 新的频率成分。14例33：某放大器中频电压增益 ，下限频率 ，上限频率 ，最大不失真输出电压为10V，

5、当输入 信号为下列情况时，判断输出信号是否失真？如是，为何种 失真？3.1.1 线性失真15该信号包含两个频率信号:1.5KHz和50KHz，均处于中频 区，故不会产生线性失真；但1.5KHz分量的信号幅度远大于 线性区允许的输入电压幅度最大值，即信号的最大值为10V， 故会产生严重的非线性失真。解：该信号为单频信号，虽然该信号 ，放大倍数会 降低，但输出仍为单频正弦波，不存在线性失真；线性区允 许的输入电压的最大幅值为10/10=1V,故不会产生非线性失真。16该信号的两个频率分量：1.5KHz处于中频区, 150KHz 处于高频区，故会产生线性失真。两个信号分量的幅度均小于允许的输入电压最

6、大值，叠 加之后的信号在t为 处有最大值0.1V，故不产生非 线性失真。该信号的两个频率分量：3Hz处于低频区，1.5KHz处于 中频区，故产生线性失真；叠加后的信号在t为 s有最大值为0.2V，故不产生 非线性失真。173.1.1 线性失真（1）线性失真的概念 （2）分类 （3）不失真传输条件 （4）和非线性失真的区别小结183.1.2 分析方法1.基本知识：设系统的传输函数为将上式因式分解为式中nm191.基本知识在式中分子等于零的根零点分母等于零的根极点因此一个线性系统的传输函数完全由零极 点和比例因子决定，据此可分析线性系统的频 率响应。201.基本知识 将放大器的增益函数表示为可将上

7、式改成标准形式，即21对于正弦输入信号，增益函数可表示为1.基本知识由上述的增益函数表达式可以得到用分贝表示 的增益函数的幅值与频率的关系(幅频特性）;也可 得到增益函数的相位和频率的关系（相频特性）。221.基本知识幅频特性：用分贝表示模值。相频特性：231.基本知识幅频特性波特图：横坐标用频率对数刻度， 纵坐标用dB表示，描述幅频特性曲线。相频特性波特图：横坐标用频率对数刻度， 纵坐标用度(或弧度)表示，描述相频特性曲线。扩展频率 范围的视 野242.渐近线波特图法 （1）一阶零点设一阶零点表达式为：幅频特性当 时，幅频特性是斜率为 20dB/十倍频的斜线。当 时，幅频特性为0dB；这样用

8、两线段构成的折线就称为渐近线波特图，它与实际曲线 存在一定的误差252.渐近线波特图法（1）一阶零点 相频特性为262.渐近线波特图法（2）一阶极点 设一阶极点表达式为：幅频特性当 时，幅频特性是 斜率为20dB/十倍频的斜线。实际上，在 处的模值为3.01dB。当 时，幅频特性为0dB；272.渐近线波特图法（2）一阶极点相频特性为282.渐近线波特图法幅频特性为相频特性为（3）原点处的零点表达式为 可以看出，零点则292.渐近线波特图法幅频特性为相频特性为（3）原点处的极点表达式为 可以看出，极点则302.渐近线波特图法试画出其幅频特性和相频特性渐近线波特图。例34：已知某放大器的增益函数

9、为 解：由增益函数，可以看出两个一阶极点312.渐近线波特图法（1）将增益函数写成标准形式 幅频特性为：，则相频特性为：322.渐近线波特图法z1p1p2（2）画出单个零极点的渐近线幅频特性波特图332.渐近线波特图法z1p1 p2（2）画出单个零极点的渐近线相频特性波特图343.计算机辅助分析法 MATLAB语言由于渐近线波特图分析法存在误差，因此 为了精确分析放大器增益函数的幅频特性和相 频特性曲线，可以根据增益函数的表达式，用 MATLAB语言写程序。 例35：已知某放大器的增益函数为 用MATLAB编程画出其幅频特性和相频特性渐 近线波特图。 353.计算机辅助分析法解：变换增益函数形

10、式为程序如下： g=tf(0 10e+8 0,1 100100 10e+7); bode(g,1,10e+7)； g为增益函数的分子分母的系数。 bode是MATLAB中绘制系统波特图的命令。363.计算机辅助分析法MATLAB语言程序运行后得到的波特图如下图所示。373.2 单级放大器的频率响应3.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路3.2.2 频率响应分析3.2.3 晶体管的高频参数3.2.4 场效应管放大器的频率响应383.2.1 双极晶体管高频混合型等效电路 1. 混合型等效电路考虑到PN结的 电容效应及晶体三 极管的性质，可得 到晶体三极管的物 理模拟电路。 体电阻： 基区体电阻 通

11、常为10100集电区体电阻发射区体电阻 一般都小于10391. 混合型等效电路：折合到基极支路的发射结正向电阻:表示输出电压对输入电压的反馈作用，约为几M :表示输出电压对输出电流的影响，约为10-1000k:集电结电容，约为210pF :发射结电容，约为 100500pF401. 混合型等效电路对应于H参数等效电路有：411. 混合型等效电路忽略发射区和集电区体电阻，将三极管接 成共射接法，可得到晶体管的高频混等效电 路。由等效电路中 可看出，输入和输 出被 连到 一起，使得分析复 杂化，因此需要简 化等效电路。由于 约为几M， 通常满足 所以可以将 断开。 422密勒定理密勒定理是用来对电

12、路进行单向化的。 （1）原理电路图节点0为参考节点 节点1为输入节点 节点2为输出节点Z为跨接在输入和 输出之间的阻抗目的：将阻抗Z等效到输入回路和输出回路中。432密勒定理 （2）简化分析令：则：即：同理442密勒定理 （3）等效电路根据上述分析，可以将跨接阻抗等效为一折合 到输入端的并联阻抗Z1和输出端的并联阻抗Z2。45例3-6 如图电路，用密勒定理将图(a)电路等效为图(b)， 求图(b)中的C1、C2为何值。解：46例3-7 某放大器的交流通路如图所示，试用密勒定理将Rf 等效。解：等效原理图如图(b)所示。这里 ，由于是CC电路， 小于1，但接近于1。因此 是一个绝对值很大的负电阻

13、，通常满足 与 的并联值近似为 ，即 可视为开路。 473简化混合型等效电路根据密勒定理的结论，可得其中：输入端为be端，输出端 为ce端； 的容抗即为跨 接在输入输出间的阻抗。48并且其容抗和rce一般均 远大于交流负载电阻 ， 因此可忽略不计。3简化混合型等效电路将 等效到输入和输出端，得到等效电路如图所示。得到简化混合型 等效电路如图。简化混合型等效电路也称为单向化模型。493.2.2 频率响应分析 定性分析：由于放大器在实际应用中要放大具有丰富频率成分的信号， 考虑到电路中的电抗性元件对不同频率成分的响应不同，因此 在分析放大器的频率响应时应充分考虑电路中的每个电抗元 件在不同频率区域

14、内的不同影响。 图示电路为电容耦合共射电路输入、输出耦合电容:旁路电容：三极管极间电容：在分析频率响应时，采用分频区分析法，即划分成 低频、中频和高频三个不同的区域进行分析。通常，C1、C2和Ce的容量较大(以 F为单位)，而 的容量较 小(以pF为单位)501.中频区频率响应分析特点：所有电容的影响均可忽略不计。中频区等效电路如下:在中频区，由于 的容量大，即容抗小， 因此可以视为短路；而极间电容容量小，即容抗大， 因此可以视为开路。511.中频区频率响应分析中频区源电压放大倍数：下标m表 示中频 区电压 放大倍 数其中：可见，中频区电压放大倍数是一个与频率无关的常数。因此，其幅频特性为一条

15、水平线，幅值(dB)为 对于共射电路，其相频特性为 的一条水平直线。522.低频区频率响应分析特点：考虑C1,C2,Ce的作用根据容抗的计算公式， ，由于频率降低， 极间电容更可被视为开路，而耦合电容和旁路电容的容 抗增大，不能再视为短路。 低频区等效电路如下:多数情况下，射极旁 路电容Ce的容量很大，因 此其容抗很小，所以即使在 低频区仍将其视为短路。分别位于输入回路和输出回路中，由于 输入回路和输出回路之间仅有地线连接，按照电路 中的理论，可以将输入回路和输出回路分开考虑。 532.低频区频率响应分析低频区源电压放大倍数：542.低频区频率响应分析式中：根据回路时间常数的概念，即输入回路时间常数 输出回路时间常数可见，只要算出有电容的回路的时间常数，即可 可计算由该电容所确定的下限角频率。当输入为正弦信号时：放大器总的下限角频率 （见本章第3节分析）552.低频区频率响应分析例39：画出低频区的幅频特性和相频特性。 解：根据原点处零点和一阶 极点的渐近线波特图画法， 即可得到低频区的幅频特性 和相频特性。562.低频区频率响应分析例3-9： 低频区的幅频特性和相频特性如下图所示。幅频特性相频特性573.高频区频率响应分析特点：考虑电容 的作用。根据容抗的计算公式，