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1、模拟电子线路放大器的频率特性本讲稿第一页，共三十四页3.1 3.1 基本概念与分析方法基本概念与分析方法3.1.1 基本概念1.1.线性失真线性失真信号在放大过程中的失真可分为两种信号在放大过程中的失真可分为两种 一种是一种是非线性失真非线性失真，它是由于信号幅度过大，使晶体管工作在非线性部分所引起，它是由于信号幅度过大，使晶体管工作在非线性部分所引起的，他有的，他有新的频率成分产生新的频率成分产生。另一种失真是另一种失真是线性失真线性失真，它是信号通过线性时不变系统时由于各谐波分量的大小比，它是信号通过线性时不变系统时由于各谐波分量的大小比例发生变化引起的频率失真或初始相位的延时不相等所引起
2、的相位失真，他例发生变化引起的频率失真或初始相位的延时不相等所引起的相位失真，他没有新的频率成没有新的频率成分产生分产生 二次谐波二次谐波基波基波二次谐波二次谐波基波基波（a a）原波形）原波形 二次谐波二次谐波基波基波（b b）频率失真）频率失真 （c c）相位失真）相位失真合成后大小比例发生变化合成后初相位发生变化合成后（b）频率失真）频率失真本讲稿第二页，共三十四页线性系统不失真传输的条件线性系统不失真传输的条件 一般地，放大器的放大倍数是频率的函数，即：一般地，放大器的放大倍数是频率的函数，即：由于线性失真是信号通过线性系统时输出信号各谐波份量的大小比例与输入由于线性失真是信号通过线性
3、系统时输出信号各谐波份量的大小比例与输入信号相比发生了变化，或输出信号相对于输入信号的各谐波份量的初始位置信号相比发生了变化，或输出信号相对于输入信号的各谐波份量的初始位置的延时不一致引起的，所以，线性系统不失真传输的条件是：的延时不一致引起的，所以，线性系统不失真传输的条件是：（1 1）放大倍数与频率无关，既要求放大倍数的幅频特性是一常数，即：）放大倍数与频率无关，既要求放大倍数的幅频特性是一常数，即：A(A()=)=常常数数（2 2）放大器对各频率份量的滞后时间）放大器对各频率份量的滞后时间t t0 0相同，即要求放大器的相频特性正比于角频相同，即要求放大器的相频特性正比于角频率率，即：，
4、即：()=)=t t0 0本讲稿第三页，共三十四页2 2 放大器的频率响应放大器的频率响应阻容耦合电路中，由于耦合电容、旁路电容和极间电容的影响，其频率特性一般阻容耦合电路中，由于耦合电容、旁路电容和极间电容的影响，其频率特性一般近似地分为三个频段来分析。近似地分为三个频段来分析。低低频频段段中频段中频段高高频频段段中频段中频段 管子极间电容可视为开路，管子极间电容可视为开路，管子的管子的电路模型可用纯电阻电路模型电路模型可用纯电阻电路模型来表来表示，示，耦合电容和旁路电容可视为短路耦合电容和旁路电容可视为短路。这时放大倍数几乎与频率没有关系而保这时放大倍数几乎与频率没有关系而保持恒定。持恒定
5、。低频段低频段 管子极间电容可视为开路，管子极间电容可视为开路，耦合电容和耦合电容和旁路电容的容抗增大旁路电容的容抗增大使得低频段的放大倍使得低频段的放大倍数下降数下降 ，这时，放大器实际上是一个高，这时，放大器实际上是一个高通滤波器。通滤波器。高频段高频段 器件的器件的极间电容的容抗变小极间电容的容抗变小，分流的作用增大，因而使放大倍数下降，这时，分流的作用增大，因而使放大倍数下降，这时，放大器实际上是一个低通滤波器。放大器实际上是一个低通滤波器。放大电路的频率特性实际上是一个带通滤波器，其截止频率为通频带本讲稿第四页，共三十四页3.1.2 频率特性的分析方法分析频率特性的方法复频率法复频率
6、法 在复频率法中电阻、电容和电感用复阻抗表示，在各频段的微变等在复频率法中电阻、电容和电感用复阻抗表示，在各频段的微变等效电路中得到增益的传输函数，进而得到频率特性。复频率所用数学工具是拉氏效电路中得到增益的传输函数，进而得到频率特性。复频率所用数学工具是拉氏变换。变换。相量法相量法 在相量法中电阻、电容和电感用阻抗表示，在各频段的微变在相量法中电阻、电容和电感用阻抗表示，在各频段的微变等效电路上先建立放大电路的相量模型，然后求出各频段增益的频率等效电路上先建立放大电路的相量模型，然后求出各频段增益的频率特性特性 和和 ，即可得到放大电路的整个频率特，即可得到放大电路的整个频率特性。相量法所使
7、用的数学工具是傅氏变换。性。相量法所使用的数学工具是傅氏变换。复频率法除了可以得到放大电路的频率特性外，还具有以下优点：复频率法除了可以得到放大电路的频率特性外，还具有以下优点：第一，复频率法能够引出第一，复频率法能够引出零极点零极点概念，而这些零极点的分布能概念，而这些零极点的分布能唯一地确定网络唯一地确定网络的频率特性；的频率特性；第二，第二，零极点零极点的分布决定系统的的分布决定系统的稳定性稳定性，因此复频率法便于讨论放大器的频率稳，因此复频率法便于讨论放大器的频率稳定性；定性；第三，第三，零极点零极点的分布能够决定网络的的分布能够决定网络的时域特性时域特性。本讲稿第五页，共三十四页3.
8、1.3 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应1.RCRC低通电路的频率响应低通电路的频率响应（电路理论中的稳态分析电路理论中的稳态分析）RCRC电路的电压增益（传递函数）：电路的电压增益（传递函数）：则则且令且令又又电压增益的幅值（模）电压增益的幅值（模）（幅频响应幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角（相频响应相频响应）增益频率函数增益频率函数 研究放大电路的动态指标（主要是研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。增益）随信号频率变化时的响应。本讲稿第六页，共三十四页最大误差最大误差-3dB频率响应曲线描述频率响应曲线描述3.1.3 RCRC电电路的频率路
9、的频率响应响应幅频响应幅频响应0分贝水平线分贝水平线斜率为斜率为-20dB/十倍频程十倍频程 的直线的直线相频响应相频响应1.RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应表示输出与输入的相位差表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入高频时，输出滞后输入因为因为所以所以本讲稿第七页，共三十四页3.1.3 RCRC电电路的频率路的频率响应响应2.RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应RC高通电路的电压增益：高通电路的电压增益：幅频响应幅频响应相频响应相频响应输出超前输入输出超前输入本讲稿第八页，共三十四页3.2 放大电路的频率分析放大电路的频率分析1.1.三极管的高频小信号建模三极管的高频小信号建
10、模2.2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应3.3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应本讲稿第九页，共三十四页1.三极管的高频小信号建模三极管的高频小信号建模模型的引出模型的引出 rbe-发射结电阻发射结电阻re归算到归算到基极回路的电阻基极回路的电阻 -发射结电容发射结电容-集电结电阻集电结电阻 -集电结电容集电结电容 rbb-基区的体电阻，基区的体电阻，b是假是假想的基区内的一个点。想的基区内的一个点。互导互导本讲稿第十页，共三十四页1.三极管的高频小信号建模三极管的高频小信号建模模型简化模型简化#为什么用为什么用能反映频率对受控源的影响？能反映频率对受控源的影
11、响？混合混合 型高频小信号模型型高频小信号模型本讲稿第十一页，共三十四页 3.7.2 放放大电路频大电路频率分析率分析又因为又因为所以所以模型参数的获得模型参数的获得（与（与H参数的关系）参数的关系）1.三极管的高频小信号建模三极管的高频小信号建模低频时，混合低频时，混合 模型与模型与H参数模型等效参数模型等效所以所以又又 rbe=rb+(1+)re 从手册中查出从手册中查出本讲稿第十二页，共三十四页 的的频率响应频率响应由由H参数可知参数可知1.三极管的高频小信号建模三极管的高频小信号建模即即根据混合根据混合 模型得模型得低频时低频时所以所以当当时，时，本讲稿第十三页，共三十四页共发射极截止
12、频率共发射极截止频率 的的频率响应频率响应1.三极管的高频小信号建模三极管的高频小信号建模 的幅频响应的幅频响应令令则则特征频率特征频率共基极截止频率共基极截止频率时时当当本讲稿第十四页，共三十四页2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路等效电路等效电路本讲稿第十五页，共三十四页2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路对节点对节点 c 列列KCL得得电路简化电路简化忽略忽略 的分流得的分流得称为称为密勒电容密勒电容等效后断开了输入输出之间的联系等效后断开了输入输出之间的联系本讲稿第十六页，共三十四页2.共射极放
13、大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应 型高频等效电路型高频等效电路电路简化电路简化最后最后本讲稿第十七页，共三十四页2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应高频响应高频响应由电路得由电路得电压增益频响电压增益频响又又其中其中低频增益低频增益上限频率上限频率本讲稿第十八页，共三十四页2.共射极放大电路的高频响应共射极放大电路的高频响应增益增益-带宽积带宽积BJT 一旦确定，一旦确定，带宽增益积基本为常数带宽增益积基本为常数#如何提高带宽？如何提高带宽？如何提高带宽？如何提高带宽？本讲稿第十九页，共三十四页例题例题 解：解：模型参数为模型参数为设共射放大电路在室温下运行，其参数为：
14、设共射放大电路在室温下运行，其参数为：试计算它的低频电压增益和上限频率。试计算它的低频电压增益和上限频率。低频电压增益为低频电压增益为又因为又因为所以上限频率为所以上限频率为本讲稿第二十页，共三十四页3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应 3.7.2 单单级高频响级高频响应应高频等效电路高频等效电路本讲稿第二十一页，共三十四页3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路的高频响应高频响应高频响应列列 e 点的点的KCL而而所以电流增益为所以电流增益为其中其中电压增益为电压增益为 其中其中 特征频率特征频率忽略忽略本讲稿第二十二页，共三十四页3.共基极放大电路的高频响应共基极放大电路
15、的高频响应几个上限频率的比较几个上限频率的比较 的的上限频率上限频率特征频率特征频率共基极上限频率共基极上限频率共发射极上限频率共发射极上限频率共基极电路频带最宽，无密勒电容共基极电路频带最宽，无密勒电容本讲稿第二十三页，共三十四页3.7.3 单极放大电路的低频响应单极放大电路的低频响应1.低频等效电路低频等效电路本讲稿第二十四页，共三十四页3.7.3 单极放大电路的低频响应单极放大电路的低频响应2.低频响应低频响应按图按图3.7.13参数计算参数计算中频增益中频增益当当则则下限频率取决于下限频率取决于即即本讲稿第二十五页，共三十四页3-2-4 放大电路频率特性分析举例例例3-43-4 试分析
16、下图所示电路的频率特性。已知 ，=50，C1=2uF，C2=10uF，1 1）中频段分析）中频段分析在中频区，所有电容的影响均可忽略不计，其中频等效电路为 由图不难求出中频区的的电压放大倍数式中所以得 或 本讲稿第二十六页，共三十四页2 2）低频段分析低频段分析在低频段，晶体管的结电容可视为开路，设CE容量很大，容抗很小，仍认为短路。其等效电路为 这时C1和C2的短路时间常数分别为相对应的低频段的两个极点为：和 。低频截止频率为 或所以低频段的频率特性近似为本讲稿第二十七页，共三十四页3 3）高频段分析）高频段分析在高频段，C1、C2和CE更是为短路，其单向化的高频等效电路为。其中 这时和的开
17、路时间常数分别是 其中，可见是主导极点。高频截止频率为 所以，高频段的频率特性为相对应的高频段的两个极点为 和 或本讲稿第二十八页，共三十四页放大器的整个频率特性曲线波特图为-20dB/10倍频程20dB/10倍频程幅频特性波特图低频截止频率高频截止频率相频特性曲线101021031041051061072001027.342.51.6 10690045000-450-9004.254251.6 1051.6 10710102103104105106107()/0本讲稿第二十九页，共三十四页例例3-53-5 一个结型场效应管放大器。已知IDSS=8mA，Vp=4V，rds=20k，Cgd=1.
18、5pF，Cds=5.5pF，试计算Aum、和 。解解 先进行静态分析。由结型场效应管的特性和图示电路可得解得 所以1 1）在中频段）在中频段 2 2）在低频段）在低频段由于C1、C3为无穷大，故低频等效电路为6K 1M 5K 5K 0.1 F15V 本讲稿第三十页，共三十四页C2的时间常数为 故可得其下限截止频率为 3 3）在高频段）在高频段 高频等效电路为 由于Ci与恒压源并联，所以对频率特性无影响。在输出端，其密勒电容为 其输出总电容为因此可得其高频截止频率为SGDSGD本讲稿第三十一页，共三十四页例例 3-6 3-6 如图所示同相输入放大电路，已知 ，RF=100k，R1=10 k，试求频率特性和 。A对于低频情况，由于无电容偶合，故和中频情况是一样的 其等效电路为由等效电路可知 由于 可得 R fR1UiUo本讲稿第三十二页，共三十四页高频情况高频情况 高频等效电路为为求时间常数，先求从Ci看进去的等效电阻，其计算电路为 用节电法先求U1，则有考虑到Ri是运放的输入电阻，其值远大于R1和Rf，可得所以所以从Ci看进去的等效电阻 为本讲稿第三十三页，共三十四页因此有 所以其频率特性为多级放大器的频率特性分析，在得到了放大电路的中频、低频和高频等效电路后，根据主导极点和非主导极点的理论，其分析方法与单级放大电路是一样的，这里不再赘述。本讲稿第三十四页，共三十四页