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1、模拟电子技术基础第六章频率响应 因此，放大因此，放大电路路对不同不同频率的率的输入信号具有不同的放大入信号具有不同的放大能力，即增益是能力，即增益是输入信号入信号频率率的函数。的函数。放大放大电路路对不同不同频率信号率信号产生不同响生不同响应的根本原因的根本原因 前两章分析放大前两章分析放大电路的性能指路的性能指标时，是假，是假设电路中所有耦合路中所有耦合电容容和旁路和旁路电容容对信号信号频率来率来说都呈都呈现非常小的阻抗而非常小的阻抗而视为短路；短路；FET或或BJT的极的极间电容、容、电路中的路中的负载电容及分布容及分布电容容对信号信号频率来率来说都呈都呈现非常大的阻抗而非常大的阻抗而视为
2、开路。开路。输入入输出出放大电路放大电路1、电抗元件的阻抗会随信号抗元件的阻抗会随信号频率的率的变化而化而变化。化。2、放大、放大电路中有耦合路中有耦合电容、旁路容、旁路电容和容和负载电容，容，FET或或BJT也存在也存在PN结电容，此外容，此外实际电路中路中还有分布有分布电容。容。放大放大电路典型的路典型的频率响率响应曲曲线阻容耦合阻容耦合单级共源放大共源放大电路的典型路的典型频率响率响应曲曲线如如图所示，其中所示，其中图a是是幅幅频响响应曲曲线，图b是相是相频响响应曲曲线。一般有。一般有 fH fL如果信号的所有如果信号的所有频率成率成份均落在通份均落在通频带内，内，则基本上不会出基本上不
3、会出现频率失率失真真现象。象。若已知信号的若已知信号的频率成份，要率成份，要设计出出满足要求的放大足要求的放大电路，最主要路，最主要的任的任务就是就是设计出出频率响率响应的的fH和和fL。1、正弦、正弦稳态响响应是分析是分析频率响率响应的基本方法的基本方法2、工程上常采用分段分析的、工程上常采用分段分析的简化方法。即分化方法。即分别分析放大分析放大电路的低路的低频响响应、中中频（通（通频带）响）响应和高和高频响响应，最后合成全，最后合成全频域响域响应。其中通。其中通频带内内的响的响应与与频率无关，就是前两章放大率无关，就是前两章放大电路性能指路性能指标的分析的分析结果。果。3、也可以用、也可以
4、用计算机算机辅助分析（如助分析（如Spice等）的方法，等）的方法，获得放大得放大电路精确路精确的的频率响率响应曲曲线。频率响率响应的分析方法的分析方法 研究放大研究放大电路的路的动态指指标（主要是增益）随信号（主要是增益）随信号频率率变化化时的响的响应。具体包括：。具体包括：1、频率响率响应的分析方法的分析方法2、影响放大、影响放大电路路频率响率响应的主要因素的主要因素3、如何、如何设计出出满足信号足信号频带要求的放大要求的放大电路路4、各种、各种组态放大放大电路路频率响率响应特点特点本章本章讨论的主要内容的主要内容6.2 单时间常数单时间常数RC电路的电路的频率响应频率响应6.2.1 RC
5、高通电路的频率响应高通电路的频率响应6.2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应1.增益的增益的传递函数函数且令且令又又则电压增益的幅增益的幅值（模）（模）（幅（幅频响响应）电压增益的相角增益的相角（相（相频响响应）2.频率响率响应曲曲线描述描述最大误差最大误差-3dB0分贝水平线分贝水平线幅幅频响响应2.频率响率响应曲曲线描述描述相相频响响应低频时，输出超前输入低频时，输出超前输入因因为表示表示输出与出与所以所以输入的相位差。入的相位差。6.2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应幅幅频响响应相相频响响应1.增益的增益的传递
6、函数函数幅幅频响响应相相频响响应输出滞后出滞后输入入2.频率响率响应曲曲线6.3 共源和共射放大电路的低共源和共射放大电路的低频响应频响应6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1.增益的增益的传递函数函数 低低频区内，区内，电路中的耦合路中的耦合电容、容、旁路旁路电容的阻抗增大，不能再容的阻抗增大，不能再视为短路。短路。低低频小信号等效小信号等效电路路为简化分析，化分析，设低低频区内，有区内，有低低频小信号等效小信号等效电路路则Rs可作开路可作开路处理理定性定性讨论
7、 Cb1所在的所在的输入回路入回路构成的是构成的是RC高通高通电路路 Rg上的上的电压 输入回路入回路 输出回路也是高通出回路也是高通电路，不路，不过不是不是简单的的单时间常数常数RC高通高通电路。路。和和 输出回路出回路由由电路可列出方程路可列出方程由前两个方程得由前两个方程得代入第代入第3个方程得源个方程得源电压增益增益令令且且通通带内（中内（中频）增益，与）增益，与频率无关率无关Cb1引起的下限截止引起的下限截止频率率Cs引起的下限截止引起的下限截止频率率Cb2引起的下限截止引起的下限截止频率率其中其中第第1项是与是与频率无关的通率无关的通带内源内源电压增益增益后三后三项分分别是是3个与
8、个与6.2节RC高通高通电路相同的低路相同的低频响响应。可可见共源放大共源放大电路的低路的低频响响应是由是由3个个RC高通高通电路共同作用路共同作用的的结果果。则 为简单起起见，假，假设3个下限截止个下限截止频率率fL1、fL2和和fL3之之间相距相距较远（4倍以上），可以只考倍以上），可以只考虑起主要作用的截止起主要作用的截止频率的影响。例率的影响。例如有如有fL2 4 fL1，fL1 fL3，则上式上式简化化为 2.增益的增益的频率响率响应波特波特图水平水平线不不是是0 dBf fL2时，相，相频响响应为-180，反映了，反映了通通带内内输出与出与输入的反相关系入的反相关系 若想尽可能降低
9、下限截止若想尽可能降低下限截止频率，率，则需要尽可能需要尽可能选择大的旁大的旁路路电容容Cs和耦合和耦合电容容Cb1、Cb2。但。但这种改善是很有限的，因此种改善是很有限的，因此在信号在信号频率很低的使用率很低的使用场合，可考合，可考虑用直接耦合方式。用直接耦合方式。6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1.增益的增益的传递函数函数低低频小信号等效小信号等效电路路Rb=（Rb1|Rb2）远大于大于R i R i定性定性讨论输入回路构成的是入回路构成的是RC高通高通电路路 输入回路入回路和和 输出回路出回路 输出回路也是高通出回路也是高通电路路由第由第2个方程得个方程得由由电路
10、可列出方程路可列出方程其中其中代入第代入第1个方程得源个方程得源电压增益增益令令且且通通带内（中内（中频）增益，与）增益，与频率无关率无关由由Cb1和和Ce引起的引起的下限截止下限截止频率率Cb2引起的下限截止引起的下限截止频率率其中其中第第1项是与是与频率无关的通率无关的通带内源内源电压增益增益后两后两项分分别是是2个与个与6.2节RC高通高通电路相同的低路相同的低频响响应。可可见共射放大共射放大电路的低路的低频响响应是由是由2个个RC高通高通电路共同作用路共同作用的的结果。其中果。其中fL1与与Cb1和和Ce两个两个电容有关。容有关。则 为简单起起见，假，假设2个下限截止个下限截止频率率f
11、L1和和fL2之之间相距相距较远（4倍以上），可以只考倍以上），可以只考虑起主要作用的截止起主要作用的截止频率的影响。例如率的影响。例如有有fL1 4 fL2，则上式上式简化化为 2.增益的增益的频率响率响应波特波特图水平水平线不不是是0 dBf fL1时，相，相频响响应为-180，反映了，反映了通通带内内输出与出与输入的反相关系入的反相关系包含包含fL2的幅的幅频响响应 若想尽可能降低下限截止若想尽可能降低下限截止频率，率，则需要尽可能需要尽可能选择大的旁大的旁路路电容容Ce和耦合和耦合电容容Cb1、Cb2。但。但这种改善是很有限的，因此种改善是很有限的，因此在信号在信号频率很低的使用率很低
12、的使用场合，可考合，可考虑用直接耦合方式。用直接耦合方式。小结小结 （1）通）通过对共源和共射放大共源和共射放大电路低路低频响响应的分析看到，影的分析看到，影响低响低频响响应的主要因素是旁路的主要因素是旁路电容和耦合容和耦合电容。若想尽可能降容。若想尽可能降低放大低放大电路的下限截止路的下限截止频率，率，则尽量尽量选用容量用容量较大的旁路大的旁路电容容和耦合和耦合电容，其它容，其它组态的放大的放大电路有路有类似的似的结论。（2）以上分析）以上分析过程均假程均假设电路路满足一定条件，足一定条件，进行了行了简化化处理，理，实际上通上通过SPICE仿真可以得到更精确的分析仿真可以得到更精确的分析结果
13、。果。（3）通）通过选用大容量用大容量电容降低下限截止容降低下限截止频率的效果通常是率的效果通常是有限的，因此在信号有限的，因此在信号频率很低的率很低的场合，可考合，可考虑采用直接耦合的采用直接耦合的放大放大电路。路。6.4 共源和共射放大电路共源和共射放大电路的高频响应的高频响应6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增管的高频小信号模型及单位增益频率益频率fT6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数6.4.4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率
14、管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1.MOS管的高管的高频小信号模型小信号模型Cgs栅-源源电容容Cgd栅-漏漏电容容Csb源源-衬底底电容容Cdb漏漏-衬底底电容容 多数情况下，多数情况下，MOS管的源极和管的源极和衬底底连在一起，此在一起，此时Csb被短路，被短路，而而Cdb变为Cds。当信号当信号频率率处于高于高频区区时，FET或或BJT的极的极间电容的阻抗将减容的阻抗将减小，不能再小，不能再视为开路，需考开路，需考虑它它们带来的影响。来的影响。其其中中Cgs的的典典型型值为0.10.5pF，Cgd的的典典型型值为0.010.04 pF及及Cds通通常常小小于于1pF，rds为(10
15、4106)。一般可从数据手册上。一般可从数据手册上获得得这些参数。些参数。Cgs栅-源源电容容Cgd栅-漏漏电容容Cds漏漏-源源电容容 衬底与源极并接底与源极并接时的高的高频小小信号模型（也称信号模型（也称为 模型）模型）2.单位增益位增益频率率fTfT 共源共源组态、负载短路短路时电流增益等于流增益等于1对应的的频率（也率（也称称为特征特征频率）率）rds和和Cds被短路被短路 Cgd较小，在所关心的小，在所关心的频率范率范围内，内，该支路支路电流流远小于受控源小于受控源中的中的电流，所以可以忽略。流，所以可以忽略。又又电流增益流增益 fT与与gm成正比，与成正比，与MOS管管结电容成反比
16、。容成反比。fT越大，越大，MOS管的高管的高频性能越好，由它构成的放大性能越好，由它构成的放大电路的上限路的上限频率就越高。早期以微米技率就越高。早期以微米技术制制造的造的MOS管的管的fT约为100MHz，现在以高速技在以高速技术制造的制造的MOS管的管的fT约为几个几个GHz。由由得得6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应1.高高频小信号等效小信号等效电路路其中其中定性定性讨论Cgs在在输入回路构成低通入回路构成低通电路路 输入回路入回路 和和 输出回路出回路输出回路也是低高通出回路也是低高通电路路2.电路路简化化将将Cgs左左侧电路路进行行电源等效源等效变换其中其中为
17、简单起起见，作如下假，作如下假设：，得得简化后的化后的电路路3.密勒密勒电容容对节点点 d 列列KCL得得由于由于输出回路出回路电流比流比较大，所大，所以可以忽略的以可以忽略的Cgd分流，得分流，得而而输入回路入回路电流比流比较小，所以小，所以不能忽略的不能忽略的Cgd分流分流称称为密勒密勒电容容ZM相当于相当于g和和s之之间存在一个存在一个电容，若用容，若用CM1表示，表示，则同理，在同理，在d、s之之间也可以求得也可以求得一个等效一个等效电容容CM2，且，且得等效后的得等效后的电路路再再设且且得最后得最后简化化电路路同理，在同理，在d、s之之间也可以求得也可以求得一个等效一个等效电容容CM
18、2，且，且得等效后的得等效后的电路路再再设且且4.高高频响响应和上限和上限频率率输入回路是入回路是RC低通低通电路路由由电路得路得得得其中其中上限截上限截止止频率率通通带内源内源电压增益增益 180 arctg(f/fH)相相频响响应幅幅频响响应RC低通低通电路路幅幅频响响应常数常数项共源通共源通带增增益的相位益的相位只要求得通只要求得通带增益和上限截增益和上限截止止频率，便可画出波特率，便可画出波特图C 由上述关系看出由上述关系看出 增益越高，增益越高，Cgd产生的生的密勒密勒电容也越大，上容也越大，上限截止限截止频率越低率越低增益和增益和带宽相互制相互制约5.增益增益-带宽积一般放大一般放
19、大电路有路有 fH fL，则带宽BWfH fL fH若有若有则 MOS管一旦确定，管一旦确定，对相同的信号源相同的信号源 增益增益-带宽积基本基本为常数常数#如何提高如何提高带宽？为简化分析，上述分析化分析，上述分析过程程对电路做了一些假路做了一些假设，尽，尽管如此，其分析管如此，其分析结果仍能符合大多数果仍能符合大多数实际情况。情况。使用使用CAD（如（如SPICE）工具很容易）工具很容易获得更精确的分析得更精确的分析结果。果。6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数1.BJT的高的高频小信号模型小信号模型 rbe-发射射结电阻阻re折算到基折算到基极回路的极回
20、路的电阻阻 -发射射结电容容-集集电结电阻阻 -集集电结电容容 rbb-基区的体基区的体电阻，阻，b是假是假想的基区内的一个点。想的基区内的一个点。互互导高高频区通常有区通常有，模型模型简化化为2.模型参数模型参数从手册中从手册中查出出（与（与频率无关）率无关）#与信号与信号频率有关率有关吗？由由电路有路有低低频时所以所以当当时，3.的的频率响率响应其中其中幅幅频响响应相相频响响应将将 f=fT带入幅入幅频响响应所以所以4.的的频率响率响应共共发射极射极 的的截止截止频率率特征特征频率率共基极共基极 的的截止截止频率率f=(1+0)f f fT 另外另外根据根据所以所以可得可得6.4.4 共射
21、放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应1.高高频等效等效电路路6.4.4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应1.高高频等效等效电路路与共源放大与共源放大电路路类似也可求出似也可求出密勒密勒电容，得到等效容，得到等效电路路2.高高频响响应和上限和上限频率率其中其中通通带源源电压增益增益上限截止上限截止频率率类似地求得源似地求得源电压增益响增益响应与共源放大与共源放大电路路类似似 例题例题 解：解：模型参数模型参数为 设共射放大共射放大电路在室温下运行，其参数路在室温下运行，其参数为：负载开路，开路，Rb足足够大忽略不大忽略不计。试计算它的低算它的低频电压增益和上限增益和上限频率。率。
22、低低频电压增益增益为又因又因为所以上限所以上限频率率为6.5 共栅和共基、共漏和共集共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频响应放大电路的高频响应6.5.1 共栅和共基放大电路的高频响应共栅和共基放大电路的高频响应6.5.2 共漏和共集放大电路的高频响应共漏和共集放大电路的高频响应6.5.1 共栅和共基放大电路的高频响应共栅和共基放大电路的高频响应1.高高频小信号等效小信号等效电路路2.高高频响响应共共栅放大放大电路的路的Cds均均共基放大共基放大电路无跨接在路无跨接在输入入输出之出之间的的电容，所以无密勒容，所以无密勒电容效容效应，上限，上限频率高于共射放大率高于共射放大电路。路。6.5.2 共
23、漏和共集放大电路的高频响应共漏和共集放大电路的高频响应1.高高频小信号等效小信号等效电路路2.高高频响响应 虽然然Cgs和和Cbe都会都会产生密勒效生密勒效应，但是，但是应为两两电路的增益均路的增益均小于等于小于等于1，所以它，所以它们的密勒的密勒电容都很小，上限容都很小，上限频率率远高于同等高于同等工作条件下共源和共射放大工作条件下共源和共射放大电路。路。6.6 扩展放大电路通频带的方法扩展放大电路通频带的方法 扩展放大展放大电路的通路的通频带是指降低下限是指降低下限频率和提高上限率和提高上限频率。采用率。采用直接耦合的方式可以将下限直接耦合的方式可以将下限频率降至零，而提高上限率降至零，而
24、提高上限频率通常有三种率通常有三种方法，即将不同方法，即将不同组态的放大的放大电路路级联组合、外接合、外接补偿元件、采用元件、采用负反反馈。此。此处只只讨论第一种方法。第一种方法。将不同将不同组态的放大的放大电路路级联组合，可以减小前合，可以减小前级密勒密勒电容容CM1=(1+gmR L)Cgd（或（或CM1=(1+gmR L)Cbc）中）中R L的的值，从而减小，从而减小CM1，提高上限，提高上限频率，率，损失的增益由后失的增益由后级补偿，共源，共源共基共基组合合电路便是路便是一例。一例。另外，通另外，通过放大放大电路路级联组合，合，还可以减小后可以减小后级中等效信号源内阻中等效信号源内阻R
25、 si的的值，从而提高，从而提高fH，如共集，如共集 共射共射组合合电路。路。6.7 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应1.多多级放大放大电路的增益路的增益 前前级的开路的开路电压是下是下级的信号源的信号源电压 前前级的的输出阻抗是下出阻抗是下级的信号源阻抗的信号源阻抗 下下级的的输入阻抗是前入阻抗是前级的的负载2.多多级放大放大电路的路的频率响率响应 多多级放大放大电路路的通的通频带比构比构成它的任何一成它的任何一级都窄。都窄。（以两（以两级为例）例）则单级的上下限的上下限频率率处的增益的增益为当两当两级增益和增益和频带均相同均相同时，两两级的增益的增益为即两即两级的的带宽小于小于
26、单级带宽。*6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应 瞬瞬态分析法是以分析法是以单位位阶跃信号作信号作为放大放大电路的路的输入信号，入信号，研究放大研究放大电路路输出波形随出波形随时间变化的情况，称化的情况，称为放大放大电路的路的阶跃响响应，又叫做放大，又叫做放大电路的路的时域响域响应。常以常以上升上升时间和和平平顶降落降落作作为放大放大电路的衡量指路的衡量指标。瞬。瞬态分析法的分析法的优点在于从瞬点在于从瞬态响响应上可以直上可以直观地判断放大地判断放大电路放大路放大阶跃信号的波形失真情况，并可利用脉冲示波器直接信号的波形失真情况，并可利用脉冲示波器直接观测放大放大电路的瞬路的瞬态
27、响响应。瞬瞬态分析法的缺点是分析比分析法的缺点是分析比较复复杂，这一点在分析复一点在分析复杂电路和多路和多级放大放大电路路时更更为突出。突出。频率响率响应（稳态响响应）属于）属于频域分析，瞬域分析，瞬态响响应属于属于时域域分析。在工程分析。在工程实际中，中，这两种方法可以互相两种方法可以互相结合，互合，互为补充。充。如果放大如果放大电路路输出出电压的上升沿也很陡，的上升沿也很陡，说明放大明放大电路能很好地响路能很好地响应快速快速变化的信号。化的信号。如果放大如果放大电路路输出出电压的的顶部也很平，部也很平，则说明放大明放大电路路对变化化缓慢的信号也有很好的放大能力。慢的信号也有很好的放大能力。
28、1.阶跃信号特点信号特点2.放大放大电路的路的阶跃响响应上升上升时间tr 放大放大电路路对阶跃电压上升沿的响上升沿的响应反映了反映了对信号快速信号快速变换的响的响应情况，情况，对应于于稳态分析中的高分析中的高频响响应，所以可，所以可用用RC低通低通电路来模路来模拟 上升上升时间tr上升上升时间tr 输出出电压从最从最终值的的10%上升至上升至90%所需的所需的时间放大放大电路上限截止路上限截止频率率则有有 上升上升时间tr与上限与上限频率率fH成反比，成反比，fH越高，越高，则上升上升时间愈短，前沿愈短，前沿失真越小。失真越小。平平顶降落降落 阶跃电压的平的平顶阶段，反映了段，反映了对缓慢慢变化信号的响化信号的响应情况，情况，对应于于稳态分析中的低分析中的低频响响应，可用，可用RC低通低通电路来模路来模拟 平平顶时间tp满足足 RC tp 则下限截止下限截止频率率得得 平平顶降落降落 与下限与下限频率率fL成正比，成正比，fL越低，平越低，平顶降落降落 越小。越小。end第第6 6章作业章作业(P261)(P261)6.1.1此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢