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1、第3章 放大电路的频率响应,3.1 频率响应的一般概念,3.2 三极管的频率参数,3.3 单管共射放大电路的频率响应,3.4 多级放大电路的频率响应,了解频率响应的一般概念；正确理解和掌握幅频特性及相频特性、频率失真问题和波特图的应用；理解三极管的频率参数；理解和熟悉单管共射放大电路的频率响应；掌握混合型等效电路分析法及频率响应；理解多级放大电路的频率响应。,学习目的与要求,3.1 频率响应的概念,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，它们的幅度及相位几乎都由固定比例关系的多频率分量组合而成，且具有一定的频谱。如音频信号的频率范围从20Hz到20kH
2、z，而视频信号的频率范围可从直流到几十兆赫。 当输入信号中含有不同频率的正弦分量时，电路的放大倍数就成为频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。 放大电路中一般均存在如管子的极间电容，电路的负载电 容、分布电容、耦合电容、射极旁路电容等电抗元件，造成 放大器可能对不同频率信号分量的放大倍数和相移不同。因 此放大电路的阻抗也都是信号频率f 的函数。 频率响应是衡量放大电路对不同频率信号适应能力的一项技术指标。本章将介绍有关放大电路频率响应方面的知识。,3.1.1 幅频特性和相频特性,描写放大倍数之模与频率的关系曲线称幅频特性；而描写 相位与频率的关系曲线称相频特性。,共发射极放
3、大电路的电压放大倍数通常用复数表示，即,式中幅度Au和相角都是频率f 的函数, 典型的单管共射放大电路的波特图如图示。,下限频率,上限频率,3.1.2 下限频率、上限频率和通频带,工程上规定，当放大倍数下降到中频值的0.707倍时，所对应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL及上限频率fH。,图中上限频率fH和下限频率fL之差，称为通频带BW，即,3.1.3 频率失真,当输入信号包含多次谐波时，经过放大电路的放大，输出波形将产生频率失真，如上图所示。,因放大电路对不同频率信号的放大倍数不同，因此而产 生的波形失真，称作频率失真。 因放大电路对不同频率的信号产生的相移不同，因此而产生的波形失真
4、，称为相位失真。,3.1.3 频率失真,当全面分析频率响应时，常采用中频段、低频段与高频段三个频段进行。 中频段是指在通频带以内的频率范围BW区间。中频段内各种容抗影响极小，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。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180。 低频段是指fL与原点之间的频率范围。这段频率范围内耦合、旁路电容的容抗不可忽略,损耗一部分信号,使放大倍数下降usL,相移超前90。 高频段是指fH之右的频率范围。引起高频段放大倍数下降的原因有两个：一是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；二是晶体管的值也随频率升高而减小，
5、从而使电压放大倍数下降，相移滞后90。,频率失真与非线性失真不同,从现象上看，频率失真与第2章讨论的非线性失真相似，都是输出信号波形不能如实反映输入信号的波形，但是： 1. 频率失真是由于放大电路频带不够宽，因而对不同频率的信号响应不同而造成的失真，频率失真属于线性失真，这种失真不会产生新的频率信号； 2.非线性失真则是由于放大电路中的非线性器件的特性所造成的失真，属于非线性失真，非线性失真会产生新的频率信号。,3.1.4 波特图,在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很 宽，通常从几赫到几百兆赫以上，放大电路的放大倍数也 很可从几倍至上百万倍，为压缩坐标，扩大视野，在画频 率特性曲线
6、时，频率坐标采用对数刻度，而幅值用dB表示 或相角采用线性刻度。这种半对数坐标的特性曲线称为对 数频率特性或波特图。,例如：,波特图的横坐标频率f采用lgf 对数刻度，这样将频率的大 幅度变化范围压缩在一个小范围内，幅频特性的纵坐标是 电压增益，用分贝dB表示为20lg|Au|，当A从10倍变化到100 倍时，分贝值只从20变化到60。这样绘出的20lg|Au|lgf 的 关系曲线称为对数幅频特性。,3.1.4 波特图,3.1.4 波特图,以RC高通和低通电路为例，具体说明波特图的画法。,1. RC高通电路的波特图,由RC高通电路图可得出电路 的频率响应为：,令,则,3.1.4 波特图,由,取
7、对数得,显然,3.1.4 波特图,对数幅频特性,实际幅频特性曲线,当 f fL(高频)， 当 f fL (低频)，,高通特性,且频率愈低， 的值愈小，低频信号不能通过。,最大误差为 3dB，发生在 f = fL处。,-20dB/十倍频,3.1.4 波特图,对数相频特性,误差,在低频段，高通电路产生 0 90的超前相移。,对数相频特性,实际相频特性曲线,误差,3.1.4 波特图,2. RC低通电路的波特图,由电路图可得,则,令,模,相角,3.1.4 波特图,对数幅频特性,实际幅频特性,当 f fH(低频)， 当 f fH (高频)，,低通特性,且频率愈高， 的值愈小，高频信号不能通过。,在f =
8、 fH处，对数幅频特性出现折线，该处最大误差3dB,3.1.4 波特图,对数相频特性,实际相频特性,误差,显然，电路允许ffH的低频信号通过，大于fH的频率 则不能通过，具有低通特性。且电路在低通范围内产 生 0 90的滞后相移。,误差,3.1.4 波特图,根据下面波特图说明放大电路的中频电压放大,举例,倍数、下限频率和上限频率各等于多少？,由图可以看出：中频电压放大倍数,解,下限频率fL=20Hz,上限频率fH=5105Hz,3.2 三极管的频率参数,一般认为，三极管工作在中频区时的共射电流放大系数是一个常量。但是，当频率升高时，由于存在极间电容，因此三极管的电流放大作用将被削弱，因此，三极
9、管的电流放大系数也是频率的函数。可表示为：,f ：为 值下降至 时的频率。,0 ：低频共射电流放大系数；,则模和相角分别为：,电流放大系数的对数幅频特性波特图,fT,20lg 0,0.1f,对数相频特性波特图,3.2.1 共射截止频率,模值 下降到 0.707 0 (即 )时，对应的频率称为共射截止频率，用符号f表示,当 f = f 时，,即放大系数的模值下降到中频时的70%左右时，相应三极管的工作频率为共射截止频率f。这并不意味着三极管失去了电流放大能力，只是表示此频率下，放大系数的对数幅频特性下降了3dB。,3.2.2 特征频率,共射电流放大系数的模值降为1时，对应的频率称为特 征频率，用
10、符号fT表示。如下图中对数幅频特性与横坐标 的交点处频率。,f = fT 时，由式,流放大能力，所以三极管的工作频率绝不允许超过特征 频率。,特征频率是三极管 的 一个重要参数，当三极 管的工作频率f fT时，放 大系数模值将小于1，表 明此时三极管失去了电,整理后得：,3.2.3 共基截止频率,通常将共基电流放大系数的模值下降为低频时0的 0.707倍时的频率定义为共基截止频率。用符号f0表示。,其频率特性方程：,比较 f 与 f 、 fT 之间关系：,可得,3.2.3 共基截止频率,可见共基截止频率f是共射截止频率f的1+0倍，一般情况下，三极管的三个频率参数：,通常在要求频带较宽的放大电
11、路中，应选择高频管；对频带无特殊要求时，方可选用低频管。,3.3 单管共射极放大电路的频率响应,定性分析,中频区：频带较宽，在此范围内曲线是平坦的。即放大倍数不随信号频率而变。因此，中频频率范围内，耦合电容、射极旁路电容视为短路，极间电容视为开路。,高频区：高于fH的频率范围。当信号频率升高时，放大倍数 随频率的升高而减少。在此频率范围内，幅频特性主要受双 极型三极管极间电容的影响。,低频区：低频区内放大倍数随频率的降低而减小。在小于fL的频率范围内幅频特性主要受耦合电容和旁路电容的影响。,根据BJT的特性方程，H参数的低频小信号模型不适用于高 频特性的分析。因为，在高频情况下，其物理过程与低
12、频小 信号比较有差异，主要表现在BJT的极间电容不可忽略。如 下图所示：,3.3.1 混合型等效电路,图中电容Cbc是集电极与基极之间的等效电容；Cbe是发射极与基极之间的等效电容。可得到三极管混合型等效电路：,3.3.1 混合型等效电路,图示为高频小信号模型。由于高频小信号模型中的元件参数，在很宽的频率范围内与频率无关，所以模型中的电阻参数和互导gm都可以通过低频小信号模型参数得到。,低频下若不考虑极间电容作用，混合 等效电路和 h 参数等效电路相仿，如右图所示：,通过对比可得：,则,则,一般小功率三极管,混合 型等效电路中电容,：可从器件手册中查到；并且,(估算，fT 要从器件手册中查到)
13、,注意：,将输入回路与输出回路直,接联系起来，使解电路的过程 变得十分麻烦。, 可用密勒定理简化电路！,密勒定理,用两个电容来等效 Cbc 。分别接在 b、e 和 c、e 两端。,其中：,电容值分别为：,图中C是Cbe与等效电容 (1-K)Cbc的并联等效电容 值，即：,则可得到如图所示单向化 的混合型等效电路如右 图所示：,3.3.2 阻容耦合单管共射放大电路的频率响应,图中可把 C2 和 RL 看成下一级的输入耦合电容和输入电阻。因此，分析本级频率响应时，可以不考虑它们。,1. 中频段,中频段等效电路如下：,由图可得,C1 可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。,中频电压放大倍数,已知
14、，则,结论：中频电压放大倍数的表达式，与利用简化 h 参 数等效电路的分析结果一致。显然，中频段电压放大 倍数与频率无关，其波特图就是一条水平线。,2. 低频段,显然，C1 与输入电阻构成一个 RC 高通电路,考虑到隔直电容的作用，其等效电路如下所示：,式中： Ri = Rb / rbe,输出电压,低频电压放大倍数,低频时间常数为：,下限(-3 dB)频率为：,则低频电压放大倍数,结论：阻容耦合的单管共射放大电路的下限频率主要决 定于低频时间常数L，L值越大，则fL越小，放大电路 的低频响应越好。当中频电压放大倍数和下限频率求得 后，运用波特图可以方便地画出幅频特性和相频特性。,3. 高频段,
15、考虑到并联的极间电容影响，高频段等效电路为：,由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故可忽略输出回路的结电容。并用戴维南定理简化后得出其简化的等效电路图为：,图中, C 与 R 构成 RC 低通电路。,高频时间常数：,上限(-3dB)频率为：,故,结论：单管共射放大电路的上限频率取决于时间常数H；fH越大，电路的高频响应越好；为获得良好的高频响应，应选用极间电容较小的三极管。,4. 完整的波特图,共射基本放大电路在全部频率范围内的表达式为,幅频特性波特图的画法要点掌握：,波特图的作图原理是抓住两个趋势(左趋势、右趋势)， 一个特殊点(拐点)，取十倍频程；,2. 根据电路参数及计算公式求出
16、中频电压放大倍数Ausm、 下限频率fL和上限频率fH；,3. 在幅频特性的横坐标上，找到对应于fL和fH的两点；在 fL与fH之间的中频区作一条20lgAu的水平线；从f=fL点 开始，在低频区作一条斜率为20dB/十倍频程的直线折 向左下方；又从f=fH点开始，在高频区作一条斜率为 20dB/十倍频程的直线折向右下方。以上三段直线构成 的折线即是放大电路的幅频特性。如下图所示：,20dB/十倍频,幅频特性,相频特性波特图的画法要点掌握：,在10fL至0.1fH之间的中频区，=180； 当f10fH前，= 270； 在0.1fL至10fL 之间以及0.1fH至10fH之间，相频特性分 别为两
17、条斜率为 45/十倍频程的直线。 以上五段直线构成的折线就是放大电路的相频特性。 如下图所示：,相频特性,5. 增益带宽积,增益带宽积是中频电压放大倍数和通频带的乘积，此乘 积可用来表示放大电路的综合性能。,式中,因为,假设 Rb Rs， Rb rbe；,且(1 + gmRc)Cbc Cbe,说明：,上式很不严格，但从中可以看出一个大概的趋势，即选定放大三极管后，rbb 和 Cbc 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。,如愈得到一个通频带既宽，电压放大倍数又高的放大电路，首要的问题是选用 rbb 和 Cbc 均较小的高频小功率三极
18、管。,3.3.3 直接耦合单管共射放大电路的频率响应,集成放大电路基本上都采用直接耦合方式。由于直接耦 合的放大电路不通过隔直电容实现级连，在低频段就不存 在因隔直电容上压降增大而使电压放大倍数减小的情况。 因此，直接耦合放大电路的特点是低频段的频率响应好。,直接耦合的放大电路高频段存在极间电容的影响，因此 会造成电压放大倍数下降，同时产生090之间的滞后附 加相移。直接耦合放大电路的波特图如下图所示：,3.4 单管共射极放大电路的频率响应,3.4.1 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为：,对应的幅频特性为：,多级放大电路的总相移为：,3.4.1 多级放大电路的幅频
19、特性和相频特性,两级放大电路的幅频特性波特图如下所示：,一 级,二 级,3.4.1 多级放大电路的幅频特性和相频特性,两级放大电路的幅频特性波特图如下所示：,一 级,二 级,由波特图可看出：多级放大电路总的对数增益等于各 级对数增益之和，总的相移也等于各组相移之和。多级 放大电路的通频带总是比组成它的每一级的通频带窄。,3.4.2 多级放大电路的上限频率和下限频率,多级放大电路的上限频率与组成它的各级上限频率之 间，存在着近似关系：,多级放大电路的下限频率与组成它的各级下限频率之 间，也存在着下述近似关系：,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。,认真复习，加强练习， 巩固成果，学以致用！,Goodbye!,