1、第五章放大电路的频率响应 第五章放大电路的频率响应 5 1频率响应的有关概念 5 2晶体管的高频等效电路 5 3放大电路的频率响应 5 1频率响应的有关概念 一 本章要研究的问题 二 高通电路和低通电路 三 放大电路中的频率参数 一 研究的问题 放大电路对信号频率的适应程度 即信号频率对放大倍数的影响 由于放大电路中耦合电容 旁路电容 半导体器件极间电容的存在 使放大倍数为频率的函数 在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围 在设计放大电路时 应满足信号频率的范围要求 通频带 一 高通电路 令 频率响应的基本概念 fL称为下限截止频率 则有 放大电路的对数频率特性称为波特图 对数幅频特性
2、 实际幅频特性曲线 幅频特性 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 对数相频特性 相频特性 误差 在低频段 高通电路产生0 90 的超前相移 二 RC低通电路的波特图 RC低通电路图 令 则 fH称为上限截止频率 低通电路的波特图 对数幅频特性 对数相频特性 在高频段 低通电路产生0 90 的滞后相移 二 高通电路和低通电路 2 低通电路 信号频率越低 输出电压越接近输入电压 使输出电压幅值下降到70 7 相位为 45 的信号频率为截止频率 又称为3dB转折点频率 1 高通电路 信号频率越高 输出电压越接近输入
3、电压 三 放大电路中的频率参数 在低频段 随着信号频率逐渐降低 耦合电容 旁路电容等的容抗增大 使动态信号损失 放大能力下降 高通电路 低通电路 在高频段 随着信号频率逐渐升高 晶体管极间电容和分布电容 寄生电容等杂散电容的容抗减小 使动态信号损失 放大能力下降 下限频率 上限频率 结电容 四 波特图 为了在同一个坐标系下对比大范围变化的放大倍数和很宽的频率响应范围 将前频率响应改用对数坐标 即所谓的 波特图 它也包含幅频特性和相频特性两个部分 幅频特性改用波特图后将级联放大器增益的 乘 除 运算变为了 加 减 运算 5 2晶体管的高频等效电路 考虑结电容的影响 一 混合 模型 二 电流放大倍
4、数的频率响应 三 晶体管的频率参数 一 混合 模型 a 晶体管的结构示意图 1 模型的建立 由结构而建立 形状像 参数量纲各不相同 简化的混合 模型 通常情况下 rce远大于c e间所接的负载电阻 而rb c也远大于C 的容抗 因而可认为rce和rb c开路 C 跨接在输入与输出回路之间 电路分析变得相当复杂 常将C 等效在输入回路和输出回路 称为单向化 单向化靠等效变换实现 简化混合 模型的简化 b 单向化后的混合 模型 简化混合 模型的简化 C 忽略C 的混合 模型 因为C 且一般情况下 的容抗远大于集电极总负载电阻R 中的电流可忽略不计 得简化模型图 C 密勒定理 用两个电容来等效C 分
5、别接在b e和c e两端 其中 电容值分别为 等效电容的求法 简化混合 模型的简化 b 单向化后的混合 模型 简化混合 模型的简化 C 忽略C 的混合 模型 混合 模型的主要参数 将混合 模型和简化的h参数等效模型相比较 它们的电阻参数完全相同 C 可从手册中查得Cob Cob与C 近似相等 C 数据可从手册中给定的特征频率fT和放大电路的Q点求解 电流放大系数的定义 对数幅频特性 fT 20lg 0 对数相频特性 0 1f 1 共射截止频率f 值下降到0 707 0 即 时的频率 当f f 时 值下降到中频时的70 左右 或对数幅频特性下降了3dB 几个频率的分析 2 特征频率fT 值降为1
6、时的频率 f fT时 三极管失去放大作用 f fT时 由式 得 3 共基截止频率f 值下降为低频 0时的0 707时的频率 f 与f fT之间关系 因为 可得 说明 所以 1 f 比f 高很多 等于f 的 1 0 倍 2 f fT f 3 低频小功率管f 值约为几十至几百千赫 高频小功率管的fT约为几十至几百兆赫 场效应管的高频等效模型 场效应管各极之间存在极间电容 其高频等效模型如下 一般情况下rgs和rds比外接电阻大得多 可认为是开路 Cgd可进行等效变化 使电路单向化 Cgd等效变化 g s之间的等效电容为 d s之间的等效电容为 由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多 故分析频率特
7、性时可忽略的影响 场效应管的高频等效模型 b 简化模型 讨论一 1 若干个放大电路的放大倍数分别为1 10 102 103 104 105 它们的增益分别为多少 2 为什么波特图开阔了视野 同样长度的横轴 在单位长度不变的情况下 采用对数坐标后 最高频率是原来的多少倍 讨论二 电路如图 已知各电阻阻值 静态工作点合适 集电极电流ICQ 2mA 晶体管的rbb 200 Cob 5pF f 1MHz 试求解该电路中晶体管高频等效模型中的各个参数 清华大学华成英hchya 讨论二 单管放大电路的频率响应 5 4 1单管共射放大电路的频率响应 中频段 各种电抗影响忽略 Au与f无关 低频段 隔直电容压
8、降增大 Au降低 与电路中电阻构成RC高通电路 高频段 三极管极间电容并联在电路中 Au降低 而且 构成RC低通电路 一 中频电压放大倍数 耦合电容可认为交流短路 极间电容可视为交流断路 1 中频段等效电路 中频段等效电路 由图可得 2 中频电压放大倍数 已知 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 二 低频电压放大倍数 考虑隔直电容的作用 其等效电路 低频等效电路 C1与输入电阻构成一个RC高通电路 式中Ri Rb rbe 动画avi 5 2 avi 输出电压 低频电压放大倍数 低频时间常数为 下限 3dB 频率为 则 对数幅频特性 对数相频特性 因电抗元
9、件引起的相移为附加相移 低频段最大附加相移为 90度 三 高频电压放大倍数 考虑并联在极间电容的影响 其等效电路 高频等效电路 高频等效电路的简化 a 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效应的影响 用戴维南定理简化 C 与R 构成RC低通电路 高频时间常数 上限 3dB 频率为 的对数幅频特性和相频特性 高频段最大附加相移为 90度 四 波特图 绘制波特图步骤 1 根据电路参数计算 fL和fH 2 由三段直线构成幅频特性 中频段 对数幅值 20lg 低频段 f fL开始减小 作斜率为20dB 十倍频直线 高频段 f fH开始增加 作斜率为 20dB 十倍频直线
10、 3 由五段直线构成相频特性 图5 4 5 幅频特性 相频特性 单管共源放大电路的频率响应 单管共源放大电路及其等效电路 在中频段开路 C短路 中频电压放大倍数为 在高频段 C短路 考虑的影响 上限频率为 在低频段 开路 考虑C的影响 下限频率为 电压放大倍数 放大电路频率响应的改善和增益带宽积 1 为了改善放大电路频率响应 应降低下限频率 放大电路可采用直接耦合方式 使得fL 0 2 为了改善单管放大电路的高频特性 应增大上限频率fH 问题 fH的提高与Ausm的增大是相互矛盾 3 增益带宽积 中频电压放大倍数与通频带的乘积 Ri Rb rbe 假设Rb Rs Rb rbe 1 gmRc C
11、 C 说明 式不很严格 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C Cb c 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C 均小的高频三极管 场效应管共源放大电路的增益带宽积 自阅 复习 1 晶体管 场效应管的混合 模型 2 单管共射放大电路的频率响应 表达式 波特图的绘制 三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性 5 5多级放大电路的频率响应 5 5 1多级放大电路频率特性的定性分析 多级放大电路的电压放大倍数 对数幅频特性为 在多级放大
12、电路中含有多个放大管 因而在高频等效电路中有多个低通电路 在阻容耦合放大电路中 如有多个耦合电容或旁路电容 则在低频等效电路中就含有多个高通电路 多级放大电路的总相位移为 两级放大电路的波特图 图5 5 1 幅频特性 一级 二级 图5 5 1 相频特性 一级 二级 多级放大电路的通频带 总是比组成它的每一级的通频带为窄 5 5 2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算 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即 若某级的下限频率远高于其它各级的下限频率 则可认为整个电路的下限频率就是该级的下限频率 同理若某级的上限频率远低于其它各级的上限频率
13、 则可认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率 例5 5 1已知某电路的各级均为共射放大电路 其对数幅频特性如图所示 求下限频率 上限频率和电压放大倍数 2 高频段只有一个拐点 斜率为 60dB 十倍频程 电路中应有三个电容 为三级放大电路 解 1 低频段只有一个拐点 说明影响低频特性的只有一个电容 故电路的下限频率为10Hz fH 0 52fH1 0 52 2 105 Hz 106KHz 3 电压放大倍数 例5 5 2分别求出如图所示Q点稳定电路中C1C2和Ce所确定的下限频率的表达式及电路上限频率表达式 解 交流等效电路 图5 5 3 a Q点稳定电路的交流等效电路 1 考虑C1对低频特性的影响 b C1所在回路的等效电路 2 考虑C2对低频特性的影响 3 考虑Ce对低频特性的影响 4 考虑结电容对高频特性的影响 e 结电容所在回路的等效电路 比较C1 C2 Ce所在回路的时间常数 1 2 e 当取C1 C2 Ce时 e将远小于 1 2 即fLe远大于fL1和fL2因此 fLe就约为电路的下限频率 作业5 15 45 75 105 13
