1、1,4.7 放大电路的频率响应,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,4.7.4 单级共基极和共集电极放大电路的高频响应,4.7.5 多级放大电路的频率响应,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。,4.7.0 复习频率响应的基本概念,2,放大,输入电阻,输出电阻,温度,信号的频率,影响放大的因素：,BJT组态,实际信号大多数是含有许多频率成分的复杂信号（其频率范围成为信号带宽）,静态 工作点位置,3,4.7.0 复习频率响应的基本概念,1.为什么要研究频率响应？,原因（1）：Av是
2、f的函数，对不同频率信号的放大程度不同。,原因（2）：信号有多个频率成分，若对不同频率信号的放大程度不同，会产生频率失真。,2.如何分析研究频率响应的特性？,（1）信号的频率表达,（2）放大器的频率响应表达,（3）根据信号的频率特性提出对放大器的频率响应的要求,（4）放大器的频率响应受那些因素的影响,4,放大器输入是单一中部频率正弦波在频域的特性：,在下图中如何表达这个输入：,输入信号,输出,以射极放大器为例,在下图中如何表达这个输出：,5,信号的时频表示：,傅里叶级数分解,直流分量,其中,基波分量,三次谐波分量,以方波信号为例：,6,放大器Avf()关系,或, 幅频响应, 相频响应,7,输入
3、,输出,中频点输入输出对照图示：,单一频点的放大倍数不能反映放大器放大倍数的全貌,需要分析全部频点上放大器的频率响应,频率响应？,前期，作为标准信号我们仅仅使用一个中频点上的正弦信号作为标准输入信号讨论放大特性。,输入对应各个频点的复输出,8,即vi含有丰富的频率成分,它们在放大器中的传输情况如何呢？,实际信号分析：,音乐：20Hz-20KHz,视频信号：DC-4.5MHz,都包含有一定的频率范围,4.7.0 复习频率响应的基本概念,9,实际上放大器的响应是中频带有限系统,4.7.0 复习频率响应的基本概念,10,输入信号,输出,以射极放大器为例,正常放大区,不正常放大区,不正常放大区,观察有
4、丰富频率特性的信号通过带宽有限的放大器的情况,11,不正常放大区对数字信号的影响：,设输入是数字信号的一个脉冲,关键是受中频带以外部分的影响,12,关键是受中频带以外部分的影响,可以推论：,好的放大器中频带宽必须,大于信号带宽,前期我们所讲到的增益都是在中频区。,那么到底是什么因素致使高低频区出现：,增益下降相移分散。,电路中那些因素会造成这些变化？,13,电路中有电抗性元件（L、C，包括极间电容等）,X不同,输出波形不能反映输入波形的形状,失真,放大器对于不同频率正弦信号的稳态响应放大器的频率响应（特性）是放大电路的重要指标！,放大电路放大指标的完全表达,频率响应不同产生的原因是：,4.7.
5、0 复习频率响应的基本概念,14,耦合电容,极间电容,旁路电容,BJT放大电路中有哪些电抗元件：,如何处理呢？,接线电容,分布电容,分布电感,变压器,15,前面的讨论：,耦合电容和旁路电容（F级）,直流时认为是,交流是,BJT极间电容（pF级）,这是在什么条件下？,前提：放大器输入是单一中部频率正弦波,耦合电容直流开路,f=,耦合电容交流短路,f=,0,开路,短路,BJT极间电容,C,开路,开路,短路,-开路,0,中频值,C,大,很小,中频值,f=,16,17,vbe ib ic vo Av ，且产生相移。,例如耦合电容C1=50F,例子：,18,BJT放大电路电抗元件在整个频率范围内表现如何
6、：,耦合电容交流开路,f=,0,短路,BJT极间电容,C,开路,中频值,C,大,很小,中频值,f=,f=,减小到低频,如果,有限值,影响低频,f=,继续增加到很大-到高频,如果,有限值,影响高频,低频时，就不能短路！,高频时，就不能开路！,19,前面分析时，,假定Cb1、Cb2、Ce足够大，对于vi 的频率，Xc0视为交流短路；,认为极间电容非常小，其Xc视为交流开路；,于是，当电路参数一定时，AV=常数，=180（反相）,是或f 的函数,当f很低时，Cb1、Cb2、Ce的容抗很大，不能再视为短路，即它们对放大器的低频特性有影响；,而极间电容，则是f 越高，容抗越小，不能再视为开路，即它们对放
7、大器的高频特性有影响；,但实际上，,20,实验测得频率特性曲线如下：,分三个区域：,中频区：中间平坦部分,AV= AVM ，=180， 且不随f 的变化而变化。,低频区：由于Cb1、Cb2、Ce的影响， AV ，超前中频相位。,高频区：由于极间电容的影响， AV ，滞后于中频相位。,工程上规定： AV 至,所对应的频率，分别称为,下限频率fL,上限频率fH,21,（2）通频带：,2、幅度失真和相位失真：,当vi频谱很广，而放大器的通频带又不够宽时，对于不同频率的信号不能得到同样的放大（幅度、相位） vo 波形发生变形失真！,又分为：,幅度失真： vo中不同f 信号振幅的比例与放大前不同。,相位
8、失真： vo中不同f 信号的相位关系与放大前不同。,B=fH fLfH 又称带宽。,22,23,线性失真：,电抗元件引起,不产生新的频率分量,非线性失真：,非线性元件（如二极管和三极管）引起,会产生新的频率分量,失真的后果：,信号不能完全重现,如何不失真？,多频率信号经过系统后发生相移是否是相频失真？,24,不失真传输系统,保证同相的相移,25,电压增益：,功率增益：,电流增益：,AV用分贝数表示的优点： a.可将增益相乘变为相加；,b.可采用对数坐标图绘制频率响应扩展视野，缩短坐标。,复习用分贝数（对数单位）表示增益：,例：,26,对数频率特性,把幅频响应和相频响应分别绘制在两张半对数坐标纸
9、上,纵坐标以dB表示的AV或，采用线性分度。,称为对数频率响应，又称波特图。,横坐标f （或 ），采用对数分度,27,如何绘制？,方法： 对于每一个频区，忽略次要因素，突出主要因素，找出近似的模拟等效电路，,对于中频区，等效电路即为H参数等效电路， 那么，高频区和低频区呢？,工程上采用折线近似，而不用逐点描迹。,用典型RC电路来模拟。,求出 的关系，分别在半对数坐标纸上绘制对数频率特性波特图。,28,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应,1. RC低通电路的频率响应,（电路理论中的稳态分析）,RC电路的电压增益（传递函数）：,则,且令,又,电压增益的幅值（模）,（幅频响应）,电压增益的相角
10、,（相频响应）,增益频率函数,RC低通电路,29,最大误差 -3dB,频率响应曲线描述,1. RC低通电路的频率响应,f做分子时高频转折相移滞后,30,2. RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,RC高通电路,且令,又,则,f做分母时低频转折相移超前,31,RC电路的频率响应,综上所述，可归纳：,（2）fH和fL都是对应的回路时间常数 RC成反比的。,（1）转折频率fH和fL是频率响应的关键点。,（3）掌握用折线近似波特图表示放大电路的频率响应。,（4）放大器的频率响应可以分频区进行。,fH和fL是幅频响应的转折点；,0.1fH和10fH 、 0.1fL 和10fL是相频响应的转折点。
11、,f做分子时高频转折相移滞后,f做分母时低频转折相移超前,32,一般表达式。,低通频率响应,AVSM：中频响应,AVSM,相位滞后0-90,f在上面，很小时可省略虚部，不影响低频,上限转折频率,33,一般表达式。,高通频率响应,AVSM：中频响应,AVSM,下限转折频率,相位超前0-90,f在下面，很大时可省略虚部，不影响高频,34,低通,高通,重点：！,一般表达式。,35,全表示,AVSM,求频率特性的三要素：AVSM，fH，fL.,36,（1）低频区：考虑耦合电容和旁路电容，极间电容开路。,放大器的频率响应可以分频区进行,（2）中频区：耦合电容和旁路电容短路，极间电容开路。,（3）高频区：
12、考虑极间电容，耦合电容和旁路电容短路。,37,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,1. BJT的高频小信号模型,模型的引出,rbe 发射结电阻re归算到基极回路的电阻,Cbe 发射结电容,rbc 集电结电阻,Cbc 集电结电容,rbb 基区的体电阻,BJT的高频小信号模型,b是假想的基区内的一个点,b,rbb,rbe,Cbe,rbc,Cbc,re 发射区体电阻,rc 集电区体电阻,re ,rc,38,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,1. BJT的高频小信号模型,模型的引出,BJT的高频小信号模型,b,rbb,rbe,Cbe,rbc,Cbc,re 发射区体电阻,rc 集电
13、区体电阻,re ,rc,发射区体电阻和集电区体电阻很小可以略去,39,4.7.2 BJT的高频小信号模型及频率参数,1. BJT的高频小信号模型,模型的引出,互导 或跨导,几十毫西,导出BJT的高频小信号模型,由于结电容的影响，受控源：,受控于Vb e,40,由此可见gm是与频率无关的 0和rbe的比值，因此gm与频率无关。若IE=1mA，gm=1mA/26mV38mS。,gm称为跨导，还可写成,0 反映了三极管内部， 对流经 rbe的电流的放大作用。 是真正具有电流放大作用的部分，0 即低频时的。而：,41,简化模型,1. BJT的高频小信号模型,都是BJT放大时的等效反偏结电阻，所以很大,
14、可以开路,混合形高频小信号模型,42,2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得,低频时，混合模型与H参数模型等价,VT温度电压当量,43,又因为,2. BJT高频小信号模型中元件参数值的获得,低频时，混合模型与H参数模型等价,Q点上参数,受控电流源：,44,Cbc : 210pF(C),几十到几百pF(C),特征频率,其他参数的获得：,近似估算时，用器件手册上的Cob代替。,Cob是BJT接成共基极形式且发射极开路时，CB间的结电容。,45,三极管的高频等效模型,三极管结构：,Cbc : 210pF(C),几十到几百pF(C),特征频率,46,3. BJT的频率参数,由H参数可知,即,根据
15、混合模型得,低频时,所以,C节点，b支路方程,电流增益的高频表示,交流短路,47,令, 的幅频响应,共发射极截止频率,特征频率,共基极截止频率,3. BJT的频率参数, 的相频响应,48,特征频率,时的频率,得：,如果,由,得,则,发射结转折频率,BJT共射转折频率,49,f(10)fffT,BJT的共基极截止频率f 远大于共射极截止频率f,特征频率fT 常用于衡量BJT的高频特性,50,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,形高频等效电路,采用密勒定理拆分Cbc,51,密勒定理：,52,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,形高频等效电路,对节点 c
16、列KCL得,目标：断开输入输出之间的连接,53,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,形高频等效电路,称为密勒电容,54,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,同理，在c、e之间也可以求得一个等效电容CM2，且,1. 高频响应,形高频等效电路,55,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,形高频等效电路,56,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,形高频等效电路,目标：简化和变换,输出回路的时间常数远小于输入回路时间常数，考虑高频响应时可以忽略CM2的影响。,57,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,形高频等效
17、电路,目标：简化和变换,开路电压,等效内阻,58,4.7.3 单级共射极放大电路的频率响应,1. 高频响应,高频响应和上限频率,由电路得,电压增益频响,其中,中频增益或通带源电压增益,上限频率,59,1. 高频响应,高频响应和上限频率,RC低通电路,共射放大电路,频率响应曲线变化趋势相同,幅频响应,60,增益-带宽积,BJT 一旦确定，,带宽增益积基本为常数,1. 高频响应,当RbRs及Rbrbe时，有,带宽与增益成反比,频率特性的改善：合理调整带宽增益和电抗元件，选择fT大的BJT,61,例题,解：,模型参数为,低频电压增益为,又因为,所以上限频率为,62,2. 低频响应,低频等效电路,极间
18、电容开路,留下电路中的耦合电容、旁路电容,63,2. 低频响应,低频等效电路,Rb=（Rb1 | Rb2）远大于Ri,Re和Rb视为开路,64,2. 低频响应,低频等效电路,Ce和C1串联的,将Ce折算到基极回路：,，CeCb2,Ce对输出回路的影响忽略,65,中频区(即通常内)源电压增益,当,则,下限频率取决于,2. 低频响应,低频响应,当,66,2. 低频响应,低频响应,下限频率取决于,当 时，,相频响应 180arctan( fL1 / f) 180 arctan(fL1/f),幅频响应,67,2. 低频响应,低频响应,包含fL2的幅频响应,68,结论：电路中的每个电容在全频段放大时都将
19、增加一个衰减因子。,69,设fL1fL2，画出单级基本放大电路波特图，如图05.16所示。,图05.16 单级基本放大电路的波特图,70,4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应,1. 共基极放大电路的高频响应,高频等效电路,转成高频微变等效电路,保留结电容，短路耦合电容和旁路电容,71,4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应,1. 共基极放大电路的高频响应,高频等效电路,关系复杂需要化简,等同短路,72,4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应,1. 共基极放大电路的高频响应,高频等效电路,注意BJT内部的等效关系,73,4.7.4 单级共集电极和共基极放大电
20、路的高频响应,1. 共基极放大电路的高频响应,高频等效电路,74,高频响应,特征频率,1. 共基极放大电路的高频响应,其中,由于re很小,由于Cbc很小，fH2也很高。,没有密勒效应，高频转折频率很高。,75,76,4.7.4 单级共集电极和共基极放大电路的高频响应,2. 共集电极放大电路的高频响应,77,根据密勒定理可将rbe和Cbe分别折算，求Av(f)。,由于rbe很小与电容Cbe并联分压效果小，故Av(f) 1，密勒效应影响不大。,共集电极电路高频响应特性也较好,78,1. 多级放大电路的增益, 前级的开路电压是下级的信号源电压, 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗, 下级的输入阻抗是前
21、级的负载,4.7.5 多级放大电路的频率响应,79,2. 多级放大电路的频率响应,（以两级为例）,4.7.5 多级放大电路的频率响应,80,放大器频率响应小结：,信号有各自的频率分布，放大器有各自的频率响应。,若要放大器不失真放大信号，要求放大器中频响应范围覆盖信号的频谱分布。,影响放大器带宽的主要原因是电抗元件和结电容。,求放大器频率响应只要求出中频增益和高低转折频率。,一个电抗元件会制造一个转折频率。,放大器的增益带宽积为一常数=增益带宽成反比。,放大器的增益高频截止频率积为一常数。,81,82,83,*4.8 单级放大电路的瞬态响应,不作要求，有兴趣者自学,end,84,85,86,87,88,放大电路频率响应问题：,89,解：,将表达式化成标准式：,
