放大电路的频率响应

第四章放大电路的频率响应4.1频率响应的概念4.2晶体管的高频等效模型4.4单管放大电路的频率响应4.5多级放大电路的频率响应4.3场效应管的高频等效模型4.6放大电路的阶跃响应本章重点：2、单管共射放大电路混合π模型等效电路图、频率响应的表达式及波特图绘制。1、晶体管、场效应管的混合π模型。4.1频率响应的概念研究放大电路频率响应的必要性由于放大电路中存在电抗性元件及晶体管极间电容，所以电路的放大倍数为频率的函数，这种关系称为频率响应或频率特性。小信号等效模型只适用于低频信号的分析。本章将引入高频等效模型，并阐明放大电路的上限频率、下限频率和通频带的求解方法，以及频率响应的描述方法。频率响应的概念1.频率响应与通频带放大电路的电压放大倍数Au是频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。()()ouiUjAUj()()uuAAffAu(f)表示电压放大倍数的模与频率f的关系，称为幅频响应φ(f)表示放大电路输出电压与输入电压之间的相位差与频率f的关系，称为相频响应放大电路的对数频率特性称为波特图。2.通频带HLBWff在中频区各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍数Au基本上不随信号频率而变化，保持常数。在低频区，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使放大倍数下降；在高频区，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大倍数下降。AumHzffLfHAu0.707Aum2.通频带在绘制频率响应曲线时，常常采用对数坐标。幅频特性的纵坐标为，单位为分贝（dB）。相频特性的纵坐标仍为φ，不取对数。这时得到的频率响应曲线称为对数频率响应或波特图。20lg||uA-2020lgdBuA03dB-20dB/十倍频称20dB/十倍频称-400.1fLfL10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45o/十倍频称0.1fH（a）（b）（a）幅频响应（b）相频响应45o90ofH-45o/十倍频称在波特图中，放大器的下限频率fL和上限频率fH也就是中频电压增益下降3dB时所对应的两个频率。3.幅频失真和相频失真放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形产生失真，这种失真称为频率失真，又称为线性失真。频率失真又包括幅度失真和相位失真。幅度失真：是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而引起输出波形产生的失真。相位失真：是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而引起输出波形产生的失真。幅频失真和相频失真tOui基波uoOt基波二次谐波(a)幅频失真二次谐波基波二次谐波tOuituoO(b)相频失真基波二次谐波4.1.2RC电路的频率响应1.RC低通电路R1C1+_iUoU+_图5.3RC低通电路o1uH11111111iUjCAjRCURjC时间常数τH=R1C1，令HHH1111222fRCuHHH1111AfjjfuH2H11AffHHarctanff幅频响应：相频响应：uH2H11Aff（1）幅频响应：当ffH时，uH2H111Aff当ffH时，211HuHHfAfff-20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4RC低通电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应uHA随着f的上升，越来越小两条直线的交点fH称为转折频率。当ffH时，当ffH时，-20-4020lgdBuHA03dB-20dB/十倍频程0.01fH0.1fH10fHfHHzfHzfH-45o-90o0o-45O/十倍频程100fH（a）（b）图5.4RC低通电路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应(2)相频响应：HHarctanff当f=fH时，H0H9045OH随着f的上升，越来越小H可以利用RC低通电路来模拟放大电路的高频响应。2L20lg20lg1ufAf则有：,20lg20lg10dBHffAu当时，　HH20lg20lguffAff当时，　H20lg20lg23dBuffA当时，　放大电路的对数频率特性称为波特图。(3)低通电路的波特图uH2H11Aff对数幅频特性：0.1fHfH10fHfdB/lg20uA020403dB20dB/十倍频对数相频特性：fH10fH45º5.71º5.71º45º/十倍频90º0.1fH0f在高频段，低通电路产生0~90°的滞后相移。（3）低通电路的波特图2.RC高通电路时间常数τL=R2C2，令幅频响应：相频响应：图5.5RC高通电路+_iUoU+_R2C2o222uL222211iURjRCAjRCURjCLLL2211222fRCLLuLLL11fjjfAfjjfLuL2L1ffAffLLarctanff（1）幅频响应：当ffL时，当ffL时，uHA随着f的下降，越来越小LLuLLL11fjjfAfjjfLuL2LL1fffAfffLuL2L11ffAff当ffH时，当ffH时，(2)相频响应：当f=fH时，H0H9045OH随着f的下降，越来越小H可以利用RC高通电路来模拟放大电路的低频响应。LLarctanff2LL1lg20lg20lg20ffffAu则有：dB020lgLuAff时，　当LL20lg20lgufffAf当时，　dB32lg20lg20LuAff时，　当L2L1uffAff　放大电路的对数频率特性称为波特图。(3)高通电路的波特图对数幅频特性：实际幅频特性曲线：幅频特性当f≥fL(高频)，当ffL(低频)，1uA1uA高通特性：且频率愈低，的值愈小，低频信号不能通过。uA0.1fLfL10fLfdB/lg20uA020403dB最大误差为3dB，发生在f=fL处20dB/十倍频对数相频特性图5.1.3(a)相频特性5.71º45º/十倍频fL0.1fL10fL45º90º0f误差在低频段，高通电路产生0~90°的超前相移。5.71º45;90;0LLL时，时，时，ffffffL90arctanff相角：【小结】（1）电路的截止频率决定于电容所在回路的时间常数τ，即决定了fL和fH。（2）当信号频率等于fL或fH放大电路的增益下降3dB，且产生+450或-450相移。（3）近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。4.2晶体三极管的高频等效模型4.2.1高频混合π型等效模型的引出cbrceCμCπebbrberbemgUbIcIbbcrbeUrceCπCμceUbeUbcebebIcIbemgUberbcrbbr（a）三极管的结构示意图（b）三极管混合π型等效模型图5.7三极管的混合π型等效模型（a）（b）eI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Cμ的容抗，因而可认为rce和rb’c开路。cbrceCμCπebbrberbemgUbIcIbbcrbeUrceCπCμceUbeUbcebebIcIbemgUberbcrbbr（a）三极管的结构示意图（b）三极管混合π型等效模型图5.7三极管的混合π型等效模型（a）（b）eI1.完整的混合模型cIbIbeU高频时由于结电容的影响和，已不能保持正比关系，所以用放射结上的电压来控制集电极电流Ic,bemgU用电流源来表示基极回路对集电极回路的控制作用。gm为低频互导：CECEccmbebeUUiiguuceCπCμbemgUbbrberbeUbeUceUcIbIbeb简化混合π型等效模型2.简化的混合模型4.2.2混合π型等效模型参数的获得rbebemgUberbbrceUbeUbeUcIcIbIbIbIbeUceUcebebeceb两种等效模型的比较（b）H参数模型（a）低频时的混合模型πbembgUIbebbeUIrmbegrTbemE(1)UrgIEEmbeT26mVIIgrUbebbberrrbbbeberrr【结论】这样，混合π型等效模型中，除Cπ和Cμ外的全部参数都可以通过H参数求出，Cμ的数值可以从手册中查到，手册中提供的Cob值近似为Cμ。而Cπ值不能直接从手册中查到，可按下列公式计算式中fT是三极管的特征频率，可由手册直接给出。通常，例如，一个三极管的Cπ=100pF，而Cμ=3pF。三极管的高频响应取决于混合π型等效模型的参数gm、rb’c、rb’e、Cπ和Cμ。而这些参数又可用β、rbe、fT和Cob来表示。因此，我们可以用β、rbe、fT和Cob来衡量三极管的高频性能。同时，通过上述分析可知，混合π型等效模型的参数不仅与静态工作点有关，还与温度有关。mπT2gCf4.2.3三极管的频率参数1.共射极截止频率fβcec0bUII三极管的频率参数是用来描述管子对不同频率信号的放大能力。常用的频率参数有共射极截止频率fβ、特征频率fT、共基极截止频率fα等。4.2.3三极管的频率参数1.共射极截止频率fβbecmπ()IgjCUπCμCbeUberbbrbebcbemgUcIbI图5.10计算的模型πCIbebbeπμ11////UIrjCjCcmπbπμbe1()IgjCIjCCrmbeμπbe1()grjCCr0μπbe1()jCCr0mbegrμbeπ11222()frCC01fjf（截止频率）01fjf其模值为02||1fff/HzfT20lg||dB020lgf0-20dB/十倍频程图5.11的幅频响应共射接法交流短路电流放大系数βffjCrjeb1100β的对数幅频特性与对数相频特性20)(1lg20lg20lg20ffffarctan201lg20lg20lg20ff的波特图图4.2.5　对数幅频特性fTfdB/lg20Of20lg020dB/十倍频f0对数相频特性10f0.1f45º90ºffarctan2.特征频率fTf/HzfT20lg||dB020lgf0-20dB/十倍频程图5.11的幅频响应0TffmTπμ2()gfCC一般CCμπ，故mTπ2gfCfT的典型数据约在100~1000MHz之间。201lg20lg20lg20ff3.共基极截止频率fα利用β与α的关系可得：0000000111111(1)1fjfffjjfffjf令00010T(1)fff01fjf可得：1.共射截止频率f值下降到0.7070(即)时的频率。021当f=f时，00707.021)dB(3lg202lg20