第5章放大电路的频率响应

第五章放大电路的频率响应5.1频率响应概述5.2晶体管的高频等效模型5.4单管放大电路的频率响应5.5多级放大电路的频率响应5.3场效应管的高频等效模型5.6集成运放的频率响应和频率补偿童诗白第四版童诗白第四版本章重点和考点：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。本章教学时数：6学时童诗白第四版本章讨论的问题：1.为什么要讨论频率响应？如何制定一个RC网络的频率响应？如何画出频率响应曲线？2.晶体管与场效应管的h参数等效模型在高频下还适应吗？为什么？3.什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何确定放大电路的通频带？4.如果放大电路的频率响应，应该怎么办？5.对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？6.为什么集成运放的通频带很窄？有办法展宽吗？5.1频率响应概述5.1.1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。第五章放大电路的放大倍数是信号频率的函数。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。第五章电路的耦合电容:构成高通电路，信号频率足够高时可以几乎毫无损失地通过，而对于频率足够低的低频信号，电容的容抗不可忽略，导致放大倍数下降并且产生相位移。半导体极间电容:构成低通电路，对频率足够低的低频信号相当于开路，对电路不产生影响，而信号频率高到一定程度时，极间电容将分流，导致电路放大倍数下降并且产生相位移。5.1.2频率响应的基本概念分压原理iggiORRRUU输入电压经过分压，输出得到的电压降低了第五章下面对无源单级RC电路加以分析+_+_RiRgiUOU+_+_CRiUOU+_+_CRiUOU“电容不过是一个阻值随频率变化的电阻，因此相当于一个依赖频率的分压器”积分电路微分电路在1τ时，输出电压是输入电压的63.2%一、高通电路+_+_CRiUOU图5.1.1（a)RC高通电路RCCRRUUAuj111j1iO令RCfRC2121211LLLLLLLu11111ffjffjjffjA2LL1ffffAu模：　)(arctan90Lffo相角：fL称为下限截止频率第五章则ω为输入信号角频率，RC为回路时间常数τ从笛卡尔坐标形式到极坐标形式的转换2LL1lg20lg20lg20ffffAu则有：dB020lgLuAff时，　当LLLlg20lg20lg20ffffAffu时，　当dB32lg20lg20LuAff时，　当2LL1ffffAu　放大电路的对数频率特性称为波特图。第五章对数幅频特性：实际幅频特性曲线：图5.1.3(a)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40-3dB最大误差为3dB，发生在f=fL处20dB/十倍频第五章近似分析中，可以用折线化的近似波特图表示放大电路的频率特性。以截止频率fL为拐点，由两段直线近似曲线对数相频特性图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，ffffff)(arctan90Lff相角：第五章以10fL和0.1fL为拐点，由三段直线近似曲线二、RC低通电路的波特图图5.1.2RC低通电路图+_+_CRiUOURCjCjRCjUUA1111iouRCfRC212,1,HHH则令HH1111ffjjAu2H11ffAuHarctanfffH称为上限截止频率第五章图5.1.3(b)低通电路的波特图对数幅频特性：0.1fHfH10fHfdB/lg20uA02040-3dB20dB/十倍频对数相频特性：fH10fH45º-5.71º5.71º45º/十倍频90º0.1fH0f在高频段，低通电路产生0~90°的滞后相移。第五章以截止频率fH为拐点，由两段直线近似曲线以10fH和0.1fH为拐点，由三段直线近似曲线Hlg20ffffH时当小结（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。第五章5.2.1晶体管的混合模型一、完整的混合模型图5.2.1晶体管结构示意图及混合模型5.2晶体管的高频等效模型(a)晶体管的结构示意图(b)混合模型ebU第五章考虑发射结和集电结电容的影响，得到高频信号作用下的物理模型，称为混合π模型。图5.2.1晶体管结构示意图及混合模型第五章rc和re分别为集电区体电阻和发射区体电阻，数值较小，常常忽略不计。Cμ为集电结电容，rb’c为集电结电阻，rbb’为基区体电阻，Cπ为发射结电容，rb’e’为发射结电阻。由于Cπ和Cμ的存在，使的大小、相位均与频率有关，即电流放大系数是频率的函数，记作。bcII和gm为跨导，描述的控制关系，即cebIU对'ebmcUgI'二、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Cμ的容抗，因而可认为rce和rb’c开路。(b)混合模型ebU图5.2.2混合模型的简化(a)简化的混合模型第五章Cμ跨接在输入与输出回路之间，电路分析变得相当复杂。常将Cμ等效到输入回路和输出回路，称为单向化。单向化靠等效变换实现。设Cμ折合到b’-e间电容为C’μ，折合到c-e间的电容为C’’μ第五章密勒定理：用两个电容来等效Cμ，分别是接在b-e和c-e两端的C’μ和C’’μ。等效电容的求法在图(a)电路中,从b’看进去Cμ中流过的电流为ebceebceeb'μ'μ'μ;)1(UUKXUKXUUICCCKXXUKUIUX1)1(μμ''μ''μCCebebCebC第五章为保证变换的等效性，要求流过的电流仍为，而它的端电压为，因此的电抗为'μCμCIeb'U'μC在近似计算时，取中频时的值，所以||=，说明是的（1+||）分之一，因此KKKμCXμCXK;)1()1(μCKCKC间总电容为eb'CK1CCC）（＝C图5.2.2简化混合模型的简化(b)单向化后的混合模型图5.2.2简化混合模型的简化(C)忽略C／／μ的混合模型因为Cπ＞＞，且一般情况下。的容抗远大于集电极总负载电阻R’L，中的电流可忽略不计，得简化模型图（C）。C’π=Cπ+C’μuCuCuC第五章CKKC1用同样的方法可以得出三、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。EQbbbeebbb26)1(ImVrrrrEQ0bbbeeb26)1(Imvrrrb0ebbmebmIrIgUgIcmVIrg26EQeb0mCμ可从手册中查得Cob，Cob与Cμ近似相等。第五章Cπ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。是电路的电压放大倍数，可以通过计算得到。K5.2.2晶体管电流放大倍数β的频率响应当信号频率发生变化时，电流放大系数β不是常量，而是频率的函数。CEUIIbc电流放大系数的定义：从混合π等效模型可以看出，管子工作在高频段时，若基极注入的交流电流Ib的幅值不变，则随着信号频率的升高，b’-e间的电压Ub’e的幅值将减小，相移将增大；从而使IC的幅值随Ub’e线性下降，并产生与Ub’e相同的相移。第五章它表明是在c–e间无动态电压,即c–e间短路时动态电流与之比,故=0。cIbIK（1+||）Cμ=Cπ+Cμ与5.1.5的形式完全一样，说明的频率响应与低通电路相似为的截止频率，称为共射截止频率。则的对数幅频特性和对数相频特性为令，则f=fT，由此可求出fT的频率响应式为fα称为共基截止频率。fT是下降到1（即0dB）时的频率，fT称为特征频率201lg20lg20lg20ff的波特图图3.2.5　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第五章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(3lg202lg20lg20lg2000值下降到中频时的70%左右。或对数幅频特性下降了3dB。几个频率的分析第五章2.特征频率fT值降为1时的频率。1ffT时，，三极管失去放大作用；ffT时，由式；112T0ff得：ff0T第五章3.共基截止频率f值下降为低频0时的0.707时的频率。ffj10第五章f与f、fT之间关系：因为，1ffj10可得ffffff)1(j11/j11/j100000比较，可知与ffj10Tfff)1(10000第五章说明：ff)1(10000，因为：所以：1.f比f高很多，等于f的(1+0)倍；可见共基电路的截止频率远高于共射电路的截止频率，因此共基放大电路可作为宽频带放大电路。2.ffTf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。第五章5.3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图5.3.1场效应管的高频等效模型（a)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，使电路单向化第五章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)(1LmgddsdsRgKCKKCC　　　由于输出回路的时间常数比输入回路的小得多，故分析频率特性时可忽略的影响。dsC)()1(LmgdgsgsRgKCKCC　　图5.3.1场效应管的高频等效模型(b)简化模型第五章gmrdsrgsCgsCgdCds(mS)(Ω)(Ω)(pF)(pF)(pF)结型绝缘栅型0.1~101051071~101~100.1~10.1~201041091~101~100.1~1场效应管的主要参数管型5.4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C1Rb+VCCC2Rc+++Rs+~SUOUiU+图5.4.1单管共射放大电路中频段：各种电抗影响忽略，Au与f无关；低频段：隔直电容压降增大，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。第五章考虑耦合电容和结电容的影响图5.4.1单管共射放大电路及其等效电路一、中频电压放大倍数中频等效电路如下图5.4.2耦合电容可认为交流短路；极间电容可视为交流断路。输入电阻中频放大倍数图5.4.2空载时为已知则低频信号作用时耦合电容C的影响，视