模拟电子技术基础-放大电路频率响应课件

第5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§5.3场效应管的高频等效模型§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§5.6频率响应与阶跃响应（自学）§5.7Multisim应用举例（自学）基本知识点：高通电路及低通电路的频率响应、波特图、晶体管高频等效电路模型、单管放大电路的频率响应及多级放大电路的频率响应。重点：波特图、晶体管高频等效电路模型、单管放大电路的频率响应。难点：单管放大电路及多级放大电路的波特图分析。5.1频率响应概述重点：了解频率响应的分析方法，掌握RC电路频率响应的波特图实际放大电路的放大倍数是频率的函数，通频带fbw=fH-fL。不同的放大电路频带宽度不同，因为三极管结电容在高频信号的作用下产生分流效应，使三极管输出电压减小。对于阻容耦合电路，输入端和输出端的耦合电容在低频信号的作用下，耦合电容会产生分压效应，使三极管的输入电压减小，从而减小放大电路的输出电压。即耦合电容使放大电路具有下限频率，三极管的结电容使放大电路具有上限频率。频率太低时耦合电容造成放大倍数下降频率太高时三极管结电容造成放大倍数下降实际的输入信号大多含有许多频率成分，占有一定的频率范围。音频信号的频率范围为20Hz~20kHz；语音信号的频率范围为300Hz~3400Hz；射频(RF)信号的频率范围为30kHz~3000GHz(长波：30~300kHz；中波：300kHz~3MHz；短波：3~30MHz；超短波：30~300MHz；微波（分米波）：300MHz~3GHz；微波（厘米波）：3~30GHz；微波（毫米波）：30~300GHz；微波（亚毫米波）；300~3000GHz)。放大倍数与相移均是频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性。一、RC高通电路的频率响应1、电压传递函数及电压传递系数RC高通电路和RC低通电路，它们的频率响应可分别用来模拟放大电路的低频响应和高频响应。在频率响应分析中，常常用到复频率s=j)()()(sUsUsAiou电压传递系数定义)()()(fUfUfAiou电压传递函数定义图5.1.1高通电路(P221)sRCsRCsCRRsUsUsAiou11)()()(fRCjfRCjfUfUfAiou212)()()(单时间常数的RC高通电路令RCfL21ffjffjffjfALLLu111)(得称为电路的频率响应电压传递系数的模称为电路的幅频特性电压传递系数的相角称为电路的相频特性2)(1|)(|LLufffffALffarctg0902、幅频特性分析当信号频率较大时，如ffL，则|Au(f)|=1；当信号频率较低时，如f=0，则|Au(f)|=0；当信号频率f=fL时，|Au(f)|=0.707，所以fL即为高通电路的下限截止频率；当信号频率ffL时，|Au(f)|≈f/fL。幅频特性曲线3、相频特性分析当信号频率较大时，如ffL,则=0；当信号频率较低时，如f=0，则=900；当信号频率f=fL时，=450。相频特性曲线输入信号频率ffL时，输出信号与输入信号无相位差，当f接近fL时，输出信号的相位超前输入信号的相位，当ffL时，输出信号比输入信号的相位最大可超前900。4、波特图在放大电路的频率响应分析中，幅频特性曲线常用对数将频率响应曲线画成折线形式称为波特图，相应地相频特性也画成折线形式。RC高通电路的波特图幅频特性用两段折线表示，拐点在f=fL处，ffL时，增益为0dB，ffL时，增益以（20dB/十倍频）的速率下降。相频特性用三段折线表示，拐点有两个，f=10fL和f=0.1fL。f10fL时，相角为0；f0.1fL时相角为900；0.1fLf10fL时，相角为从900到0直线下降，其中f=fL时，相角等于450。二、RC低通电路的频率响应图5.1.2低通电路(P222)单时间常数RC低通电路sRCsAsCRsCsAuu11)(11)(fRCjfAu211)(令RCfH21得HuffjfA11)(称为低通电路的频率响应)()(11|)(|2HHuffarctgfffA幅频特性2)(11|)(|HufffA当信号频率较小时，如ffH，|Au(f)|=1，20lg|Au(f)|=0dB；当信号频率很大时，如ffH，|Au(f)|=0，20lg|Au(f)|=-；当信号频率f=fH时，|Au(f)|=0.707，20lg|Au(f)|=-3dB,所以fH即为低通电路的上限截止频率；当ffH时，|Au(f)|≈fH/f，20lg|Au(f)|以-20dB/十倍频的斜率下降。3、相频特性分析)(Hffarctg当信号频率较小时，如ffH，=0；当信号频率很大时，如ffH，=-900；当信号频率f=fH时，=-450。即输入信号频率ffH时，输出信号与输入信号无相位差，当f接近fH时，输出信号的相位落后输入信号的相位，当ffH时，输出信号的相位比输入信号的相位最大可落后900。波特图图5.1.3低通电路波特图（P225）由RC高、低通电路的分析可得到普遍意义的结论：(1)电路的下限截止fL和上限截止频率fH由电容所在回路的时间常数RC决定；(2)当电路的频率等于截止频率时，输出信号与输入信号产生+450或-450的相移，且增益下降-3dB；(3)电路的频率特性可用拆线化的波特图来描述。5.2晶体管的高频等效模型重点：了解三极管的高频物理模型，掌握简化的高频等效电路三极管在高频信号的作用下，必须考虑极间结电容的影响，因此三极管放大电路的高频等效模型与低频等效模型不同，但高频等效模型在频率较低时，应与低频等效模型一致。所以三极管的高频等效模型以三极管的H参数低频等效模型为基础，引入极间电容效应，结合半导体物理结论，获得较接近实际的高频等效电路。一、晶体管的混合π型高频小信号模型1、晶体三极管的物理结构5.2.1晶体管结构示意图及混合π模型(P226)发射结结电容C一般在几十到几百pF范围。集电结结电容Cμ一般在2~10pF集电结反偏电阻rb’c一般在几百kΩ~MΩ2、晶体管混合π型高频小信号模型5.2.1晶体管结构示意图及混合π模型(P226)受控电流源由半导体理论获得为无论是高频还是低频，受控电流源都可由这个公式计算，gm称为互导或跨导，其值约为几十mS，可由低频等效电路得到互导与低频电流放大系数的关系ebmUgTEQebmUIrg//0β0为直流电流放大倍数即低频电流放大倍数集电极与发射极间的rce电阻即为低频等效模型中参数h22的倒数，一般在几百千欧姆以上，在低频电路中常常认为负载电阻较小，视为开路，高频电路中也如此。3、简化的混合π型高频小信号模型1)电阻参数的简化高频信号作用下集电极反偏电阻比容抗要大得多，可视为开路。集射电阻rce比负载大得多的情况下也可视为开路，第一步简化图为图5.2.2混合π模型的简化（P227）2)结电容的单向化简化由电路分析理论可将集电结电容等效变换到输入回路和输出回路两个电容构成，分别为CCUUKCKCbece）（||图5.2.2混合π模型的简化（P227）由于集电结结电容较小，其容抗一般比负载RL的阻值要大，所以等效到输出回路的电容可视为开路。令CCC得最后的简化电路为图5.2.2混合π模型的简化（P227）二、晶体管电流放大倍数的频率响应当基极电流的大小不变时，随着频率的升高，输入回路的容抗将减小，使电压减小，则Ic将减小，从而导致电流放大倍数下降。由输入输出回路可导出ebUCrjCjrrCjrUUgIIcbebebebebebmbc1)1//(1//00令得ffj10Crfcb2120)(1||fff为电流放大倍数的上限截止频率在三极管的性能参数中查得到的是特征频率fT，fT为β下降到1时的频率，与上限截止频率的关系为ffT0根据电流放大倍数β的数学式可画出其频率特性曲线，其波特图为图5.2.4电流放大倍数的波特图（P229）三极管手册上给出参数是fT和β00Tff如常用三极管9013，0为64~300，fT=150MHz如高频三极管9018H，0=97~146，fT=1100MHz若取0=120，则f=1100/120=9.1MHz若取0=200，则f=150/200=0.75MHz=750kHz如要放大100MHz的信号（调频广播电台频率为88~108MHz）高频三极管BFG591，0为60~250，fT=7GHzMHzHzffT1161016.1601078905.3场效应管的高频等效模型场效应管其极间电容有三个，栅源电容Cgs，栅漏电容Cgd，漏源电容Cds。栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd一般都在1～10pF,漏源电容Cds更小，一般在0.1～1pF。将栅漏电容等效到栅源与漏源之间，则等效到栅源之间的电容与放大倍数成正比，等效到漏源之间的电容仍与原来的大小等量，所以简化的高频等效电路为图5.3.1场效应管的高频等效模(P230)高频上限截止频率比较大，所以场效应管的高频特性比晶体管的高频特性好。高频上限截止频率为gssHCRf215.4单管放大电路的频率响应分析放大电路的频率特性从低频到高频需要将频率分为三个区即低频、中频及高频区。在不同的频率范围，对应不同的等效电路，即有低频等效电路、中频等效电路及高频等效电路。以单管共射放大电路为例，分析单管放大电路的频率响应函数及波特图。图5.4.1单管共射放大电路及其等效电路(P231)一、中频等效电路及中频电压放大倍数设放大电路输入信号为三极管中频信号，所谓中频，即三极管结电容在此频段内可视为开路，耦合电容可视为短路，则中频等效电路为图5.4.2单管共射放大电路的中频等效电路(P232)LcmebebSiisousmLcmebebSSiiLcebebSSiimLcebmoebebSSiiebbbebiebbbebbeebSSiibeiRRgrrRRRUUARRgrrURRRRRrrURRRgRRUgUrrURRRrrrUrrrUUURRRUU////////与第2章电路分析不矛盾beLcebmbeLcumrRRrgrRRA////00180||LbeebmsiiusmRrrgRRRA二、低频等效电路及低频电压放大倍数低频等效电路为图5.4.3单管共射放大电路的低频等效电路（P232）CRRjRgrrURRRCRRjRUgRRCjRRUgUrrURRRrrrUrrrUUURRRUULcLmebebSSiiLcLebmLLccebmoebebSSiiebbbebiebbbebbeebSSiibei)(11)(111CRRjCRRjACRRjrRgrRRRrCRRjRrgRRRUUALcLcusmLcbeLmebSiibeLcLebmSiiSousl)(1)()(111)(11令CRRfCRRLcLcL)(21)(得低源频电压放大倍数为ffjAffjffjAALumLLusmusl11LLLLusmuslffarctgffarctgffarctgffAA0000290)90(180180)(1||||幅频特性分析])(1lg[10||lg20)(1||lg20||lg2022ffAffAALusmLusmusl在高频段，如ffL时||lg20||lg20usmuslAA当f=fL时dBAAusmusl3||lg20||lg20