第三章多级放大电路与频率响应

1第三章多级放大电路与频率响应3.1多级放大电路一、多级放大电路(一)多级放大电路的组成图3-1多级放大电路的组成框图2一、多根据每级所处的位置和作用的不同，多级放大电路大致可分为三部分：输入级、中间级和输出级。输入级（前置级）：一般要求有较高的输入阻抗，使它与信号源相接时，索取电流很小。所以常采用高输入阻抗的放大电路，如射极输出器、场效应管放大电路等。中间级：一般承担着主要的电压放大的任务，故称之为电压放大级，常采用共射电路。输出级：为适应负载变动而输出电压不变的要求，选用输出电阻较小的共集电路为宜。有时为了向负载供给足够大的功率，往往在输出级前面再加上一级推动级(也称末前级)。3二、级间耦合方式在多级放大器中各级之间、放大电路与信号源之间、放大电路与负载之间的连接方式称耦合方式。对级间耦合电路的要求：一是耦合电路必须保证信号通畅地、不失真地传输到下一级，尽量减少损失；二是保证各级有合适的静态工作点。4图3-2三种级间耦合方式(a)直接耦合；(b)阻容耦合；(c)变压器耦合5(二)耦合方式多级放大电路的耦合方式通常有三种：直接耦合、阻容耦合及变压器耦合。1.直接耦合级与级之间直接连接。（1）优点：传递直流或交流等各种信号，频率特性好，易于集成。（2）缺点：各级静态工作点互相影响，电路的设计和调试比较复杂。出现零点漂移现象，抑制零漂的方法：1、选用优质元件2、采用温度补偿3、调制方法4、差动放大63.变压器耦合级与级之间利用变压器传递交流信号。（1）优点:匹配好、耗能少、Q点独立、可阻抗转换（2）缺点:频带窄、体积大、笨重、非线性失真大、只传递交流、无法集成2.阻容耦合多级放大电路级与级之间，通过电阻和电容连接起来传送信号，（1）优点：各级静态工作点彼此独立，互不影响。（2）缺点：只传递交流、不易集成和匹配、低频响应不好。这种耦合方式在分立元件交流放大电路中却获得了广泛应用。7三、多级放大电路的性能指标(一）放大倍数:Au＝Au1×Au2×Au3×…×Aun(3-1)在计算前一级的放大倍数时,应将后级的输入电阻作为前一级负载或将前一级作为后一级的信号源来考虑,其电压为前一级的开路电压，内阻为前一级的输出电阻。(二)输入电阻、输出电阻:ri→输入级ri1ro→输出级ron注意:输入级为CC，rI还和下一级有关输出级为CC，ro还和前一级有关(三)输出、输入电压的相位关系:(﹣1)ⁿ,n为电路中共射电路的级数。共集、共基电路同相位。83.2放大电路的频率响应一、基本概念(一)幅频特性与相频特性共射基本放大电路为例建立频率特性的一般概念。将放大电路对不同频率正弦信号的稳态响应称放大电路的频率响应，简称频响或频率特性。频率特性包括幅频特性与相频特性两部分：描写放大倍数之模与频率的关系曲线称幅频特性；而描写相位与频率的关系曲线称相频特性。9图3-9共射电路的频率响应(a)共射基本放大电路；(b)幅频特性；(c)相频特性10(二)中频段、低频段和高频段当全面分析频率响应时，常分为三个频段进行：中频段、低频段与高频段。中频段是指在通频带以内的频率范围。各种容抗影响极小，可忽略不计。此时电压放大倍数基本上是一个与频率无关的常数，用表示。除了晶体管的反相作用外，无其他附加相移，所以中频电压放大倍数的相角Φ=–180°。低频段是指的频率范围。耦合、旁路电容的容抗不可忽略,损耗一部分信号,使放大倍数下降ÀusL,相移超前90°.高频段是指的频率范围。引起高频段放大倍数下降的原因有两个：一方面三极管的极间电容及接线电容起作用，将信号旁路掉一部分；另一方面，晶体管的值也随频率升高而减小，从而使电压放大倍数下降。相移滞后90°。()LHfffuMALffHff11(三)下限频率fL、上限频率fH及通频带fbw2工程上规定，当放大倍数下降到中频值的0.707(即)时所对应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL及上限频率fH。在f=fH(或f=fL)时，其输出功率只有中频功率的一半。因此，fH及fL亦称为半功率频率。定义上限频率fH与下限频率fL之间的频率范围为通频带fbw。其实fHfL，则fbw=fH-fL≈fH(3-3)通频带的宽度表征放大电路对不同频率输入信号的响应能力，是放大电路的重要技术指标之一。12(四)频率失真与相位失真由于放大电路对不同频率信号的放大倍数不同而产生的波形失真，称作频率失真。同样，当放大电路对不同频率的信号产生的相移不同时产生的波形失真叫相位失真。图3-10频率失真与相位失真(a)频率失真；(b)相位失真13(五)增益带宽积定义为放大电路的中频增益幅值和通频带乘积的绝对值，即增益带宽积=(3-4)由理论分析推导知usMbWAf可见，欲使增益带宽积大，必须选用Cμ及rbb′小的高频管。当管子选定后，增益带宽积大体上就一定了。因此，若把放大倍数提高几倍，通频带也几乎变窄同样的倍数，即增益带宽积为一个常数。14二、波特图做图时不是用逐点描绘曲线，而是采用折线近似的方法画出的对数频率特性，通常称为波特图。就是横坐标频率f采用lgf对数刻度，这样将频率的大幅度的变化范围压缩在一个小范围内(例如用1～6代表10～106)，幅频特性的纵坐标电压增益，用分贝(dB)表示为20lgA，(当A从10倍变化到103倍时，分贝值只从20变化到60)。这样绘出的20lgA−lgf的关系曲线称为对数幅频特性。而相频特性的纵坐标相移Φ采用线性刻度，绘制出的Φ−lgf关系曲线称为对数相频特性。两者合起来，称为对数频率特性。(一)什么是波特图15(二)波特图的画法1.一般画法(1)中频段画波特图时，分三个频段进行，先画幅频特性，顺序是中频段、低频段和高频段。将三个频段的频率特性(或称频率响应)合起来就是全频段的幅频特性，然后再根据幅频特性画出相应的相频特性来。中频时电压放大倍数的表达式为，它是一个与频率无关的常数，其波特图就是一条水平线。'iusMgmcSirAPRRr16(2)低频段低频时电压放大倍数是频率的函数，它的表达式是一个复数，即其中将表达式用模和相角来表示，得(3-6)总相角为(3-7)现在，我们用折线近似的方法，画低频段的幅频特性和相频特性。1ouSMuSLLsUAAfUjf112()LSifRrC0180arctanLffuSM2|A|1()uSLLAffuSLA17图3-11低频段对数频率响应(a)低频对数幅频特性；(b)低频对数相频特性18(3-8)先看式(3-8)中的第二项。ffL时，将式(3-6)两边取对数，得因此，它将以横轴作为渐近线；当ffL时，其渐近线也是一条直线，该直线通过横轴上f=fL的一点，斜率为20dB/十倍频程，即当横坐标频率每增加十倍时，纵坐标就增加20dB。20lg20lg20lgAuSLuSMLAA220lg1()020lg20lgLLLffffff220lg1()0Lff19可以证明，这种折线近似带来的误差不超过3dB，发生在f=fL处。再来分析低频段的相频特性，当ffL时，arctan趋于0，则Φ=–180°；当ffL时，arctan趋于90°，则Φ≈–90°；当f=fL时，arctan=45°，Φ=–135°。为了作图方便，可以用以下三段直线构成的折线近似低频段的相频特性曲线，如图3-11(b)所示。f≥10fL时，Φ=–180°；f≤0.1fL时，Φ=–90°；0.1fLf10fL时，斜率为–45°/十倍频程的直线。可以证明，这种折线近似的最大误差为±5.71°，分别发生在0.1fL和10fL处。20(3)高频段高频段电压放大倍数表达式及fH计算公式：将表达式也用模和相角表示，即(3-9)总相(3-10)对式(3-9)两边取对数，得(3-11)利用与低频时同样的方法，可以画出高频段折线化的对数幅频特性和相频特性。折线近似的最大误差为3dB，发生在f=fH处。1uSMuSHHAAfjfuSHA'12RCHfuSM2|A|1()uSHHAff0180arctanHff220lg20lg20lg1()AuSHuSHHfLAAf21(4)完整的频率响应曲线共射基本放大电路在全部频率范围内放大倍数表达式，即图中的“ss”符号为任意延长符号。0dB只代表纵坐标的坐标原点，而不代表横坐标的坐标原点。频率坐标f也用对数刻度。(1)(1)uSMusLHAAffjjff最后将共射基本放大电路折线化对数频率响应(波特图)的作图原理及步骤归纳如下。22作图步骤：波特图的作图原理是抓住两个趋势(左趋势、右趋势)，一个特殊点(拐点)，取十倍频程。①根据电路参数及计算公式先求出中频电压放大倍数AuSM、下限频率fL和上限频率fH。②在幅频特性的横坐标上，找到对应于fL和fH的两点；在fL与fH之间的中频区作一条LA=20lgAuSM的水平线；从f=fL点开始，在低频区作一条斜率为20dB/十倍频程的直线折向左下方；又从f=fH点开始，在高频区作一条斜率为－20dB/十倍频程的直线折向右下方。以上三段直线构成的折线即是放大电路的幅频特性。23在10fL至0.1fH之间的中频区，Φ=－180°；当f0.1fL时，Φ=–90°；当f10fH前，Φ=–270°；在0.1fL至10fL之间以及0.1fH至10fH之间，相频特性分别为两条斜率为–45°/十倍频程的直线。以上五段直线构成的折线就是放大电路的相频特性。③再画相频特性。24图3-12高频段对数频率响应(a)高频对数幅频特性；(b)高频相频特性图3-13波特图的一般画法(a)幅频特性；(b)相频特性252.归一化画法图3-14波特图的归一化画法(a)幅频特性；(b)相频特性电压放大倍数表达式采用归一化方法表示，即求下面的比值(3-12)与一般画法相比较，所不同的是在第一步只需计算fL及fH两个要素就行了，无需计算中频电压放大倍数AuSM。此时，中频段的幅频特性就是一条与横坐标(0dB)相重合的水平线。相当于把一般画法中的中频段特性向下平移了AuSM倍(或20lgAuSMdB)。在相频特性中，纵坐标必须用附加相移ΔΦ表示。所谓附加相移就是指除晶体管反相(–180°)作用以外的相移。1(1)(1)uSLuSMHAffAjff26三、多级放大电路的频率特性(一)多级放大电路的幅频特性与相频特性如前所述，多级放大电路总的电压放大倍数为各单级放大倍数的乘积，即n=0,1,2…将上式取绝对值后再取对数，就可得到多级放大电路的对数幅频特性。多级放大电路的总相移为(3-15)1nk1AnuuucunkAAAA1220lg20lg20lg20lg20lg||ukuuuunAAAAA121nnkk27以上表达式中的和分别为第k级放大电路的放大倍数和相移。多级放大电路的对数增益等于各级对数增益之和，而相移也是等于各级相移之和。根据叠加原理，只要把各级特性曲线在同一横坐标上的纵坐标相加，就可描绘出多级放大电路的幅频特性与相频特性。ukAk28图3-17两级放大电路幅频特性曲线与相频特性曲线的合成(a)幅频特性；(b)相频特性29(二)多级放大电路的上限频率和下限频率1.上限频率fH可以证明，多级放大电路的上限频率和组成它的各级上限频率之间的关系，由下面近似公式确定(3-16)其中，1.1为修正系数。一般级数越多，误差越小。2.下限频率fL计算多级放大电路的下限频率的近似公式为(3-17)其中，1.1也是修正系数。2221211111.1HHHHnffff222121.1LLLLnffff