电子技术基础模拟部分(第六版康华光)第6章 差分式放大与频率响应

《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学电信系张林2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6差分式放大与频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林36频率响应6.1放大电路的频率响应6.2单时间常数RC电路的频率响应6.3共源和共射放大电路的低频响应6.4共源和共射放大电路的高频响应6.5共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频响应6.6扩展放大电路通频带的方法6.7多级放大电路的频率响应*6.8单级放大电路的瞬态响应4华中科技大学张林6.1放大电路的频率响应1、需要放大的信号通常都包含许多频率成份。如话筒输出的语音信号（20Hz～20kHz），卫星电视信号（3.7～4.2GHz）等。2、放大电路中含有电抗元件或等效的电抗元件，导致对不同频率的信号放大倍数和时延不同。若信号中不同的频率成份不能被放大电路同等地放大（包括时延），则会出现失真现象（称为线性失真或频率失真）。两个现实情况5华中科技大学张林6.1放大电路的频率响应因此，放大电路对不同频率的输入信号具有不同的放大能力，即增益是输入信号频率的函数。放大电路对不同频率信号产生不同响应的根本原因前两章分析放大电路的性能指标时，是假设电路中所有耦合电容和旁路电容对信号频率来说都呈现非常小的阻抗而视为短路；FET或BJT的极间电容、电路中的负载电容及分布电容对信号频率来说都呈现非常大的阻抗而视为开路。输入输出放大电路)(fAV1、电抗元件的阻抗会随信号频率的变化而变化。2、放大电路中有耦合电容、旁路电容和负载电容，FET或BJT也存在PN结电容，此外实际电路中还有分布电容。6华中科技大学张林6.1放大电路的频率响应放大电路典型的频率响应曲线阻容耦合单级共源放大电路的典型频率响应曲线如图所示，其中图a是幅频响应曲线，图b是相频响应曲线。一般有fHfL03dB20lg|AV|/dB带宽f/HzfLfH中频区（通频带）高频区低频区f/Hz/0(a)(b)如果信号的所有频率成份均落在通频带内，则基本上不会出现频率失真现象。若已知信号的频率成份，要设计出满足要求的放大电路，最主要的任务就是设计出频率响应的fH和fL。7华中科技大学张林6.1放大电路的频率响应1、正弦稳态响应是分析频率响应的基本方法2、工程上常采用分段分析的简化方法。即分别分析放大电路的低频响应、中频（通频带）响应和高频响应，最后合成全频域响应。其中通频带内的响应与频率无关，就是前两章放大电路性能指标的分析结果。3、也可以用计算机辅助分析（如Spice等）的方法，获得放大电路精确的频率响应曲线。频率响应的分析方法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。具体包括：1、频率响应的分析方法2、影响放大电路频率响应的主要因素3、如何设计出满足信号频带要求的放大电路4、各种组态放大电路频率响应特点本章讨论的主要内容华中科技大学张林86.2单时间常数RC电路的频率响应6.2.1RC高通电路的频率响应6.2.2RC低通电路的频率响应9华中科技大学张林6.2.1RC高通电路的频率响应1.增益的传递函数R1+iVoVC1+RC高通电路11111ioL/1/1)()()(CRsssCRRsVsVsAVfsj2πj且令11Lπ21CRf又则)/j(11LioLffVVAV电压增益的幅值（模）2LL)/(11ffAV（幅频响应）电压增益的相角)/(arctanLLff（相频响应）10华中科技大学张林6.2.1RC高通电路的频率响应2.频率响应曲线描述最大误差-3dB时，当Lff1)/(112LLffAVdB01lg20lg20LVA时，当LffL2LL/)/(11ffffAV0分贝水平线)/lg(20lg20LLffAV幅频响应2LL)/(11ffAV20lg|LVA|/dB-40-200.1fLfL10fL100fLf/Hz020dB/十倍频3dB11华中科技大学张林6.2.1RC高通电路的频率响应2.频率响应曲线描述20lg|LVA|/dB-40-200.1fLfL10fL100fLf/Hz020dB/十倍频3dB时，当Lff时，当Lff相频响应0L90L时，当Lff45L时，当100.1LLfff十倍频的直线斜率为/45VVAVVAio低频时，输出超前输入因为io表示输出与所以输入的相位差。)/(arctanLLfff/Hz45900L-45/十倍频12华中科技大学张林6.2.2RC低通电路的频率响应R2+iVoVC2+RC低通电路幅频响应2HH)/(11ffAV相频响应)/(arctanHHff1.增益的传递函数22222ioH11/1/1)()()(CsRsCRsCsVsVsAV22Hπ21CRf13华中科技大学张林6.2.2RC低通电路的频率响应20lg|HVA|/dB-40-200.01fH0.1fHfH10fHf/Hz0-20dB/十倍频3dBf/Hz-45-900H-45/十倍频R2+iVoVC2+RC低通电路幅频响应2HH)/(11ffAV相频响应)/(arctanHHff输出滞后输入2.频率响应曲线华中科技大学张林146.3共源和共射放大电路的低频响应6.3.1共源放大电路的低频响应6.3.2共射放大电路的低频响应15华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数低频区内，电路中的耦合电容、旁路电容的阻抗增大，不能再视为短路。低频小信号等效电路+VDDCb2＋iDTBRddRg1gRg2sCb1＋Rs－VSSRsi＋－vsCsRLvo＋－－Rs＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.Csg2g1g||RRR16华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数为简化分析，设低频区内，有低频小信号等效电路－Rs＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.Cs－＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.Csss1RC则Rs可作开路处理17华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数定性讨论－＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.CsCb1所在的输入回路构成的是RC高通电路b11CRg上的电压||gsV输入回路18华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数定性讨论－＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.Cs输出回路也是高通电路，不过不是简单的单时间常数RC高通电路。||oV和s1Cb21C输出回路19华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数由电路可列出方程－＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.Cs由前两个方程得sb1gsiggj1VCRRRVgsmsggsj1VgCVVgsmb2LddLoj1VgCRRRRVsb1gsigsmgsmj1j111VCRRRCgVg20华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数代入第3个方程得源电压增益b1gsigsmb2LddLsoSLj1j111j1CRRRCgCRRRRVVAVb1gsismb2LdsiggLdm)(j111j11)(j111)||(CRRCgCRRRRRRRg21华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数令b1gsismb2LdsiggLdmSL)(j111j11)(j111)||(CRRCgCRRRRRRRgAVsiggLdmSM)||(RRRRRgAVb1gsiL1)(π21CRRfsmL22πCgfb2LdL3)(2π1CRRff2π且通带内（中频）增益，与频率无关Cb1引起的下限截止频率Cs引起的下限截止频率Cb2引起的下限截止频率22华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应1.增益的传递函数其中第1项是与频率无关的通带内源电压增益后三项分别是3个与6.2节RC高通电路相同的低频响应。可见共源放大电路的低频响应是由3个RC高通电路共同作用的结果。则)/j(11)/j(11)/j(11L3L2L1SMSLffffffAAVV为简单起见，假设3个下限截止频率fL1、fL2和fL3之间相距较远（4倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如有fL24fL1，fL1fL3，则上式简化为23华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应20lg|SLVA|/dB100fL2f/Hz020dB/十倍频f/Hz-90-1800L20lg|SMVA|-1350.1fL2fL210fL2-45/十倍频1.增益的传递函数)/j(11L2SMSLffAAVV2.增益的频率响应波特图2L2SMSL)/(11lg20||lg20||lg20ffAAVV)/arctan(180L2ffsiggLdmSM)||(RRRRRgAV水平线不是0dBffL2时，相频响应为-180，反映了通带内输出与输入的反相关系24华中科技大学张林6.3.1共源放大电路的低频响应－＋＋Vi.RggmVgs.sg＋－d－RdVgs.Vo.RLCb2Cb1Id.Rsi＋－Vs.Cs若想尽可能降低下限截止频率，则需要尽可能选择大的旁路电容Cs和耦合电容Cb1、Cb2。但这种改善是很有限的，因此在信号频率很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。)/j(11)/j(11)/j(11L3L2L1SMSLffffffAAVVb1gsiL1)(π21CRRfsmL22πCgfb2LdL3)(2π1CRRf25华中科技大学张林6.3.2共射放大电路的低频响应1.增益的传递函数低频小信号等效电路Rb=（Rb1||Rb2）远大于Riee1RCRi26华中科技大学张林6.3.2共射放大电路的低频响应1.增益的传递函数定性讨论输入回路构成的是RC高通电路b21C||bI输入回路和b11Ce1C输出回路||oV输出回路也是高通电路27华中科技大学张林6.3.2共射放大电路的低频响应1.增益的传递函数由第2个方程得由电路可列出方程sebbeb1sibj1)1()j1(VCIrCRIbb2LccLoj1ICRRRRVs1besibj11VCrRI其中eb1eb11)1(CCCCC28华中科技大学张林6.3.2共射放大电路的低频响应1.增益的传递函数代入第1个方程得源电压增益1besib2LcLcsoSLj11j1CrRCRRRRVVAV1besib2LcbesibebeLc)(j111)(j111)||(CrRCRRrRrrRR29华中科技大学张林6.3.2共射放大电路的低频响应1