多级放大器的频率响应研究

大学2012届学士学位论文多级放大器的频率响应研究学院、专业物理与电子信息学院电子信息工程研究方向电子技术学生姓名学号指导教师姓名指导教师职称教授2012年学士毕业论文多级放大器的频率响应研究II多级放大器的频率响应研究摘要放大器作为电子线路的重要组成部分，承担着对信号的放大功能。频率响应是放大器的主要性能指标，其表明了放大器对于不同频率信号的放大功能。本文首先推导出多级放大器放大倍数与各级放大器放大倍数之间的关系式，然后以基本放大电路为出发点，分析其对于高频、中频和低频三个不同频段信号的放大能力，并讨论其截止频率，得出影响放大器频率特性的主要因素。接着推导出多级放大器的频率响应表达式，并推导出多级放大器截止频率与各级放大器截止频率的关系式。可以得出多级放大器的通频带由各级放大器通频带所决定，且其通频带小于组成它的各级放大器的通频带的结论。最后采用Multisism软件进行仿真，对理论结果进行验证，从而得出结论。关键词放大器；多级放大器；频率响应；截止频率；Multisim学士毕业论文多级放大器的频率响应研究IIITheresearchofmultistageamplifier'sfrequencyresponseAbstractAstheimportantpartofelectroniccircuits,amplifierassumesthesignalamplification.Thefrequencyresponseistheamplifier'smainperformanceindex,whichindicatestheamplifierforamplificationofdifferentfrequencysignals.First,thispaperdeducedtherelationbetweenthemultistageamplifieramplificationandtheamplifieramplificationatalllevels.Second,withthebasicamplifyingcircuitasthestartingpoint,itdiscussedtheamplificationcapabilityofhighfrequency,mediumfrequencyandlowfrequencyinthreedifferentfrequencybandsignal,andthendiscussedthecutofffrequencyofamplifierandthuswecanobtainthemainfactorswhichimpactstheamplifierfrequencycharacteristics.Thirdly,theexpressionofthefrequencyresponseofmultistageamplifier,theexpressionoftherelationbetweenthemultistageamplifiercut-offfrequencyandtheamplifieramplificationcut-offfrequencyatalllevelsarededucedinthisarticle.Sowecandrawtheconclusionthatthemultistageamplifierpassbandisdeterminedbyamplifierpassbandatalllevelsandthepassbandislessthanthepassbandoftheamplifieratalllevels.AtlastthetheoreticalresultsissimulatedbyusingMultisismsoftwareandthenleadtotheconclusion.KeywordsAmplifier;Multistageamplifier;Frequencyresponse;Cutofffrequency;Multisim学士毕业论文多级放大器的频率响应研究IV目次1引言..............................................12密勒定理及晶体管的混合Π等效模型..................22.1密勒定理................................................................................22.2晶体管的混合Π等效模型....................................................23多级放大器的频率响应...............................33.1频率响应的定义....................................................................33.2多级放大器的基本形式........................................................53.3多级放大器频率响应的分级分析法...................................53.4N级放大电器的频率响应分析..........................................114实验仿真及验证....................................144.2放大电路的仿真..................................................................144.2仿真数据与理论数据比较..................................................16结论.............................................19参考文献...........................................20致谢...............................................21学士毕业论文多级放大器的频率响应研究11引言在现代电子技术当中，放大器占有着重要的地位，其承担着对信号源的放大，使得一个微小的信号能够放大，从而便于人们处理，例如对声音信号的放大，对图像的放大，等等。如果没有放大器，那么我们就无法听到收音机放出的音乐，看不到电视，更无法使用现在的手机，电脑等电子产品。多级放大器是对放大器的延伸应用，其用处更加广泛，地位也更加重要。而多级放大器的一个重要性能指标就是其频率响应，频率响应特性反映了多级放大器对于不同频率信号的放大能力，在设计一个实际放大器时，我们必须首先了解信号的频率范围，根据这个范围来设计合适的放大器，以保证设计的放大器有适用于该信号频率范围的通频带，这样才能保证放大电路良好的放大效果，由此可见研究放大电路的频率响应对于设计放大电路的重要意义。本文是从基本的单级放大器出发，从高、中、低三个频段研究其频率响应特性，得出影响放大器频率响应的主要因素。然后以两级放大器为例，讨论多级放大器与组成它的各级放大器频率响应之间的关系，总结出多级放大器的频率特性，并推广到N级放大器。在本次设计中，采用了Multisism软件对理论结果结果进行仿真验证，与理论计算结果进行了对比，从而更好的证明了理论推导的结论。学士毕业论文多级放大器的频率响应研究22密勒定理及晶体管的混合π等效模型2.1密勒定理为了便于对三极管电路进行分析，通常使用密勒定理对三级管电路进行简化。如图1(a)所示，设有一输入及输出端之间跨接阻抗的网络。若该网络的传递函数为()2(s)1()ssVHV，则根据密勒定理，跨接阻抗(s)Z可用并接在输入和输出端用两个等效阻抗1sZ和2sZ取代，等效电路如图1(b)所示[1]图1(a)原网络图1(b)等效后的网络其中(2-1a)(2-1b)2.2晶体管的混合π等效模型通常对三极管频率响应的分析较为复杂，为了便于分析，从晶体管的物理结构出发，考虑发射结和集电结电容的影响，就可以得到在高频信号作用下的物理模型，称为晶体管的混合π等效模型[1,2]，其基本形式如图2所示。sV2sV11()()()2()()()1-11-SSSSSSZZHZZHsV1sV2学士毕业论文多级放大器的频率响应研究3图2晶体管的混合π等效模型为了便于分析计算，对于此电路，引入密勒定理进行分析，既可以得到单向化近似后的混合π等效模型，如图3所示。图3单向化近似后的混合π等效模型此电路就是本文进行放大器频率响应分析的基本电路形式，其具体参数可由晶体管手册查询。学士毕业论文多级放大器的频率响应研究43多级放大器的频率响应3.1频率响应的定义在放大电路中，由于电抗元件(如电容、电感线圈等)及半导体管极间电容的存在，当输入信号的频率过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移，说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性[2]。系统的频率响应由幅频特性和相频特性组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。以RC低通电路为例，电路如图4所示。图4基本RC低通电路已知输出电压oU与输入电压iU之比oui11j11j1jUCAURCC(3-1)令时间常数RC、1H,则有HH12π2πfRC(3-2)其中Hf称为上限频率。将其带入式(3-1)，则有Huj11ffA(3-3)将其用幅频及相频分别表示，则有学士毕业论文多级放大器的频率响应研究5u2H11Aff(3-4a)Harctanff(3-4b)其中式(3-4a)是其幅频特性，式(3-4b)是其相频特性。3.2多级放大器的基本形式多级放大电路由基本的放大电路组成，每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称之为耦合，耦合方式有多种，主要是分为直接耦合与间接耦合。MAT图5所示为三级直接耦合放大器。图5三级直接耦合放大器示意图由于前级的输出电压就是后级的输入电压，既o1i2UU，o2i3UU所以该多级放大电路的电压放大倍数为[1,3]o1o2ovv1v2v3iii2i3oUUUUAAAAUUUU(3-5)既多级放大器的放大倍数为各级放大器放大倍数的乘积[2]。3.3多级放大器频率响应的分级分析法所谓分级分析法就是把多级放大器的整体电路划分为多个单级放大器，然后逐一进行分析计算，最后再综合给出结果[4].以图6所示两级阻容耦合放大电路为例，分几个步骤来进行分析说明。学士毕业论文多级放大器的频率响应研究6图6两级阻容耦合放大电路分析放大电路的频率响应时，一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段进行分析[2]。在三个频段进行分析时，主要考虑级间电容与耦合电容（或旁路电容）对于不同频率信号的特性，从而视作短路或开路，以便分析其频率响应。将此电路划分为两部分，其中，左边为第一级放大电路，其等效模型如图7(a)所示[2，4]。图7(a)第一级放大电路右边为第二级放大电路，其等效模型如图7(b)所示。学士毕业论文多级放大器的频率响应研究7图7(b)第二级放大电路（1）中频响应在分析电路中频响应时，由于耦合电容12CC、和旁路电容e1C在中频段的容抗较小，因此可以将所有耦合（旁路）电容视为短路，而级间电容由于容抗较大，因此可以视为开路。对于第一级放大电路,由图7(a)可知其输入电阻i1b1b2bb'b'e////RRRrr(3-6)则根据共射放大电路电压增益计算公式[3]有o1b'eo1b'ei1i1usm1c1ssi1b'esi1be-1UUUrURAgmRUUUURRr(3-7)对于第二级放大电路，将第一级看做是一个信号源，等效为一电压源