第4章_放大电路的频率特性

1、第四章：放大电路的频率特第四章：放大电路的频率特性性内容提要内容提要非线性失真：由于放大电路中存在非非线性失真：由于放大电路中存在非线性元件，致使幅度大小不同的信号线性元件，致使幅度大小不同的信号具有不同的增益而产生的失真具有不同的增益而产生的失真惰性失真：由于电路中存在具有惰性惰性失真：由于电路中存在具有惰性的电抗元件，使得电路对变化速度不的电抗元件，使得电路对变化速度不同的信号反应不同而产生的失真同的信号反应不同而产生的失真采用简谐波作为测试信号时，放大电采用简谐波作为测试信号时，放大电路的增益随频率变化的特性称为频率路的增益随频率变化的特性称为频率特性，由此产生的失真称为频率失真，特性，

2、由此产生的失真称为频率失真，实质上是惰性失真实质上是惰性失真本章详细介绍放大电路的频率特性与本章详细介绍放大电路的频率特性与器件及电路参数的关系，以及减小频器件及电路参数的关系，以及减小频率失真的方法率失真的方法频率特性的分析方法频率特性的分析方法可采用电路分析中的复数法，并可采用电路分析中的复数法，并将增益分为幅模和相位两部分：将增益分为幅模和相位两部分：幅模代表信号经放大后幅度变化倍幅模代表信号经放大后幅度变化倍数的绝对值，其随频率的变化称为幅数的绝对值，其随频率的变化称为幅频特性频特性相位代表输出信号相对于输入信号相位代表输出信号相对于输入信号的相移，其随频率的变化称为相频特的相移，其随

3、频率的变化称为相频特性性频率特性的分析方法：频率特性的分析方法：手工计算的工程简化法手工计算的工程简化法计算机辅助分析法计算机辅助分析法放大电路不产生频率失真的条件放大电路不产生频率失真的条件( (一一) )图图(a)(a)：由基波和：由基波和三次谐波组成的三次谐波组成的信号信号图图(b)(b)：对不同频：对不同频率信号的增益不率信号的增益不同，且没有相移同，且没有相移图图(c)(c)：对不同频：对不同频率信号的增益相率信号的增益相同，但相移不与同，但相移不与频率成比例频率成比例图图(d)(d)：对不同频：对不同频率信号的增益相率信号的增益相同，相移与频率同，相移与频率成比例成比例放大电路不产

4、生频率失真的条件放大电路不产生频率失真的条件( (二二) )理想幅频特性：理想幅频特性：对被放大的信号所对被放大的信号所包含的频率成分同包含的频率成分同等放大等放大理想相频特性：理想相频特性：相移与频率成正相移与频率成正比，即：比，即：dd放大电路不产生频率失真的条件放大电路不产生频率失真的条件( (三三) )实际电路中可能会有高频失真或低频失真实际电路中可能会有高频失真或低频失真应注意低频失真中的超前相移代表的是稳应注意低频失真中的超前相移代表的是稳态结果态结果注意上、下截止频率以及通频带的定义注意上、下截止频率以及通频带的定义频率特性的工程简化分析方法频率特性的工程简化分析方法( (一一)

5、 )造成放大电路产生频率失真的造成放大电路产生频率失真的根本原因在于电路中有电抗元件根本原因在于电路中有电抗元件由于电抗元件在不同频段的作由于电抗元件在不同频段的作用大小显著不同，从而可使用用大小显著不同，从而可使用分分频段简化分析频段简化分析的方法来对电路进的方法来对电路进行简化处理，使每一个简化后的行简化处理，使每一个简化后的电路适用于一个频段电路适用于一个频段略去一批电抗元件而保留另一略去一批电抗元件而保留另一批，就可使电路得到简化，简化批，就可使电路得到简化，简化后的电路称为高频段或低频段后的电路称为高频段或低频段频率特性的工程简化分析方法频率特性的工程简化分析方法( (二二) )在放

6、大电路中，电抗元件可能由于在放大电路中，电抗元件可能由于起辅助作用或是寄生参数的原因而出起辅助作用或是寄生参数的原因而出现现电抗可能以并联或串联的形式存在。电抗可能以并联或串联的形式存在。对串有电抗元件的串联电路，简化时对串有电抗元件的串联电路，简化时将电抗短路；对并有电抗元件的并联将电抗短路；对并有电抗元件的并联电路，简化时将电抗开路电路，简化时将电抗开路只要在计算时所产生的误差不超过只要在计算时所产生的误差不超过5%5%，即可进行近似处理，即可进行近似处理频率特性的工程简化分析方法频率特性的工程简化分析方法( (三三) )简化频率特性分析应注意：简化频率特性分析应注意：分析频率变化时物理量

7、的相对变化，分析频率变化时物理量的相对变化，而不研究其绝对值而不研究其绝对值信号源用电压源表示或是用电流源信号源用电压源表示或是用电流源表示，负载上的输出量采用电压或电表示，负载上的输出量采用电压或电流，选择得当可以减少计算步骤流，选择得当可以减少计算步骤电抗和电阻的相对大小达到某一值电抗和电阻的相对大小达到某一值时，可忽略电抗。但电阻是不能被忽时，可忽略电抗。但电阻是不能被忽略不计的，因为放大输出量是从简化略不计的，因为放大输出量是从简化电路的电阻上获取的电路的电阻上获取的PNPN结的势垒电容结的势垒电容 ( (一一) )势垒电容是由于势垒电容是由于PNPN结势垒区的正、负结势垒区的正、负离

8、子层在外加电压变化时发生变化，离子层在外加电压变化时发生变化，而在外电路中产生容性电流的等效电而在外电路中产生容性电流的等效电容容jC外加电压变化时的物理过外加电压变化时的物理过程可用处于势垒区的平板程可用处于势垒区的平板电容来等效，这个等效电电容来等效，这个等效电容称为势垒电容容称为势垒电容()jndQCdUU注意：势垒电容是微变电注意：势垒电容是微变电容，具有非线性特性容，具有非线性特性PNPN结的势垒电容结的势垒电容 ( (二二) )jC()jndQCdUU若为反向电压，则若为反向电压，则 取负值取负值U 与结面积及掺杂情与结面积及掺杂情况有关况有关 和半导体材料有关和半导体材料有关n

9、与结的制造工艺有与结的制造工艺有关，称为变容指数关，称为变容指数PNPN结的扩散电容结的扩散电容 dC因扩散作用而形成的空穴因扩散作用而形成的空穴- -电子对储存所电子对储存所产生的电容效应，称为扩散电容产生的电容效应，称为扩散电容当外加正向电压变化时，在当外加正向电压变化时，在PNPN结的结的P P区和区和N N区都存在电子区都存在电子- -空空穴对储存效应，可用两个扩散穴对储存效应，可用两个扩散电容来等效电容来等效dddQCIdU微变扩散微变扩散电容：电容：注意：从外部电压变化与电流注意：从外部电压变化与电流变化之间的关系看，三个电容变化之间的关系看，三个电容为并联关系为并联关系但在不同的

10、偏置下，不同的电但在不同的偏置下，不同的电容将起主导作用容将起主导作用共发射极高频混合共发射极高频混合 模型模型( (一一) )在三极管的混在三极管的混合合 模型中加模型中加入发射结电入发射结电 、集电结电容集电结电容 后，即可获得后，即可获得高频小信号混高频小信号混合合 模型模型 b eC b cC发射结电容主要是扩散电容，且其容量发射结电容主要是扩散电容，且其容量与发射极的静态工作点电流成正比与发射极的静态工作点电流成正比通常近似认为集电结电容只具有势垒电通常近似认为集电结电容只具有势垒电容性质。但当集电结反向偏压增大或集电容性质。但当集电结反向偏压增大或集电极静态电流增大时，忽略扩散分量

11、所产生极静态电流增大时，忽略扩散分量所产生的误差会有所增大的误差会有所增大共发射极高频混合共发射极高频混合 模型模型( (二二) ) 是集电极扩散电流和基极复合电流之比。是集电极扩散电流和基极复合电流之比。但在高频情况下，基极电流中除了复合电但在高频情况下，基极电流中除了复合电流还有结电容电流流还有结电容电流0m b eg r0()1()b eb cb ejjCCr在在 的条件下，推导可得：的条件下，推导可得：mb cgC共发射极高频混合共发射极高频混合 模型模型( (三三) )0()1()b eb cb ejjCCr12()b eb eb cfrCC上截止频率：上截止频率： 的幅模的幅模减至

12、减至 ，此时基极，此时基极容性电流等于复合电流容性电流等于复合电流00.7072 ()mTb eb cgfCC特征频率：特征频率： 减至减至1 1。若若C C、E E短接，此时结电短接，此时结电容电流等于扩散至集电容电流等于扩散至集电极电流极电流若信号源内阻为无限大，则对于由电流源、若信号源内阻为无限大，则对于由电流源、电阻、电容并联的电路，其输出电压和信电阻、电容并联的电路，其输出电压和信号源电流之比的上截止频率就是电路号源电流之比的上截止频率就是电路RCRC时时间常数的倒数间常数的倒数共基极高频共基极高频T T型模型型模型在共基极低频模在共基极低频模型的基础上添加型的基础上添加两个结电容，

13、便两个结电容，便成为共基极高频成为共基极高频T T型模型型模型er注意左图中只有流过注意左图中只有流过 的电流才是扩的电流才是扩散电流散电流推导可得：推导可得：01(1) 12b ce eb eCffC rC 近似等于近似等于 而略大于而略大于fTfTf单级纯阻负载放大电路及其高频等效电路单级纯阻负载放大电路及其高频等效电路基本解法为使基本解法为使用电路分析的用电路分析的理论对等效电理论对等效电路进行直接分路进行直接分析析等效电路的单向化与密勒效应等效电路的单向化与密勒效应( (一一) )首先考虑将首先考虑将输入回路和输入回路和输出回路拆输出回路拆开开从电路形式从电路形式上看，只有上看，只有输

14、入到输出输入到输出的信号传输，的信号传输，而没有输出而没有输出反馈到输入反馈到输入的传输，故的传输，故这种处理称这种处理称为单向化为单向化等效电路的单向化与密勒效应等效电路的单向化与密勒效应( (二二) )推导可得：推导可得：12(1)mLb cb cYg Rj CYj C即密勒电容即密勒电容(1)MmLb cCg R C上图中：上图中：(1)b eMb emLb cCCCCg R C等效电路的单向化与密勒效应等效电路的单向化与密勒效应( (三三) )/(1/)b eUIRj C1/(2)hbfbRC/bbb eb eMRrrCCC低通一阶电路的特性低通一阶电路的特性( (一一) )1()1/

15、hM jj 21( )1 (/)( )arctan(/)hhM 1/()1/hbRC上截止角频率上截止角频率故有故有由于分母为自变量的一次方，称为一阶由于分母为自变量的一次方，称为一阶函数；又因为其幅模随频率的降低而增函数；又因为其幅模随频率的降低而增加，故称为低通一阶函数；具有此函数加，故称为低通一阶函数；具有此函数特性的电路称为一阶电路特性的电路称为一阶电路低通一阶电路的特性低通一阶电路的特性( (二二) )21( )1 (/)hM (),( )/hhifM20lg( )20lg(/)hM使用分贝可表示为使用分贝可表示为若频率升至原值的若频率升至原值的1010倍，则幅模减小倍，则幅模减小2

16、0dB20dB，此即该直线，此即该直线的斜率的斜率(),( )1hifM20lg( )0MdB可用折线来近似实际的曲线，如上图所示可用折线来近似实际的曲线，如上图所示误差最大点处在截止角频率处误差最大点处在截止角频率处低通一阶电路的特性低通一阶电路的特性( (三三) )( )arctan(/)h (0), ( )0if (), ( )45hif (), ( )90if 可用折线来近似实际的曲线，如上图所示可用折线来近似实际的曲线，如上图所示误差最大点处在误差最大点处在 和和 处处0.1h10h在幅频曲线斜率变化不在幅频曲线斜率变化不大的频段，对应的相频大的频段，对应的相频曲线的相位变化不大曲线

17、的相位变化不大低通一阶电路的特性低通一阶电路的特性( (四四) )若要分析由若要分析由 至至 的频率特性，则应考虑的频率特性，则应考虑将将 短接后由短接后由BB、E E向左端看去的等效电向左端看去的等效电阻阻 ：sU b eUsUR(/)/sBbbb eRRRrr1/(2)1/(2)hsbfR C 的上截止频率低于的上截止频率低于 的上截止频率的上截止频率sAA低通一阶电路的特性低通一阶电路的特性( (五五) )1/(2)1/(2)hcLb cCfR CCLb cR C输出回路的特性为：输出回路的特性为：单级放大电路的频率特性结论单级放大电路的频率特性结论( (一一) )ob eoiib eU

18、UUAUUUbcMM M2211( )1 (/)1 (/)( )arctan(/)arctan(/)hbhchbhcM 大多数情况下，整个放大电路的上截频主大多数情况下，整个放大电路的上截频主要由要由 决定；源电压放大系数决定；源电压放大系数 的频率特的频率特性更由性更由 至至 的传输特性决定的传输特性决定hbfsAsU b eU单级放大电路的频率特性结论单级放大电路的频率特性结论( (二二) )为提高上截止频率，应：为提高上截止频率，应：R使使 ( (或或 ) )和和 尽可能小尽可能小RCbbr选择选择 和和 、 尽可能小的器件尽可能小的器件 b eC b cC为提高源电压增益的上截频，信号

19、源内为提高源电压增益的上截频，信号源内阻应有较小的值阻应有较小的值0A不能断言零频放大倍数不能断言零频放大倍数 和带宽和带宽 的乘积是一个常数的乘积是一个常数BW对一个多级放大电路来说，后级输入对一个多级放大电路来说，后级输入电容成为前级负载电容，此时有：电容成为前级负载电容，此时有：整个放大电路的高频特性变坏整个放大电路的高频特性变坏整个放大电路的放大函数不是低通一阶整个放大电路的放大函数不是低通一阶函数函数基本概念与方法基本概念与方法扩展放大电路的通频带是指提高上截扩展放大电路的通频带是指提高上截止频率和降低下截止频率止频率和降低下截止频率直接耦合可以将下截止频率延至零频直接耦合可以将下截

20、止频率延至零频本节讨论在器件参数和负载已经确定本节讨论在器件参数和负载已经确定的情况下，如何从电路上采取措施达的情况下，如何从电路上采取措施达到提高上截止频率的目的到提高上截止频率的目的放大电路在高频时增益下降的根本原放大电路在高频时增益下降的根本原因是器件极间电容、负载电容因频率因是器件极间电容、负载电容因频率升高而电抗下降升高而电抗下降提高上截频的三类方法：提高上截频的三类方法：采用负反馈采用负反馈采用不同组态放大电路混合连接采用不同组态放大电路混合连接外接补偿元件外接补偿元件负反馈扩展通频带的基本原理负反馈扩展通频带的基本原理增益随频率的变化可以看成增益的不增益随频率的变化可以看成增益的

21、不稳定，只是引起增益不稳定的原因是稳定，只是引起增益不稳定的原因是器件结电容和负载电容的容抗随频率器件结电容和负载电容的容抗随频率而变而变采用负反馈来提高放大电路的上截止采用负反馈来提高放大电路的上截止频率，就要求当频率升高、增益减小频率，就要求当频率升高、增益减小的同时，负反馈往减小的方向变化的同时，负反馈往减小的方向变化采用负反馈来扩展通频带，实质上是采用负反馈来扩展通频带，实质上是改变放大电路输入电路的传输系数。改变放大电路输入电路的传输系数。此时应使得放大电路从信号源电压到此时应使得放大电路从信号源电压到有效输入电压的传输系数有效输入电压的传输系数 随频率变随频率变化的规律与放大电路输

22、入端到输出端化的规律与放大电路输入端到输出端增益增益 随频率变化的规律相反随频率变化的规律相反SKA简单的单级负反馈电路简单的单级负反馈电路( (一一) )负反馈展宽通频负反馈展宽通频带的定性分析带的定性分析上截止频率的提高是以牺牲零频增益上截止频率的提高是以牺牲零频增益为代价的为代价的简单的单级负反馈电路简单的单级负反馈电路( (二二) )近似推导可得：近似推导可得：0001(1)fohfhAAA BA B即放大电路加负反馈即放大电路加负反馈后，零频增益与带宽后，零频增益与带宽乘积不变乘积不变简单的单级负反馈电路简单的单级负反馈电路( (三三) )成立的成立的条件：条件：0001(1)foh

23、fhAAA BA B增益为一阶函数增益为一阶函数反馈系数为常数反馈系数为常数对于左图而言，上截止对于左图而言，上截止频率的提高不满足上式频率的提高不满足上式若在反馈电阻两端并联电容，则上截止若在反馈电阻两端并联电容，则上截止频率会提高得更多，甚至可能出现升峰频率会提高得更多，甚至可能出现升峰若在反馈电阻两端并联电感，则上截止若在反馈电阻两端并联电感，则上截止频率会提高得更少，甚至可能下降频率会提高得更少，甚至可能下降用负反馈来提高容性负载下的上截止频用负反馈来提高容性负载下的上截止频率，还将牺牲低频应用时器件的动态范围率，还将牺牲低频应用时器件的动态范围多级负反馈放大电路的频率特性多级负反馈放

24、大电路的频率特性( (一一) )由于多级放大电路的放大系数是各单由于多级放大电路的放大系数是各单级放大电路放大系数的乘积，故当反级放大电路放大系数的乘积，故当反馈环包含级数较多时且工作频率足够馈环包含级数较多时且工作频率足够高时，反馈电压和信号源电压之间的高时，反馈电压和信号源电压之间的相移就会很大相移就会很大在条件适合时，在条件适合时，可能在某一个可能在某一个频段，输出电频段，输出电压将比低、中压将比低、中频段高频段高多级负反馈放大电路的频率特性多级负反馈放大电路的频率特性( (二二) )若反馈足够深，且反馈环包含级数足若反馈足够深，且反馈环包含级数足够多时，可能会变成正反馈够多时，可能会变

25、成正反馈若幅度也足够大，则放大电路会产生若幅度也足够大，则放大电路会产生自激，此时即使撤除信号源电压，放自激，此时即使撤除信号源电压，放大电路也可以自己维持输出大电路也可以自己维持输出1AB 自激条件：自激条件：或或| 1(21) ,0,1,2,ABABnn振幅条件振幅条件相位条件相位条件注意自激时输出电压并不会无限增长注意自激时输出电压并不会无限增长若放大电路满足自激条件，并不一定若放大电路满足自激条件，并不一定要外加一个原始电压才能产生自激要外加一个原始电压才能产生自激反馈放大电路自激的防止与消除反馈放大电路自激的防止与消除多于多于3 3级的负反馈级的负反馈放大电路，可以采放大电路，可以采

26、用用“多宽一窄的方多宽一窄的方法来实现增大反馈法来实现增大反馈深度且不产生自激深度且不产生自激振荡振荡反馈深度越深，反馈深度越深，窄级与宽级的上截窄级与宽级的上截止频率需要离得越止频率需要离得越远，才能使放大电远，才能使放大电路不产生自激振荡路不产生自激振荡为获得多级放大电为获得多级放大电路的深负反馈，需路的深负反馈，需要付出通频带方面要付出通频带方面的代价的代价共射共射- -共基混合连接电路共基混合连接电路注意比较各种注意比较各种方法方法扩展方法方法扩展频带的物理实频带的物理实质质关于提高上截关于提高上截频的定性分析频的定性分析共射共射- -共集混合连接电路共集混合连接电路该电路能提高上截频

27、的原理在于利用该电路能提高上截频的原理在于利用共集电极的阻抗变换作用共集电极的阻抗变换作用注意：该电路只适用于容性负载的小注意：该电路只适用于容性负载的小信号放大电路。若在纯阻负载和共射信号放大电路。若在纯阻负载和共射级之间增添一个共集级，反而会降低级之间增添一个共集级，反而会降低上截止频率上截止频率外接电感补偿元件法外接电感补偿元件法( (一一) )采用外接电感补偿元件的采用外接电感补偿元件的方法，可以在不要求增大方法，可以在不要求增大器件输出电流的条件下，器件输出电流的条件下，提高容性负载放大电路在提高容性负载放大电路在高频段的输出电压高频段的输出电压该方法的实质是提高放大该方法的实质是提

28、高放大电路在高频时的等效负载电路在高频时的等效负载阻抗阻抗可以通过研可以通过研究该电路的究该电路的输出端等效输出端等效电路来研究电路来研究其频率特性其频率特性外接电感补偿元件法外接电感补偿元件法( (二二) )推导可得：推导可得：当当 时，可得到最大平坦特性时，可得到最大平坦特性0.643Q 当当 时，具有升峰特性时，具有升峰特性0.643Q 此时的上截止频率为此时的上截止频率为1.76hh具有最平坦时延特性的具有最平坦时延特性的Q Q值为值为0.570.57输出端的频率特性输出端的频率特性( (一一) )在级间采用直接耦在级间采用直接耦合时，其下限可以合时，其下限可以延伸至零频延伸至零频在本节分析放