5.1.15.1.15.1.15.1.1频率特性的稳态描述方法频率特性的稳态描述方法频率特性的稳态描述方法频率特性的稳态描述方法5.25.2单元放大器频率特性基础单元放大器频率特性基础5.1.25.1.25.1.25.1.2基本增益器件的频率特性与电路模型基本增益器件的频率特性与电路模型基本增益器件的频率特性与电路模型基本增益器件的频率特性与电路模型5.15.15.15.1频率特性频率特性描述方法与基本增益器件频率特性描述方法与基本增益器件频率特性描述方法与基本增益器件频率特性描述方法与基本增益器件频率特性第五章第五章 放大器频率特性基础放大器频率特性基础5.2.15.2.15.2.15.2.1双极型单元放大电路的频率特性双极型单元放大电路的频率特性双极型单元放大电路的频率特性双极型单元放大电路的频率特性5.2.25.2.25.2.25.2.2放大器频率特性分析举例放大器频率特性分析举例放大器频率特性分析举例放大器频率特性分析举例 放大器频率特性放大器频率特性是指放大电路的输是指放大电路的输入与输出电量关系表达式受输入信号频入与输出电量关系表达式受输入信号频率变化的影响特性。率变化的影响特性。 原因在于放大器内部存在电容或电放大器内部存在电容或电感等动态记忆元器件感等动态记忆元器件，即无论放大器内部存在的电容或电感是否线性，都将引起放大倍数表达式随信号频率变化。低频电子电路低频电子电路 一般而言，放大器中含有电抗元件。在多频率一般而言，放大器中含有电抗元件。在多频率的模拟信号激励下，因频率的不同，放大器增益会的模拟信号激励下，因频率的不同，放大器增益会随之改变，因此，一般情况下，稳态情况的增益应随之改变，因此，一般情况下，稳态情况的增益应采用复数表达：采用复数表达： 由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。由于频率失真由线性电抗元件引起，故称线性失真。注意：注意：线性失真不产生新的频率成份。线性失真不产生新的频率成份。 由于信号频率变化引起增益改变，可致使放大器输出由于信号频率变化引起增益改变，可致使放大器输出波形不能反应输入变化规律的情况，定义为放大器的频率波形不能反应输入变化规律的情况，定义为放大器的频率失真。失真。（1）不同频率信号，对增益的幅频特性的影响）不同频率信号，对增益的幅频特性的影响（2）不同频率信号，对增益的相频特性的影响）不同频率信号，对增益的相频特性的影响 若对不同频率，增益的模不为常数，则输出会出现失若对不同频率，增益的模不为常数，则输出会出现失真，即真，即幅度失真幅度失真。 若对不同频率，增益的时延不为常数，则输出会出现若对不同频率，增益的时延不为常数，则输出会出现失真，即失真，即相位失真相位失真。无相位失真的条件为：。无相位失真的条件为：注：一般音频放大器应考虑是否存在幅度失真；视频放大注：一般音频放大器应考虑是否存在幅度失真；视频放大器则对幅度失真与相位失真都应考虑。器则对幅度失真与相位失真都应考虑。1）写出电路传递函数表达式写出电路传递函数表达式 A(j ) q 频率特性分析一般步骤频率特性分析一般步骤 3）确定上、下限角频率确定上、下限角频率 2）绘制渐近波特图）绘制渐近波特图基本共发射极放大器的小信号等效通路从上图可知（1）串联大电容）串联大电容C1、C2 和和 将在频率减小时，使放大电路将在频率减小时，使放大电路增益降低，增益降低，（2）三极管中）三极管中PN结结电容结结电容Cbe、Cbc 将在频率增加时，使将在频率增加时，使放大电路增益降低。放大电路增益降低。5.1 5.1 频率特性描述方法与基本增益器件频率特性频率特性描述方法与基本增益器件频率特性0f /HzA( f )0f /Hz A( f )幅幅频频特特性性相相频频特特性性通频带：通频带： 对应上限频率对应上限频率fH 、及下限频率及下限频率fL 。增益下降到增益下降到 时，时，AIAI2fHfL图5-1-1 共发射极放大器的频率分析示意图5.1.15.1.1频率特性的稳态描述方法频率特性的稳态描述方法1、波特图的坐标特点、波特图的坐标特点 幅频和相频特性波特图的横坐标均采用对数坐标。这样才可能把各个频段的特性在同一个图上描述出来。注意横坐标没有零注意横坐标没有零。lg1=0，lg2=0.30，lg3=0.48，lg4=0.60，lg5=0.70lg6=0.78，lg7=0.85，lg8=0.90，lg9=0.95，lg10=1（a）相频特性纵坐标 （b）幅频特性纵坐标幅频特性纵坐标对增益来说是对数坐标，如图（b）所示，但增益通过dB方式标注，q RC 低通电路频率响应低通电路频率响应 CR+- -+- -vi(t)vo(t) 由图，由图，传递函数表达式传递函数表达式 ：时间常数时间常数式中式中，幅值：幅值：或或相角：相角：2、基本传递函数因子的波特图、基本传递函数因子的波特图0 H0.1 H10 HAv( )/dB - -20- -30 H0.1 H10 H A( ) - - 45 - - 90 - - 5.7 绘制渐近波特图绘制渐近波特图：根据根据画出幅频波特图画出幅频波特图画出相频波特图画出相频波特图渐近波特图画法：渐近波特图画法：幅频幅频 H时，时， = H 时，时，相频相频 10 H 时，时， = H 时，时，- -20dB/十倍频十倍频- -45 /十倍频十倍频 确定上限角频率：确定上限角频率：0 p0.1 p10 pAv( )/dB - -200 p0.1 p10 p A( ) - - 45 - - 90 - -20dB/十倍频十倍频- -45 /十倍频十倍频归纳一阶因子归纳一阶因子渐近波特图画法：渐近波特图画法：幅频渐近波特图：幅频渐近波特图：已知已知 自自0dB水水平平线线出出发发，经经 p转转折折成成斜斜率率为为（20dB/十十倍倍频）的直线。频）的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图： 自自0 水水平平线线出出发发，经经0.1 p处处转转折折，斜斜率率为为(45 /十十倍倍频频)，再再经经10 p处处转转折折为为- -90 的水平线。的水平线。因因 = p时，时， H = pq RC 高通电路频率响应高通电路频率响应 由图，由图，传递函数表达式传递函数表达式 ：时间常数时间常数式中式中，幅值：幅值：相角：相角：CR+- -+- -vi(t)vo(t)下限角频率：下限角频率：因因 = L时，时， L 0 L0.1 L10 L A( ) 45 90 绘制渐近波特图绘制渐近波特图：根据根据画出幅频波特图画出幅频波特图画出相频波特图画出相频波特图0 L0.1 L10 LAv( )/dB - -2020dB/十倍频十倍频- -45 /十倍频十倍频幅频渐近波特图：幅频渐近波特图： L：0dB水平线；水平线； L：斜率为：斜率为(20dB/十倍十倍 频）的直线。频）的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图： 0.1 L： - -90 的水平线。的水平线。 0.1 L 10 L ：0 水平线。水平线。q 多个一阶因子多个一阶因子系统系统频率响应频率响应 利用利用RC低通电路分析结果，得传递函数表达式低通电路分析结果，得传递函数表达式 ：式中式中C1R1+- -+- -vivoAv1C2R2Av2C3R3Av3 如图所示的三级理想电压放大器，如图所示的三级理想电压放大器，Ri ，Ro 0。试画渐。试画渐近波特图，并求近波特图，并求 H 。已知已知 R1 C1 R2 C2 R3 C3 频率特性表达式：频率特性表达式：幅频及相频表达式：幅频及相频表达式： 均为单阶因子波特图的叠加。均为单阶因子波特图的叠加。假设假设0 H20.1 H110 H3 A( ) - - 90 H1 H3- - 180 - - 270 0 H2 H1 p3Av( )/dB 204060- -20 H3- -20dB/十倍频十倍频- -40dB/十倍频十倍频- -60dB/十倍频十倍频- -45 /十十- -90 /十十- -45 /十十归纳归纳多极点系统渐近波特图画法：多极点系统渐近波特图画法：幅频渐近波特图：幅频渐近波特图： 自自中中频频增增益益AvI( (dB)的的水水平平线线出出发发，经经 pn转转折折成成斜斜率率为为（20ndB/十倍频）的直线。十倍频）的直线。相频渐近波特图：相频渐近波特图：自自0 水平线出发，经水平线出发，经0.1 p1处开始转折，斜率为：处开始转折，斜率为： (45 /十倍频）十倍频）乘以（单阶因子重叠的段数），乘以（单阶因子重叠的段数），再经再经10 pn ，转折成，转折成- -90 n的水平线。的水平线。已知已知 确定上、下限角频率：确定上、下限角频率：根据定义，当根据定义，当 = H时：时：即即整理并忽略高阶小量得：整理并忽略高阶小量得：将上式推广到多级放大器。则上限截止频率为上限角频率上限角频率若若 H2 4 H1 ，则称，则称 H1为主极点，为主极点， H2 、 H3为非主极点。为非主极点。上限角频率取决于主极点角频率：上限角频率取决于主极点角频率：对于下限截止频率也可以推出结论如下：对于下限截止频率也可以推出结论如下： 简单来说，放大器级数越多（其中电容越多）简单来说，放大器级数越多（其中电容越多），通频带越窄。，通频带越窄。 高频工作，考虑三极管极间电容高频工作，考虑三极管极间电容影响时，影响时， 为频率的复函数。为频率的复函数。5.1.25.1.25.1.25.1.2基本增益器件的频率特性与电路模型基本增益器件的频率特性与电路模型基本增益器件的频率特性与电路模型基本增益器件的频率特性与电路模型q三极管频率特性参数三极管频率特性参数三极管频率特性参数三极管频率特性参数经推导得经推导得其中其中 /2 指指 ( )下降到中频下降到中频 的的0.707倍时对应的角频率。倍时对应的角频率。 ( ) 共发电路截止角频率共发电路截止角频率 根据定义根据定义rbb rb erceCb eCb cgmVb e(j )b ebcIb(j )Ic(j )当当 = T时时因此因此 指指 ( )下降到下降到1时，对应时，对应的角频率。的角频率。 特征角频率特征角频率 T /2 ( ) T1根据根据 T T 是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。是三极管具有电流放大作用的最高极限角频率。及及 指指 ( )下降到中频下降到中频 的的0.707倍时对应的角频率。倍时对应的角频率。 共基电路截止角频率共基电路截止角频率 T 根据根据及及整理得整理得其中其中 三个频率参数中应用最广、最具代表性的是特征三个频率参数中应用最广、最具代表性的是特征角频率角频率 T。通常，。通常， T越高，三极管高频性能越好，越高，三极管高频性能越好，构成的放大器上限频率越高。构成的放大器上限频率越高。 场效应管的频率特性描述场效应管的频率特性描述 一般来说，场效应管比晶体管有更高的上限截一般来说，场效应管比晶体管有更高的上限截止频率。单个场效应管的频率特性计算时，常采用止频率。单个场效应管的频率特性计算时，常采用如图所示小信号等效电路。如图所示小信号等效电路。5.2 5.2 单元放大器频率特性基础单元放大器频率特性基础 放大单元的下限截止频率由外接电容决定，上限放大单元的下限截止频率由外接电容决定，上限截止频率由增益管内部结电容决定。截止频率由增益管内部结电容决定。 对于直接耦合放大器，因无外接电容，即电路对于直接耦合放大器，因无外接电容，即电路下限截止频率下限截止频率 fL=0，通频带，通频带BW0.7 =fH 。设原四端网络传递函数：设原四端网络传递函数：q 1 1、密勒定理和单向化近似模型、密勒定理和单向化近似模型5.2.15.2.1双极型单元放大电路的频率特性双极型单元放大电路的频率特性密勒定理密勒定理等效后：等效后：网络网络+- -+- -V1(j)V2(j)Y (j)网络网络+- -+- -V1(j)V2(j)Y1 (j)Y2 (j)q 单向化单向化近似近似共发交流通路共发交流通路 RC+ - -vo+ - -vsRLRS+ - -vi由由等效等效电路电路整理得整理得单向化单向化近似条件近似条件则则高频等效电路高频等效电路 rbb rb erceCb eCb cgmVb e(j)b Vo(j)RS+ - -RCRL+ - -Vs(j)ecIc(j)q 共发高频等效电路及密勒近似共发高频等效电路及密勒近似高频等效电路高频等效电路 rbb rb erceCb eCb cgmVb e(j)b Vo(j)RS+ - -RCRL+ - -Vs(j)ecIc(j)密勒密勒等效等效rbb rb eCb egmVb e(j)b Vo(j)RS+ - -R L+ - -Vs(j)Y1 (j)Y2 (j)可以得出：可以得出： fH1H1为由输入回路确定的极点为由输入回路确定的极点频率，具体计算公式为频率，具体计算公式为: :rbb rb eCb eb RS+ - -R L+ - -CM1CM2Vs(j)gmVb e(j)Vo(j) fH1H1由输出回路确定的极点频率，由输出回路确定的极点频率，具体计算公式为具体计算公式为: :电路上限截止频率，电路上限截止频率，(a)低、中频等效电路低、中频等效电路q共发放大电路的下限截止频率分析共发放大电路的下限截止频率分析 低频响应主要取决于放大电路的外接电容，常用如低频响应主要取决于放大电路的外接电容，常用如下工程分析步骤。下工程分析步骤。 先画出图示交流等效电路耦合电容和旁路电容不能先画出图示交流等效电路耦合电容和旁路电容不能忽略，然后分别求解忽略，然后分别求解每个电容单独每个电容单独作用时（作用时（其它电容此其它电容此时短路时短路）的下限截止频率）的下限截止频率fLn ,C1单独作用时单独作用时 C2单独作用时单独作用时 CE单独作用时单独作用时q 增益带宽积增益带宽积若若 ， 则有则有 信号源内阻越小，并且选信号源内阻越小，并且选rbb 小、小、 Cb c小、小、 T高的三高的三极管可极管可使使GBW 。提高共发电路上限频率的方法：提高共发电路上限频率的方法： 在电路输入端采用低阻节点（即在电路输入端采用低阻节点（即RS小）。小）。 在电路输出端也采用低阻节点（即在电路输出端也采用低阻节点（即 RL 小）。小）。 此时，共发电路上限角频率此时，共发电路上限角频率 H最高，且接近最高，且接近管子特征角频率管子特征角频率 T 。q 2 2、共集放大器上限截止频率分析共集放大器上限截止频率分析由于由于因此，因此，Cb c可忽略不计。可忽略不计。令令 RL =rce/ RE / RL简化等效电路简化等效电路 rbb rb eCb egmVb eb VoRS+ - -R L+ - -VseIb(s)由简化等效电路：由简化等效电路：式中式中上限截止频率：上限截止频率： 并联在并联在Cb e两端的总电阻两端的总电阻 如采用恒压源（如采用恒压源（ RS 0）激励：）激励： 共集电路输入为低阻节点共集电路输入为低阻节点( (RS小小) )时，上限角频率时，上限角频率fH fT 。考虑到。考虑到混和混和型电路实际情况型电路实际情况，共集电路应工作在，共集电路应工作在fT /3/3以下。以下。 简化等效电路简化等效电路 rbb rb eCb egmVb eb VoRS+ - -R L+ - -VseIb(s)q 3 3、共基极放大器的频率特性、共基极放大器的频率特性(a)中高频交流通路 (b) 中高频小信号等效电路 (c)简化等效电路 (d)分析等效电路由简化等效电路：由简化等效电路：式中式中共基电路输出为低阻节点共基电路输出为低阻节点( (RL 小小) )时，上限角频率时，上限角频率 fH f 由于由于Cb c很小，因此当很小，因此当RL 较小时较小时: fH2 fH1fH fH1 f 结论：结论：三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。三种组态电路中，共基电路频率特性最好、共发最差。考考虑到虑到混和混和型电路实际情况型电路实际情况，共集、共基电路应工作在，共集、共基电路应工作在fT /3/3以下。以下。reCb eCb cgmVb eb VoRS+ - -R L+ - -VsecIe(s)共基简化等效电路共基简化等效电路例题例题5-2-25-2-2图图5.2.25.2.2放大器频率特性分析举例放大器频率特性分析举例 估算每个估算每个PNPN结结电容单独作用时，其它电容作开路处理。结结电容单独作用时，其它电容作开路处理。例题例题5-2-25-2-2图图 q 组合电路宽带放大器组合电路宽带放大器 共发共发共基组合电路共基组合电路 三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路三种组态中，共发电路上限频率最低，因此，组合电路上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，上限频率主要由共发电路决定。为扩展整个电路上限频率，应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。应设法使共发电路的输入、输出为低阻节点。Vs(s)+ - -RL+ - -RST1T2Vo(s)+ - -RL+ - -RST1T2Vs(s)Vo(s) 共集共集共发组合电路共发组合电路 因为共基电路因为共基电路Ri2小小因此扩展了上限频率。因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输出节点则共发电路具有低阻输出节点因为共集电路因为共集电路RO1小小因此扩展了上限频率。因此扩展了上限频率。则共发电路具有低阻输入节点则共发电路具有低阻输入节点