第4章-放大电路的频率响应课件

第第4章章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应4.1频率响应概频率响应概述述4.2晶体管的晶体管的高频等效模型高频等效模型4.4单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应4.3场效应管的场效应管的高频等效模型高频等效模型4.6集成运放的频率响应和频率补偿集成运放的频率响应和频率补偿本章重点和考点：本章重点和考点：2、单管共射放大电路混合、单管共射放大电路混合模型等效电路图、模型等效电路图、频率响应的表达式及波特图绘制频率响应的表达式及波特图绘制。1、晶体管、场效应管的混合、晶体管、场效应管的混合模型。模型。本章教学时数：本章教学时数：6学时学时本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.为什么要讨论频率响应？如何制定一个为什么要讨论频率响应？如何制定一个RC网络的频网络的频率响应？如何画出频率响应曲线？率响应？如何画出频率响应曲线？2.晶体管与场效应管的晶体管与场效应管的h参数等效模型在高频下还适应吗参数等效模型在高频下还适应吗？为什么？为什么？3.什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何什么是放大电路的通频带？哪些因素影响通频带？如何确定放大电路的通频带？确定放大电路的通频带？4.如果放大电路的频率响应，应该怎么办？如果放大电路的频率响应，应该怎么办？5.对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？对于放大电路，通频带愈宽愈好吗？6.为什么集成运放的通频带很窄？有办法展宽吗？为什么集成运放的通频带很窄？有办法展宽吗？4.1频率响应频率响应概念概念第五章第五章4.1.1 4.1.1 频率响应的概念频率响应的概念频率响应的概念频率响应的概念1.1.频率响应频率响应频率响应频率响应 放大电路的电压放大倍数放大电路的电压放大倍数放大电路的电压放大倍数放大电路的电压放大倍数A Au u是频率的函数，这种是频率的函数，这种是频率的函数，这种是频率的函数，这种函数关系称为放大电路的函数关系称为放大电路的函数关系称为放大电路的函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性频率响应或频率特性频率响应或频率特性频率响应或频率特性。放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数A Au u(f f)与频率与频率与频率与频率f f的关系，称为的关系，称为的关系，称为的关系，称为幅频响应幅频响应幅频响应幅频响应 。相位差相位差相位差相位差(f f)相位差与频率相位差与频率相位差与频率相位差与频率f f的关系，称为的关系，称为的关系，称为的关系，称为相频响应相频响应相频响应相频响应 。放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。2.2.通频带通频带通频带通频带 在在中频区中频区各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大各种电容的影响均可以忽略不计，电压放大倍数倍数Au基本上不随信号频率而变化，保持常数。基本上不随信号频率而变化，保持常数。在在低频区低频区，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的，放大电路的耦合电容和发射极旁路电容的影响不可忽略，会使放大倍数下降；影响不可忽略，会使放大倍数下降；在在高频区高频区，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不，此时三极管的极间电容和接线电容的影响不可忽略，也会使放大倍数下降。可忽略，也会使放大倍数下降。3.3.幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真 放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形放大器不能使不同频率的信号得到同样的放大，使输出波形产生失真，这种失真称为产生失真，这种失真称为产生失真，这种失真称为产生失真，这种失真称为频率失真频率失真频率失真频率失真，又称为，又称为，又称为，又称为线性失真线性失真线性失真线性失真 。频率失真又包括幅度失真和相位失真。频率失真又包括幅度失真和相位失真。幅度失真：幅度失真：是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同是由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同 而引起输出波形产生的失真。而引起输出波形产生的失真。相位失真：相位失真：是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而是由于放大器对不同频率信号的相位移不同而 引起输出波形产生的失真。引起输出波形产生的失真。3.3.幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真幅频失真和相频失真 (a)幅度失真幅度失真(b)相位失真相位失真一、一、高通电路高通电路+_+_CR图图 5.1.1（a)RC 高通电路高通电路令：令：4.1.2RC电路的频率响应电路的频率响应fL称为下限截止频率称为下限截止频率第五章第五章4.1.2 4.1.2 RC RC电路的频率响应电路的频率响应电路的频率响应电路的频率响应1.RC1.RC低通电路低通电路低通电路低通电路时间常数时间常数H=R1C1，令，令幅频响应：幅频响应：相频响应：相频响应：（1 1）幅频响应：）幅频响应：）幅频响应：）幅频响应：当当ffH 时，时，随着随着f的上升的上升，越来越小越来越小两条直线的交点两条直线的交点f H称为转折频率。称为转折频率。当当ffH 时，时，(2)(2)相频响应：相频响应：相频响应：相频响应：当当f=fH 时，时，随着随着f的上升的上升，越来越小越来越小可以利用可以利用RC低通电路来模低通电路来模拟放大电路的高频响应。拟放大电路的高频响应。则有：则有：放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。(3)(3)低通电路的波特图低通电路的波特图低通电路的波特图低通电路的波特图对数对数幅频特性：幅频特性：0.1 fHfH 10 fHf0 20 403dB 20dB/十倍频十倍频对数相频特性：对数相频特性：fH 10 fH 455.715.71 45/十倍频十倍频 900.1 fH 0f在在高高频频段段，低低通通电电路路产产生生0 90的的滞滞后后相移。相移。（3）低通电路的波特图）低通电路的波特图2.RC高通电路高通电路时间常数时间常数L=R2C2，令，令幅频响应：幅频响应：相频响应：相频响应：（1 1）幅频响应：）幅频响应：）幅频响应：）幅频响应：当当ffL 时，时，随着随着f的下降的下降，越来越小越来越小当当ffH 时，时，(2)(2)相频响应：相频响应：相频响应：相频响应：当当f=fH 时，时，随着随着f的下降的下降，越来越小越来越小可以利用可以利用RC高通电路来模高通电路来模拟放大电路的低频响应。拟放大电路的低频响应。则有：则有：放大电路的放大电路的对数频率特性对数频率特性称为称为波特图波特图。(3)(3)高通电路的波特图高通电路的波特图高通电路的波特图高通电路的波特图对数幅频特性：对数幅频特性：对数幅频特性：对数幅频特性：实际幅频特性曲线：实际幅频特性曲线：图图 5.1.3(a)幅频特性幅频特性当当 f fL(高频高频)，当当 f fT 时，时，三极管失去放大作用；三极管失去放大作用；f =fT 时，由式时，由式得：得：3.共基截止频率共基截止频率 f 值下降为低频值下降为低频 0 时时 的的 0.707 时的频率。时的频率。【f 与与 f 、fT 之间关系之间关系】：因为因为可得可得【说明：说明：】所以：所以：1.f 比比 f 高很多，等于高很多，等于 f 的的(1+0)倍；倍；2.f fT Rs，Rb rbe；(1+gmRc)Cb c Cb e第五章第五章说明：说明：式式不不很很严严格格，但但从从中中可可以以看看出出一一个个大大概概的的趋趋势势，即即选选定定放放大大三三极极管管后后，rbb 和和 Cb c 的的值值即即被被确确定定，增增益益带带宽宽积积就就基基本本上上确确定定，此此时时，若若将将放放大大倍倍数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。数提高若干倍，则通频带也将几乎变窄同样的倍数。如如愈愈得得到到一一个个通通频频带带既既宽宽，电电压压放放大大倍倍数数又又高高的的放放大大电电路路，首首要要的的问问题题是是选选用用 rbb 和和 Cb c 均均小小的的高高频频三三极极管。管。*场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅）场效应管共源放大电路的增益带宽积（自阅）第五章第五章复习：复习：1.晶体管、场效应管的晶体管、场效应管的混合混合 模模型型2.单管共射放大电路的单管共射放大电路的频率响应频率响应表达式：表达式：波特图的绘制：波特图的绘制：三段直线构成幅频特性三段直线构成幅频特性五段直线构成相频特性五段直线构成相频特性第五章第五章4.5多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应4.5.1多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路频率特性的定性分析多级放大电路的电压放大倍数：多级放大电路的电压放大倍数：对数幅频特性为：对数幅频特性为：在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效在多级放大电路中含有多个放大管，因而在高频等效电路中有电路中有多个低通电路多个低通电路。如有多个耦合电容或旁路电。如有多个耦合电容或旁路电容，则在低频等效电路中就含有容，则在低频等效电路中就含有多个高通电路多个高通电路。第五章第五章多级放大电路的总相位移为：多级放大电路的总相位移为：两级放大电路的波特图两级放大电路的波特图图图 5.5.1fHfL幅频特性幅频特性fOfL1fH16 dB3 dB3 dBfBW1fBW2一一 级级二二 级级 20dB/十倍频十倍频 40dB/十倍频十倍频第五章第五章图图 5.5.1相频特性相频特性 270 360fL1fH1fO 540 180 450 90一一 级级二二 级级多多级级放放大大电电路路的的通通频频带带，总总是是比比组组成成它它的的每每一一级级的的通频带为窄。通频带为窄。第五章第五章5.5.2多级放大电路的上限频率和下限频率的估算多级放大电路的上限频率和下限频率的估算在在实实际际的的多多级级放放大大电电路路中中，当当各各放放大大级级的的时时间间常常数数相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据相差悬殊时，可取其主要作用的那一级作为估算的依据即即：若若某某级级的的下下限限频频率率远远高高于于其其它它各各级级的的下下限限频频率率，则则可可认认为为整整个个电电路路的的下下限限频频率率就就是是该该级级的的下下限限频频率率。同同理理若若某某级级的的上上限限频频率率远远低低于于其其它它各各级级的的上上限限频频率率，则则可可认认为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。为整个电路的上限频率就是该级的上限频率。第五章第五章例例5.5.1已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频已知某电路的各级均为共射放大电路，其对数幅频特性如图所示。求特性如图所示。求下限频率、下限频率、上限频率和电压放大倍数。上限频率和电压放大倍数。（2）高频段只有一个拐点，）高频段只有一个拐点，斜率为斜率为-60dB/十倍频程，电十倍频程，电路中应有三个电容，为三级路中应有三个电容，为三级放大电路。放大电路。解：（解：（1）低频段只有一个）低频段只有一个拐点，说明影响低频特性拐点，说明影响低频特性的只有一个电容，故电路的只有一个电容，故电路的下限频率为的下限频率为10Hz。fH0.52fH1=(0.522105)Hz=106KHz（3）电压放大倍数）电压放大倍数第五章第五章例例5.5.2分别求出如图分别求出如图所示所示Q点稳定电路中点稳定电路中C1 C2和和Ce所确定的下限频率所确定的下限频率的表达式及电路上限频的表达式及电路上限频率表达式。率表达式。C1RcRb2+VCCC2RL+CeuoRb1Reui图图 2.4.2阻容耦合的静态工作点稳定电路阻容耦合的静态工作点稳定电路b解：交流等效电路解：交流等效电路图图5.5.3(a)Q点稳定电路的交流等效电路点稳定电路的交流等效电路第五章第五章1.考虑考虑C1对低频特性的影响对低频特性的影响(b)C1所在回路的等效电路所在回路的等效电路2.考虑考虑C2对低频特性的影响对低频特性的影响(c)C2所在回路的等效电路所在回路的等效电路第五章第五章3.考虑考虑Ce对低频特性的影响对低频特性的影响(d)Ce所在回路的等效电路所在回路的等效电路4.4.考虑结电容对高频特性的影响考虑结电容对高频特性的影响(e)结电容所在回路的等效电路结电容所在回路的等效电路比比较较C1、C2、Ce所所在在回回路路的的时时间间常常数数1 1、2 2、e e,当当取取C C1 1C C2 2CeCe时时，e e将将远远小小于于1 1,2 2，即即f fLeLe远大于远大于f fL1L1和和f fL2L2因此，因此，f fLeLe就约为电路的下限频率就约为电路的下限频率。第五章第五章4.6 放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应 研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下研究放大电路在不同频率的正弦波输入信号的作用下的频率响应，这种分析方法称为的频率响应，这种分析方法称为频域法频域法。优点优点:是分析简单，实际测试方便是分析简单，实际测试方便 缺点缺点:是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路是用幅频响应和相频响应不能直观地确定放大电路的波形失真，的波形失真，采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波采用阶跃信号作为测试信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析形随时间变化的情况，称为放大电路的阶跃响应，其分析方法称为方法称为时域法时域法。优点优点:是可以很直观地判断放大电路的波形失真是可以很直观地判断放大电路的波形失真缺点缺点:是分析比较复杂是分析比较复杂1.阶跃信号阶跃信号2.单级放大电路的阶跃响应单级放大电路的阶跃响应（1）上升时间）上升时间t r上升部分可以采用上升部分可以采用RC低通电路来模拟低通电路来模拟（1）上升时间）上升时间t r 定义上升时间定义上升时间t r来表示前沿失真，来表示前沿失真，上升时间上升时间t r是指是指输出电压从终始值的输出电压从终始值的10%上升到上升到90%所需的时间所需的时间。说明：说明：上升时间上升时间tr与上限频率与上限频率fH成反比，成反比，fH越高，则上升时间越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。愈短，前沿失真越小。（2）平顶降落）平顶降落平顶部分可以采用平顶部分可以采用RC高通电路来模拟高通电路来模拟 输出电压是按指数规律下输出电压是按指数规律下降的现象称为降的现象称为平顶降落平顶降落。下降速度取决于时间常数下降速度取决于时间常数RC，平顶降落平顶降落：是指在规定的时间是指在规定的时间tp内，输出电压比终始值下内，输出电压比终始值下降的百分数。即降的百分数。即当 时，有考虑到：考虑到：平顶降落平顶降落与低频下限频率与低频下限频率fL成正比成正比fL越低，越低，平顶降落平顶降落越小越小 则tp代表方波的半个周期，即代表方波的半个周期，即 则平顶降落则平顶降落为为 5.6 集成运放的频率响应和频率补偿集成运放的频率响应和频率补偿5.6.1集成运放的频率响应集成运放的频率响应集成运放有很好的低频特性（集成运放有很好的低频特性（fL0）：）：集成运放直接耦合放大电路集成运放直接耦合放大电路集成运放高频特性较差：集成运放高频特性较差：集成运放集成运放AOd很大，很大，等效电等效电容容 或或 很大；集成运放很大；集成运放内部需接补偿电容。内部需接补偿电容。末加频率补偿集成运放末加频率补偿集成运放的频率响应的频率响应图图5.6.1末加频率补偿末加频率补偿fC单位增益带宽单位增益带宽fO附加相移为附加相移为 1801800 0对应的频率对应的频率集成运放常引入负反馈，容集成运放常引入负反馈，容易产生自激振荡。易产生自激振荡。自激振荡产生的条件自激振荡产生的条件存在存在fO，且，且fO fC如何消除自激振荡？如何消除自激振荡？图图5.6.1末加频率补偿的集成运放末加频率补偿的集成运放的频率响应的频率响应5.6.2集成运放的频率补偿集成运放的频率补偿频率补偿频率补偿：在集成运放电路中接入不同的补偿电路，改：在集成运放电路中接入不同的补偿电路，改变集成运放的频率响应，使变集成运放的频率响应，使f=fO时，时，20lgA0d-1800，从而破坏产生从而破坏产生自激振荡的条件，使电路稳定。自激振荡的条件，使电路稳定。稳定裕度稳定裕度幅值裕度幅值裕度相位裕度相位裕度fCfO一般要求一般要求Gm-10dB,m450一、滞后补偿一、滞后补偿在加入补偿电容后，使运放的幅频特性在大于在加入补偿电容后，使运放的幅频特性在大于0dB的的频率范围内只存在一个拐点，并按频率范围内只存在一个拐点，并按-20dB/十倍频的斜十倍频的斜率下降，即相当于一个率下降，即相当于一个RC回路的频率响应。其附加回路的频率响应。其附加相移为相移为-900。1.简单电容补偿简单电容补偿将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级将一个电容并接在集成运放时间常数最大的那一级电路中，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降电路中，使幅频特性中的第一拐点的频率进一步降低，以至增益隋频率始终按低，以至增益隋频率始终按-20dB/十倍频的斜率下十倍频的斜率下降，直至降，直至0dB。设某运放第二级放大电路输设某运放第二级放大电路输入端等效电容所在回路的时入端等效电容所在回路的时间常数最大间常数最大图图5.6.3滞后补偿前后集成运放的幅频特性滞后补偿前后集成运放的幅频特性图图5.6.4简单电容补偿简单电容补偿加加C之前之前加加C之后之后将电容将电容C跨接在某级放大电路的输入端和输出端，跨接在某级放大电路的输入端和输出端，则折合到输入端的则折合到输入端的等效电容等效电容C/是是C的的Auk倍，倍，（Auk该级放大电路的电压放大倍数该级放大电路的电压放大倍数）2.密勒效应补偿密勒效应补偿图5.6.5密勒效应补偿密勒效应补偿滞后补偿的缺点：滞后补偿的缺点：降低了上限频率降低了上限频率二、超前补偿（略）二、超前补偿（略）