模拟电子技术基础

第五章5.2

放大电路的频率响应

5.1 频率响应概述晶体管的高频等效电路

5.4 单管共射放大电路的频率响应 5.5 多级放大电路的频率响应

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5.1 频率响应概述

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传电

感 器

放大电路在电子系统中的位置 计 放 算 大 电 机 电 系 路 统

的

大

在

加

放大电路 电

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一、频率响应的基本概念1. 研究的问题： 研究的问题： 放大电路对信号频率的适应程度， 放大电路对信号频率的适应程度，即信号频 率对放大倍数的影响。 率对放大倍数的影响。 由于放大电路中耦合电容、旁路电容、 由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导 体器件极间电容的存在， 体器件极间电容的存在，使放大倍数为频率的 函数。 函数。 在使用一个放大电路时应了解其信号频率的 适用范围，在设计放大电路时， 适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频 率的范围要求。 率的范围要求。

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. Uo

. I . Ui

2. 基本概念信号频率越高， (1)高通电路 信号频率越高，输出电压越接近输入电 )高通电路:信号频率越高 压。

& & & & & U o 超前U i,当 f → 0 时；U o → 0,U o 超前U i 90°。& Uo & Au = = & Ui令f L = 1 2 πRC

R 1 +R jωC

=

1 jωRC 1 1 = = = 2πf L f 1 + jωRC 1 + 1 1+ 1+ L jωRC jω jf& Au = 1 f 1+ L jf j = f fL f fL

ω = 2πf

1+ j

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(1)高通电路：频率响应 )高通电路：

fLf>>fL时放大 倍数约为1 倍数约为

& Au =

1 fL 1+ jf

=

f j fL f 1+ j fL

f fL & Au = 1 + ( f fL )2 = 90° arctan( f f ) L

低频段放大倍数表达式的特点？下限截止频率的特征？ 低频段放大倍数表达式的特点？下限截止频率的特征？

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(2)低通电路: )信号频率越低，输出电压越接近输入电压。 信号频率越低，输出电压越接近输入电压。. I . Ui . Uo

& & & & & U o 滞后U i,当 f → ∞ 时； o → 0,U o 滞后U i 90°。 U1 & 1 & = U o = jωC = Au & 1 Ui + R 1 + jωRC j ωC

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(2)低通电路：频率响应 )低通电路：f<<fH时放大 倍数约为1 倍数约为

fH& 1 & = Uo = Au & U i 1 + jωRC

1 1 & = 令f H = ,则Au 2πRC 1+ j f fH

1 & Au = 1 + ( f fH )2 = arctan( f f ) H

低频段放大倍数表达式的特点？上限截止频率的特征？ 低频段放大倍数表达式的特点？上限截止频率的特征？

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(3)几个结论 )jf f L ① 电路低频段的放大倍数需乘因子 1 + jf f L1 电路高频段的放大倍数需乘因子 1 + jf f L

② 当 f=fL时放大倍数幅值约降到 时放大倍数幅值约降到0.707倍，相角超前 ； 超前45º; 倍 相角超前 时放大倍数幅值也约降到0.707倍，相角滞后 。 滞后45º。 当 f=fH时放大倍数幅值也约降到 倍 相角滞后 ③ 截止频率决定于电容所在回路的时间常数

f L(H)

1 = 2 πτ

频率响应有幅频

特性和相频特性两条曲线。 ④ 频率响应有幅频特性和相频特性两条曲线。

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二、放大电路的频率参数高通 电路 低通 电路 下限频率f bw = f H f L

上限频率

在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、 在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电 容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。 容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。 在高频段，随着信号频率逐渐升高， 在高频段，随着信号频率逐渐升高，晶体管极间电容和 分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小， 分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号 损失，放大能力下降。 损失，放大能力下降。

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(一)波形的非线性失真– 饱和失真：由于放大电路的工作点靠近三极管的饱和 区而引起的非线性失真。 – 截止失真：由于放大电路的工作点靠近三极管的截止 区而引起的非线性失真。 – 双向失真：静态工作点位置合适，但信号过大所引起 的非线性失真。

一、放大电路的失真

(二)波形的线性失真(频率失真) 波形的线性失真(频率失真)– 从传感器而来的交流输入信号中有很多的频率成分， 如果放大电路不能对这些频率成分的信号放大同样的 倍数，那么放大电路输出的波形与输入波形相比，就 会不同，这就是波形的线性失真。

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为了要得出放大电路的中频区的具体范围 二、为什么要研究放大电路的频 要使传感器输出的交流信号的频率范围落 率响应？ 率响应？ 在放大电路的中频区中，这样才不会出现 线性失真

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3dB 频率点20lg|AV|/dB 60 3dB

3dB 频率点

中频区 高频区带宽

低频区4020 0 2 20 fL 2× 102 2× 103 2× 104 fH f/Hz

f H — —上限频率

f L — —下限频率 BW = f H f L 称为带宽

在低频区和高频区， 放大电路的增益为什 么下降？

当 f H >> f L时， BW ≈ f H

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放大电路的高频响应：上限频率 放大电路的高频响应： 放大电路的低频响应：下限频率 放大电路的低频响应： 如何确定上限频率和下限频率

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在这之前进行的分析是对中频交流信号的 分析，中频交流信号即频率不是太高也不 交流工作情况分析 是太低的交流信号，还没有给出明确的中 频区的范围，我们现在要做的工作就是要 给出明确的中频区的范围，即确定下限频 率和上限频率

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若要分析放大电路对高频交流信号的响应， 就给出高频交流通路 画出交流通路 若要分析放大电路对低频交流信号的响应， 就给出低频交流通路 若要分析放大电路对中频交流信号的响应， 就给出中频交流通路

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5.2

晶体管的高频等效电路

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晶体管的高频等效电

路1. 混合π模型：形状像Π,参数量纲各不相同 混合π模型：形状像Π结构：由体电阻、结电阻、结电容组成。 结构：由体电阻、结电阻、结电容组成。因面积大 而阻值小

因多子浓 度高而阻 值小

rbb’:基区体电阻 rb’e’:发射结电阻 Cπ:发射结电容 re:发射区体电阻 rb’c’:集电结电阻 Cµ:集电结电容 rc:集电区体电阻

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混合π模型：忽略小电阻， 混合π模型：忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系因在放大区i 因在放大区 C几乎仅 决定于i 决定于 B而阻值大 因在放大区承受反 向电压而阻值大

gm为跨导，它不随信号频率 为跨导， 的变化而变。 的变化而变。 为什么引入参数g 为什么引入参数 m?

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混合π模型： 混合π模型：忽略大电阻的分流

Cµ连接了输入回路 和输出回路， 和输出回路，引入 了反馈， 了反馈，信号传递 有两个方向， 有两个方向，使电 路的分析复杂化。 路的分析复杂化。

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混合π模型的单向化( 使信号单向传递) 混合 模型的单向化(即使信号单向传递) 模型的单向化& & & U b'e U ce U b'e & = (1 k ) I Cµ = X Cµ X Cµ' k ≈ g m RL

等效变换后电流不变

X C 'µ

& X Cµ U b'e = ≈ ' & I Cµ 1 + g m RL

' ' Cµ ≈ (1 + g m RL )Cµ

k 1 Cµ 同理可得，C ≈ k'' µ