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清华版模电课件-第5章-频率响应10本章本章讨论的问题讨论的问题:1.为什么为什么要研究放大电路的频率响应要研究放大电路的频率响应？2.如何如何测定一个测定一个RC网络的频率响应网络的频率响应？怎样画出频率特怎样画出频率特性曲线性曲线？3.晶体管的晶体管的h参数等效模型在高频信号下还适用吗参数等效模型在高频信号下还适用吗？4.什么什么是放大电路的通频带是放大电路的通频带？哪些因素响应通频带哪些因素响应通频带？5.如何确定放大电路的通频带？如何确定放大电路的通频带？5.15.1 频率响应概述频率响应概述一、频率响应的一、频率响应的概念概念三、三、简单简单RC电路的电路的频率响应频率响应二、放大电路的频率参数二、放大电路的频率参数四、波特图四、波特图一、一、频率响应的概念频率响应的概念Au(f)幅频响应幅频响应（特性）（特性）(f)相频响应相频响应（特性）（特性）频率频率响应响应（特性）（特性）-放大电路对信号频率的适应程度，即放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放信号频率对放大倍数的影响大倍数的影响，也就是，也就是Au与与 f 的关系的关系。为什么为什么Au与与 f 有关呢？有关呢？-由于放大电路中由于放大电路中有有耦合电容、旁路电容、半导体器件极耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容间电容以及线路间分布电容以及线路间分布电容的存在，使放大倍数为频率的函数。的存在，使放大倍数为频率的函数。1.频率响应频率响应 什么是频率响应？什么是频率响应？一、一、频率响应的概念频率响应的概念2.频率频率失真失真q 幅频失真和相频失真总称幅频失真和相频失真总称频率失真频率失真频率失真频率失真-线性失真线性失真q 因放大电路对不同频率信号的因放大电路对不同频率信号的放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数不同，不同，使输出波形产生的失真使输出波形产生的失真幅度频率失真幅度频率失真幅度频率失真幅度频率失真（幅频失真）（幅频失真）q 放大电路对不同频率信号的放大电路对不同频率信号的相移相移相移相移不同，使输出波不同，使输出波形产生失真形产生失真相位频率失真相位频率失真相位频率失真相位频率失真（相频失真）（相频失真）一、一、频率响应的概念频率响应的概念2.频率频率失真（举例）失真（举例）二、二、放大电路的频率参数放大电路的频率参数 在低频段，随着信号频率逐渐降在低频段，随着信号频率逐渐降低，低，耦合电容、旁路电容耦合电容、旁路电容等的容抗等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力增大，使动态信号损失，放大能力下降。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晶体管极间电容和分布电容、寄生电容等电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。放大能力下降。二、二、放大电路的频率参数放大电路的频率参数-通频带、上限截止频率、下限截止频率通频带、上限截止频率、下限截止频率耦合电耦合电容造成容造成三极管结三极管结电容造成电容造成fL下限截止下限截止频率频率fH上限截止上限截止频率频率ffbw=fH fL中频电压放大倍数中频电压放大倍数 通频带通频带放大倍数随频率变化曲线放大倍数随频率变化曲线幅频特性曲线幅频特性曲线三、三、简单简单RC电路的频率响应电路的频率响应1.RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应高通电路高通电路-信号频率越高，输出电压越接近输入电压。信号频率越高，输出电压越接近输入电压。频率特性频率特性：1.RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应三、三、简单简单RC电路的频率响应电路的频率响应90 fO|Au|10.707O45 fLf幅频特性幅频特性相频特性相频特性2.RC低通电路的频率特性低通电路的频率特性 低通电路低通电路-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。三、三、简单简单RC电路的频率响应电路的频率响应 频率特性频率特性：2.RC低通电路的频率特性低通电路的频率特性 三、三、简单简单RC电路的频率响应电路的频率响应fO|Au|10.707O45 90 fHf幅频特性幅频特性相频特性相频特性几个结论几个结论 电路低频段的放大倍数需乘因子电路低频段的放大倍数需乘因子 当信号频率等于当信号频率等于fL或或fH 时，放大倍数幅值约降到时，放大倍数幅值约降到0.707倍倍，而且产生而且产生45 的相移；的相移；电路截止频率决定于电容所在回路的时间常数，即电路截止频率决定于电容所在回路的时间常数，即电路高频段的放大倍数需乘因子电路高频段的放大倍数需乘因子 频率响应有频率响应有幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性两条曲线。两条曲线。四、四、波特图波特图q 由由对数幅频特性对数幅频特性和和对数相频特性对数相频特性两部分组成两部分组成;q 横轴横轴 f 采用对数坐标采用对数坐标;q 幅频特性的纵轴采用幅频特性的纵轴采用20lg|u|，单位是分贝单位是分贝(dB);q 相频特性的纵轴仍用相频特性的纵轴仍用 表示表示。为简单起见，常为简单起见，常用用近似折线近似折线代替代替实际曲线实际曲线画出的画出的波特图波特图称为称为近似近似近似近似波特图波特图波特图波特图，是分析放大电路频率响应的是分析放大电路频率响应的重要手段。重要手段。1.RC高通电路的高通电路的波特图波特图四、四、波特图波特图对数对数幅频特性为：幅频特性为：相频特性不变：相频特性不变：频率特性频率特性90 fO|Au|10.707O45 fLf1.RC高通电路的高通电路的波特图波特图f 10 fL20lg|Au|=0 dBf=fL20lg|Au|=20lg0.707=-3 dBf 0.1 fL20lg|Au|=20lg f/fLf/fLO20lg|Au|/dB20O45 90 400.1 1 100.1 1 10f/fL四、四、波特图波特图+20 dB/十倍频十倍频 3 dB波特图波特图 45/十倍频十倍频四、四、波特图波特图高通电路的波特图高通电路的波特图在在 时，是一条斜率为时，是一条斜率为+20dB/十倍频程十倍频程的直线；的直线；在在 时，是一条时，是一条0dB的水平的水平直线；直线；在在近似分析中，可用折线化近似分析中，可用折线化的近似波特图来描述放大电路的的近似波特图来描述放大电路的频率特性。频率特性。在在对数幅频特性中，由两段直线近似，对数幅频特性中，由两段直线近似，以截止频率以截止频率fL为拐点：为拐点：在在对数相频特性中，由三段直线近似，以截止频率对数相频特性中，由三段直线近似，以截止频率0.1fL和和10fL为拐点：为拐点：当当 时，时，用用 的的直线直线近似近似；当当 时，时，用用 的的直线直线近似近似；当当 时，时，随随f 线性下降线性下降，当，当f=fL时时 。四、四、波特图波特图对数对数幅频特性为：幅频特性为：2.RC低通电路的波特图低通电路的波特图 相频特性不变：相频特性不变：90 f0|Au|10.707045 fHf频率特性频率特性四、四、波特图波特图2.RC低通电路的波特图低通电路的波特图 f/fH020lg|Au|/dB20045 90 fH400.1 1 10 1000.1 1 10f/fH波特图波特图f 0.1 fH20lg|Au|=0 dBf=fH20lg|Au|=20lg0.707=-3 dBf 10 fH20lg|Au|=-20lg f/fH 3 dB 20 dB/十倍频十倍频 45/十倍频十倍频四、四、波特图波特图低通电路的波特图低通电路的波特图在在 时，是一条斜率为时，是一条斜率为 -20dB/十倍频程十倍频程的直线；的直线；在在对数幅频特性中，由两段直线近似，对数幅频特性中，由两段直线近似，以截止频率以截止频率fH为拐点：为拐点：在在 时，是一条时，是一条0dB水平水平直线直线。在在对数相频特性中，由三段直线近似，以截止频率对数相频特性中，由三段直线近似，以截止频率0.1fH和和10fH为拐为拐点：点：当当 时，时，用用 的的直线直线近似近似；当当 时，时，用用 的的直线直线近似近似；当当 时，时，随随f 线性下降线性下降，当，当 f=fL 时时 。四、四、波特图波特图作作幅幅频特性频特性波特图的方法：波特图的方法：1、横轴上标出、横轴上标出0.1fL、fL 和和 fH、10 fH 点，点，2、纵轴上标出、纵轴上标出-20dB点，点，3、点、点(0.1fL，-20dB)与与(fL，0dB)，点点(10 fH，-20dB)与与(fH，0dB)，连线。，连线。特点：忽略了特点：忽略了-3dB的误差，以的误差，以fL、fH为拐点，得为拐点，得 “折线折线”一级一级RC电路电路幅频特性幅频特性的斜率为的斜率为20dB/十倍频十倍频四、四、波特图波特图作作相相频特性频特性波特图的方法：波特图的方法：1、横轴上标出、横轴上标出0.1fL、fL、10fL点，在纵轴上标出点，在纵轴上标出00、+450、+900点，点，(0.1fL、+900)(fL、+450)(10fL、00)连线。连线。2、横轴上标出、横轴上标出0.1fH、fH、10 fH点，在纵轴上标出点，在纵轴上标出00、-450、-900点，点，(0.1fH、00)(fH、-450)(10fH、-900)连线。连线。一级一级RC电路相电路相频特性频特性的最大相移为的最大相移为905.2 晶体管的高频等效模型晶体管的高频等效模型一、晶体管的混合一、晶体管的混合模型模型二二、晶体管的频率参数、晶体管的频率参数结构：结构：由体电阻、结电阻、结电容组成。由体电阻、结电阻、结电容组成。rbb：基区体电阻：基区体电阻rbe：发射结电阻：发射结电阻C：发射结电容：发射结电容re：发射区体电阻：发射区体电阻rbc：集电结电阻：集电结电阻C：集电结电容：集电结电容rc：集电区体电阻：集电区体电阻因多子浓度因多子浓度高而阻值小高而阻值小因面积大而因面积大而阻值小阻值小一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型-形状像形状像，参数量纲各不相同，参数量纲各不相同1.完整的混合完整的混合模型模型-忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系忽略小电阻，考虑集电极电流的受控关系 gm为跨导，它不随信号频率为跨导，它不随信号频率的变化而变。的变化而变。一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型用用 代替代替2.简化的混合简化的混合模型模型-忽略大电阻的分流忽略大电阻的分流 C连接了输入回路连接了输入回路和输出回路，引入了和输出回路，引入了反馈，信号传递有两反馈，信号传递有两个方向，使电路的分个方向，使电路的分析复杂化。析复杂化。一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型rbc很大，可以忽略。很大，可以忽略。rce很大，也可以忽略。很大，也可以忽略。混合混合模型的单向化（模型的单向化（即即使信号单向传递）使信号单向传递）一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型见见课本课本227密勒电容密勒电容 晶体管简化的高频等效电路晶体管简化的高频等效电路（混合（混合模型）模型）一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型C C C =C +C 3.混合混合模型的主要参数模型的主要参数一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型混合混合模型与模型与h参数模型关系参数模型关系0为低频电为低频电流放大系数流放大系数又又低频时低频时二者等效：二者等效：3.混合混合模型的主要参数模型的主要参数一、一、晶体管的晶体管的混合混合模型模型？二二、晶体管的频率参数晶体管的频率参数（P228）共射截共射截止频率止频率共基截共基截止频率止频率特征特征频率频率可查手册获取可查手册获取 5.3 场效应管的高频等效电路（略）场效应管的高频等效电路（略）可与晶体管高频等效电流类比，简化、单向化变换。可与晶体管高频等效电流类比，简化、单向化变换。很大，可忽略其电流很大，可忽略其电流单向化变换单向化变换极间电容极间电容CgsCgdCds数值数值/pF1101100.11忽略忽略d-s间等效电容间等效电容5.4 单管放大电路的频率响应单管放大电路的频率响应二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应三三、频率响应的改善和增益带宽积、频率响应的改善和增益带宽积一、一、研究研究频率响应频率响应的方法的方法1.1.三个频段的划分三个频段的划分（1 1）中频区中频区(段段)特点特点:Aus基本基本与与 f 无关无关 基本基本与与 f 无关无关原因原因:不考虑电路中不考虑电路中所有所有 电容的电容的影响影响一、一、研究频率响应的方法研究频率响应的方法特点特点:Aus与与f有关有关(f下降下降Aus下降下降)也也与频率与频率f有关有关原因原因:由于由于耦合电容以及旁耦合电容以及旁路电容路电容的存在的存在，在频率比较在频率比较低时电容所产生的容抗不可低时电容所产生的容抗不可忽略忽略,使输出电压下降使输出电压下降，所以所以A Ausus下降下降，也产生附加相移。，也产生附加相移。一、一、研究频率响应的方法研究频率响应的方法（2 2）低）低频区频区(段段)特点特点:Aus与与f有关有关(f增大增大Aus下降下降)也也与频率与频率f有关有关原因原因:由于由于晶体管的极间电晶体管的极间电容以及分布电容容以及分布电容的存在的存在，在在频率比较频率比较高高时电容所产生的时电容所产生的容抗不可忽略容抗不可忽略,使输出电压下使输出电压下降降，所以所以A Ausus下降下降，也产生附，也产生附加相移。加相移。一、一、研究频率响应的方法研究频率响应的方法（2 2）高）高频区频区(段段)2.2.研究方法研究方法 -分频分频段段用等效电路法分析计算用等效电路法分析计算（1 1）中频区用中频区用h h参数微变等效电路分析计算参数微变等效电路分析计算（2 2）低频区低频区只只考虑考虑耦合电容（或旁路电容）耦合电容（或旁路电容）的影响的影响，画出等效电路画出等效电路,进行分析计算进行分析计算（3 3）高频区高频区只只考虑考虑晶体管的极间电容的影响晶体管的极间电容的影响，画出画出等效电路等效电路，进行分析计算进行分析计算一、一、研究频率响应的方法研究频率响应的方法二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应适用于信号频率从适用于信号频率从0的交的交流等效电路流等效电路中频段：中频段：C 短路，短路，开路。开路。低频段：考虑低频段：考虑C 的影响，的影响，开路。开路。高频段：考虑高频段：考虑 的影响，的影响，C 短路。短路。将输入信号的频率范围分为三个频段考虑将输入信号的频率范围分为三个频段考虑:1.1.中频电压放大倍数中频电压放大倍数Ausm二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应2.2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数Ausl二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应空载时：空载时：2.2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数Ausl二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应-下限截止频下限截止频率率课本课本P23320dB/十倍频十倍频2.2.低频电压放大倍数低频电压放大倍数Ausl-波特图波特图二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应高通电路的频率特性为：高通电路的频率特性为：课本课本P2253.3.高频电压放大倍数高频电压放大倍数Aush二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应课本课本P234二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应3.3.高频电压放大倍数高频电压放大倍数Aush-上上限截止频限截止频率率二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应3.3.高频电压放大倍数高频电压放大倍数Aush-波特图波特图低通电路的频率特性为：低通电路的频率特性为：课本课本P2254.4.完整的电压放大倍数波特图完整的电压放大倍数波特图全频段放大倍数表达式：全频段放大倍数表达式：二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应 将前面画出的频率特性的中频段将前面画出的频率特性的中频段、低频段和高频段画在同、低频段和高频段画在同一张图上就得到了如图所示的一张图上就得到了如图所示的完整完整的频率特性（波特）图的频率特性（波特）图。由上图可看出，画单管共射放大电路的频率特性由上图可看出，画单管共射放大电路的频率特性时，关键在于时，关键在于计计算出下限和上限截止频率算出下限和上限截止频率以及中频电压放大倍数以及中频电压放大倍数Ausm和下限截止频率取决于低频时输入回路的时间下限截止频率取决于低频时输入回路的时间常常数数二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应上限截止频率取决于高频时输入回路的上限截止频率取决于高频时输入回路的 时间常数时间常数 对数幅频特性对数幅频特性：在在 到到 之间，之间，是一条水平直线；在是一条水平直线；在 时，是一条斜率为时，是一条斜率为+20dB/十倍频程十倍频程的直线；在的直线；在 时，是一条斜率为时，是一条斜率为-20dB/十倍频程十倍频程的直线的直线。二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应-20dB/十倍十倍频频+20dB/十倍频十倍频在画波特图时，用折在画波特图时，用折线代替实际的曲线是线代替实际的曲线是有一定误差的。对数有一定误差的。对数幅频特性的最大误差幅频特性的最大误差为为3dB。相频特性相频特性：在 时，；在 时，；在 时，；二二、单管共射放大电路的频率响应、单管共射放大电路的频率响应而在而在f从从 到到 以及从以及从 到到 的范围内，的范围内，相频特性都是斜率为相频特性都是斜率为 十倍频程的直线。十倍频程的直线。-45/十倍频十倍频f Hf L1.1.对放大电路频率响应的要求对放大电路频率响应的要求 只有在通频带的范围内只有在通频带的范围内,放大电路的电压放大倍数才放大电路的电压放大倍数才有不变的幅值和相位，才能对不同频率的信号进行同样有不变的幅值和相位，才能对不同频率的信号进行同样的放大的放大；否则就要产生频率失真。否则就要产生频率失真。频率响应的要求是频率响应的要求是：放大电路的放大电路的 要低于输入信号中的最低频率分量要低于输入信号中的最低频率分量 要高于输入信号中的最高频率分量要高于输入信号中的最高频率分量三三、频率响应的改善和增益带宽积、频率响应的改善和增益带宽积2.2.对放大电路频率响应的改善对放大电路频率响应的改善（1）减小）减小 改善低频响应改善低频响应 方法：加大方法：加大C1、C2和和Ce 或采用直接耦合或采用直接耦合（2）增大）增大 改善高频响应改善高频响应 方法：方法：减小减小 C、C （采用高频管采用高频管）（3）引入负反馈）引入负反馈 3.3.放大电路的增益带宽积放大电路的增益带宽积三三、频率响应的改善和增益带宽积、频率响应的改善和增益带宽积fbw fH fL fH若若rbeRb、Rs fL1，fH fH1，频带变窄！，频带变窄！对于对于N级放大电路，若各级的下、上限频率分别为级放大电路，若各级的下、上限频率分别为fL1 fLn、fH1 fHn，整个电路的下、上限频率分别为，整个电路的下、上限频率分别为fL、fH，则，则一、多级放大电路的频率响应的定性分析一、多级放大电路的频率响应的定性分析结论结论 放大电路的下限频率高于任一级下限频率放大电路的下限频率高于任一级下限频率 放大电路的上限频率低于任一级上限频率放大电路的上限频率低于任一级上限频率放大电路的级数越多，通频带越窄；放大电路的级数越多，通频带越窄；放大电路的通频带小于任一级通频带放大电路的通频带小于任一级通频带由于由于求解使增益下降求解使增益下降3dB的频率，经修正，可得的频率，经修正，可得:1.1为修正系数为修正系数二、截止频率的估算（二、截止频率的估算（P241P243）具有相同频率特性的两具有相同频率特性的两级放大电路，有：级放大电路，有：具有相同频率特性的三具有相同频率特性的三级放大电路，有：级放大电路，有：放大电路的级数愈多，通频带愈窄！放大电路的级数愈多，通频带愈窄！讨论讨论1.该放大电路的耦合方式该放大电路的耦合方式?2.该放大电路为几级放大电路该放大电路为几级放大电路?3.在在 f 104Hz 时，增益下降多少？附加相移时，增益下降多少？附加相移？4.在在 f 105Hz 时，附加相移时，附加相移？5.fH？6.已知某放大电路的幅频特已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论下列问题：性如图所示，讨论下列问题：讨论讨论此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢