清华模电课件第11讲多级放大电路.ppt

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1、 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第二节第二节 放大电路的频率响应放大电路的频率响应一、基本概念一、基本概念(一一)频率响应（频率特性）频率响应（频率特性）放大电路对不同频率正弦信号的稳态响应放大电路对不同频率正弦信号的稳态响应 AuAu（复数）（复数）=|Au|=|Au|Au|Au|（f f）：）：放大电路的幅频特性放大电路的幅频特性 （f f）：）：放大电路的相频特性放大电路的相频特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学图图3-9 3-9 共射电路的频率响应共射电路的频率响应(a)(a)共射基本放大电路；共射基本放大电路；(b)(b)幅频特性；幅频特性

2、；(c)(c)相频特性相频特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 (二二)中频段、低频段和高频段中频段、低频段和高频段 当全面分析频率响应时，常分为三个频段进行：当全面分析频率响应时，常分为三个频段进行：中频段中频段、低频段低频段与与高频段高频段。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学1 1、中频段、中频段-在通频带以内的频率范围在通频带以内的频率范围 各种容抗忽略不计；各种容抗忽略不计；uu为常数，与频率无关为常数，与频率无关AuAuM M ；无其他附加相移，无其他附加相移，晶体管反相，晶体管反相，=180=180。通频带通频带 模拟电子技术模拟电子技术哈尔

3、滨工程大学哈尔滨工程大学耦合耦合、旁路电容旁路电容的容抗不可忽略，的容抗不可忽略，损耗一损耗一 部分信号部分信号,使放大倍数使放大倍数uu下下降，降，相移相移超前超前9090。2 2、低频段、低频段-的频率范围的频率范围下限截止频率下限截止频率 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 晶体管的晶体管的极间电容极间电容、接线电容接线电容使信使信号旁路掉一部分；号旁路掉一部分；晶体管的晶体管的 值值也随频率升高而减小，也随频率升高而减小，均使电压放大倍均使电压放大倍uu数下降，数下降，相移相移滞后滞后9090。3 3、高频段、高频段-的频率范围的频率范围上限截止频率上限截止频率 模拟

4、电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(三三)下限频率下限频率fLfL、上限频率、上限频率fHfH及通频带及通频带fbw fbw 通频带通频带 通频带的宽度表征放大电路对通频带的宽度表征放大电路对不同频率输入信号的响应能力，不同频率输入信号的响应能力，是放大电路的重要技术指标之是放大电路的重要技术指标之一。一。半功率频率半功率频率 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(四四)增益带宽积增益带宽积定义为放大电路的中频增益幅值和通频带乘积的绝对值，即定义为放大电路的中频增益幅值和通频带乘积的绝对值，即 增益带宽积增益带宽积=可见，欲使增益带宽积大，必须选用可见，欲使增益带

5、宽积大，必须选用 及及 小的高小的高频管。当管子选定后，增益带宽积大体上就一定了。因此，频管。当管子选定后，增益带宽积大体上就一定了。因此，若把放大倍数提高几倍，通频带也几乎变窄同样的倍数，即若把放大倍数提高几倍，通频带也几乎变窄同样的倍数，即增益带宽积为一个常数。增益带宽积为一个常数。常量常量由理论分析推导知由理论分析推导知 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学二、频率特性曲线及其画法二、频率特性曲线及其画法1.1.共射电路全频段频率响应共射电路全频段频率响应 分分三三个频段进行个频段进行 先画幅频特性，顺序是中频段、低频段和高频段。先画幅频特性，顺序是中频段、低频段和高频段

6、。将三个频段的频率特性将三个频段的频率特性(或称频率响应或称频率响应)合起来就是全合起来就是全频段的幅频特性，频段的幅频特性，再根据幅频特性画出相应的相频特性来。再根据幅频特性画出相应的相频特性来。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(1)中频段中频段与频率无关的常数，与频率无关的常数，就是一条水平线。就是一条水平线。短路短路断路断路为什么短路？为什么短路？为什么断路？为什么断路？模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(2)低频段低频段起作用起作用断路断路起主要作用起主要作用幅频特性幅频特性相频特性相频特性 模

7、拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(3)高频段高频段短路短路起作用起作用起主要作用起主要作用幅频特性幅频特性相频特性相频特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学(4)全频段全频段 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2 2、波特图（、波特图（BodeBode）采用折线近似的方法画出的对数频率特性曲线采用折线近似的方法画出的对数频率特性曲线(1)(1)幅频特性：幅频特性：(2)(2)相频特性：相频特性：横轴：横轴：f f 单位单位H HZ Z纵轴：纵轴：20lg|u|20lg|u|单位单位dBdB纵轴：纵轴：（线性）（线性）单位度单位度横轴：横轴

8、：f f 单位单位H HZ Z采用对数坐标系采用对数坐标系 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学3 3、幅频特性波特图（低频段）、幅频特性波特图（低频段）斜率为斜率为+20dB/十倍频程十倍频程 折线近似带来的误差不超过折线近似带来的误差不超过3dB,3dB,发生在发生在 fLfL处。处。注意折线化曲线的误差注意折线化曲线的误差 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学4 4、相频特性波特图（低频段）、相频特性波特图（低频段）这种折线的近似误差为这种折线的近似误差为 发生在发生在 和和 处。处。斜率为斜率为-450/-450/十倍频程十倍频程 lg f 模拟电子技术

9、模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学斜率为斜率为-20dB/十倍频程十倍频程 折线近似带来的误差不超过折线近似带来的误差不超过3dB,3dB,发生在发生在 f fH H处。处。高频段幅频波特图高频段幅频波特图 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学斜率为斜率为-45/-45/十倍频程十倍频程这种折线的近似误差为这种折线的近似误差为 发生在发生在 和和 处。处。高频段相频波特图高频段相频波特图 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学波特图的一般画法波特图的一般画法 (a)(a)幅频特性；幅频特性；(b)(b)相频特性相频特性 注意：注意：1 1、图上的、图上的“s

10、s”ss”符号为符号为任意延长符号；任意延长符号；2 2、图上的、图上的0dB0dB只代表纵只代表纵坐标的坐标原点，不代坐标的坐标原点，不代表横坐标的坐标原点表横坐标的坐标原点。全频段波特图全频段波特图 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学1 1、一般画法：、一般画法：三、波特图画法总结：三、波特图画法总结：先求中频电压放大倍数先求中频电压放大倍数f fH H 、f fL L和和A AuSMuSM 幅频特性：幅频特性：从从f fH H向右作一条斜率为向右作一条斜率为20dB/20dB/十倍频程的斜直线十倍频程的斜直线从从f fL L向左作一条斜率为向左作一条斜率为20dB/20

11、dB/十倍频程的斜直线十倍频程的斜直线在在f fL L与与f fH H之间作一条之间作一条LA=20lg|AuLA=20lg|AuSMSM|的水平线的水平线两个趋势两个趋势(左趋势、右趋势左趋势、右趋势)一个特殊点一个特殊点(拐点拐点)取十倍频程取十倍频程三折线三折线幅频特性幅频特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学0.1f0.1fL L至至10f10fL L 及及0.1f0.1fH H至至10f10fH H之间，作两条斜率为之间，作两条斜率为 45/45/十倍频程的直线十倍频程的直线相频特性相频特性：10f10fL L和和0.1f0.1fH H之间作一条之间作一条=180

12、180的水平直线的水平直线0.1f0.1fL L向左作一条向左作一条=90=90的水平直线的水平直线10f10fH H向右作一条向右作一条=270=270的水平直线的水平直线五折线五折线相频特性相频特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2.2.归一化画法归一化画法波特图的归一化画法波特图的归一化画法波特图的一般画法波特图的一般画法 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2.2.归一化画法归一化画法图图3-14 3-14 波特图的归一化画法波特图的归一化画法(a)(a)幅频特性；幅频特性；(b)(b)相频特性相频特性电压放大倍数表达式采用归一电压放大倍数表达式采

13、用归一化方法表示，即求下面的比值化方法表示，即求下面的比值 所不同的是在第一步只需计算所不同的是在第一步只需计算f fL L及及f fH H两个要素就行了，无需两个要素就行了，无需计算中频电压放大倍数计算中频电压放大倍数A AuSMuSM。中频段的幅频特性就是一条与中频段的幅频特性就是一条与横坐标横坐标(0dB)(0dB)相重合的水平线。相重合的水平线。注意原点的值注意原点的值 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2.2.归一化画法归一化画法图图3-14 3-14 波特图的归一化画法波特图的归一化画法(a)(a)幅频特性；幅频特性；(b)(b)相频特性相频特性在相频特性中，纵坐

14、标必须在相频特性中，纵坐标必须用附加相移用附加相移表示。所谓表示。所谓附加相移就是指除晶体管反附加相移就是指除晶体管反相相(180)(180)作用以外的相移。作用以外的相移。注意原点的值注意原点的值 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学四、多级放大电路的频率特性四、多级放大电路的频率特性(一一)多级放大电路的幅频特性与相频特性多级放大电路的幅频特性与相频特性如前所述，多级放大电路总的电压放大倍数为各单级放大倍如前所述，多级放大电路总的电压放大倍数为各单级放大倍数的乘积，即数的乘积，即 n=0,1,2n=0,1,2将上式取绝对值后再取对数，就可得到多级放大电路的对数将上式取绝对值

15、后再取对数，就可得到多级放大电路的对数幅频特性。幅频特性。多级放大电路的总相移为多级放大电路的总相移为 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 以上表达式中的以上表达式中的 和和 分别为第分别为第k k级放大电路级放大电路的放大倍数和相移。的放大倍数和相移。多级放大电路的对数增益等于各级对数增益之和，多级放大电路的对数增益等于各级对数增益之和，而相移也是等于各级相移之和。而相移也是等于各级相移之和。根据叠加原理，只要把各级特性曲线在同一横坐标根据叠加原理，只要把各级特性曲线在同一横坐标上的纵坐标相加，就可描绘出多级放大电路的幅频特上的纵坐标相加，就可描绘出多级放大电路的幅频特性与

16、相频特性。性与相频特性。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学两级放大电路幅频特性与相频特性的合成两级放大电路幅频特性与相频特性的合成(a)(a)幅频特性；幅频特性；(b)(b)相频特性相频特性把具有同样参数的两级把具有同样参数的两级放大器串接起来，只要放大器串接起来，只要把每级曲线的每一点的把每级曲线的每一点的纵坐标增加一倍，就得纵坐标增加一倍，就得到总的幅频特性和相频到总的幅频特性和相频特性曲线。特性曲线。从曲线上可以看到，原从曲线上可以看到，原来对应每级下限来对应每级下限3dB3dB的的频率频率f fL L和和f fH H，现在比中，现在比中频段要下降频段要下降6dB6dB

17、。结论结论结论结论：多级放大电路：多级放大电路：多级放大电路：多级放大电路下降的下降的下降的下降的3dB3dB3dB3dB的通频带，的通频带，的通频带，的通频带，总比组成它的每一级总比组成它的每一级总比组成它的每一级总比组成它的每一级的通频带要窄。的通频带要窄。的通频带要窄。的通频带要窄。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学可以证明，多级放大电路的上限频率和组成它的各可以证明，多级放大电路的上限频率和组成它的各级上限频率之间的关系，由下面近似公式确定级上限频率之间的关系，由下面近似公式确定 其中，其中，1.11.1为修正系数。一般级数越多，误差越小。为修正系数。一般级数越多，误

18、差越小。(二二)多级放大电路的上限频率和下限频率多级放大电路的上限频率和下限频率 1.1.上限频率上限频率f fH H2.2.下限频率下限频率f fL L计算多级放大电路的下限频率的近似公式为计算多级放大电路的下限频率的近似公式为其中，其中，1.11.1也是修正系数。也是修正系数。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学多级放大电路的频率响应：分析举例多级放大电路的频率响应：分析举例 一个两级放大电路每一级（已考虑了它们的相一个两级放大电路每一级（已考虑了它们的相互影响）的幅频特性均如图所示。互影响）的幅频特性均如图所示。6dB3dBfLfH0.643fH1fL fL1，fH fH

19、1，频带变窄！，频带变窄！模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学1.该放大电路为几级放大电路该放大电路为几级放大电路?2.2.耦合方式耦合方式?3.3.在在 f f 10104 4Hz Hz 时，增益下降多少？附加相移时，增益下降多少？附加相移？4.4.在在 f f 10105 5Hz Hz 时，附加相移时，附加相移？5.5.画出相频特性曲线；画出相频特性曲线；6.f6.fH H？已知某放大电路的幅频已知某放大电路的幅频特性如图所示，讨论下列问特性如图所示，讨论下列问题：题：模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学

20、 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第三节：第三节：放大电路的线性与非线性失真问题放大电路的线性与非线性失真问题 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 由于放大电路中存在电抗元件由于放大电路中存在电抗元件(电容、电感等），电容、电感等），所以在放大含有丰富频率成分的信号（如语音信号、所以在放大含有丰富频率成分的信号（如语音信号、脉冲信号等）时，导致输出信号不能重现输入信号脉冲信号等）时，导致输出信号不能重现输入信号的波形，这种在线性系统中产生的失真称为线性失真。的波形，这种在线性系统中产生的失真称为线性失真。1.1.线性失真基本概念线性失真基本概念丰富频率成分

21、的信号丰富频率成分的信号电路中有电抗元件电路中有电抗元件输出畸变输出畸变线性失真线性失真 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 例例 RCRC电路如图所示，当输入信号为周期为电路如图所示，当输入信号为周期为1ms1ms的方波的方波时，画出输出电压波形。时，画出输出电压波形。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 对输入信号做傅里对输入信号做傅里叶分解，可见输入信叶分解，可见输入信号中包含丰富的频率号中包含丰富的频率成分。成分。由于电容由于电容C C对于不同频率呈现不同容抗，从而，使输出对于不同频率呈现不同容抗，从而，使输出波形产生了失真。波形产生了失真。由于由于R

22、CRC电路是线性电路，可以用叠加原理，将输入信号电路是线性电路，可以用叠加原理，将输入信号的各个频率分量分别作用于的各个频率分量分别作用于RCRC电路，最后在输出端求和。电路，最后在输出端求和。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学n幅度失真：幅度失真：(与振幅频率特性有关与振幅频率特性有关)放大器对输入信号的不同频率分量的放大倍数大放大器对输入信号的不同频率分量的放大倍数大小不同，使输出信号各个频率分量的振幅相对比例关小不同，使输出信号各个频率分量的振幅相对比例关系发生了变化，从而导致输出波形失真。系发生了变化，从而导致输出波形失真。2.2.线性失真的分类线性失真的分类例例 模

23、拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学输入信号由基波、二次谐波和三次谐波组成输入信号由基波、二次谐波和三次谐波组成输入信号谐波振幅比为输入信号谐波振幅比为10:6:210:6:2输出信号谐波振幅比为输出信号谐波振幅比为10:3:0.510:3:0.5因此出现失真。因此出现失真。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 放大器对输入信号的不同频率分量滞后时间不相等而造成的放大器对输入信号的不同频率分量滞后时间不相等而造成的输出波形失真。输出波形失真。相位失真：相位失真：(与相位频率特性有关与相位频率特性有关)模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学3.3.不失

24、真传输的条件不失真传输的条件即即从幅频特性上看放大倍数的幅值与频率无关，从幅频特性上看放大倍数的幅值与频率无关，（1 1）不产生幅度失真的条件）不产生幅度失真的条件 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学从相频特性上看放大器对各频率分量滞后时间相同从相频特性上看放大器对各频率分量滞后时间相同即即滞后时间滞后时间（2 2）不产生相位失真的条件）不产生相位失真的条件 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 实际上要完全满足这两个不失真条件是困难实际上要完全满足这两个不失真条件是困难的，也是没有必要的。因为对于要放大的输入信的，也是没有必要的。因为对于要放大的输入信号，其

25、主要频率成分总是集中在一定的频率范围号，其主要频率成分总是集中在一定的频率范围内，通常称为信号带宽。内，通常称为信号带宽。对于幅度失真：只要放大器的通频带略大于信对于幅度失真：只要放大器的通频带略大于信号带宽，就可以忽略幅度失真。号带宽，就可以忽略幅度失真。对于相位失真：在话音通信中的中的放大器，对于相位失真：在话音通信中的中的放大器，可以不考虑相位失真，但在图像通信中的放大器，可以不考虑相位失真，但在图像通信中的放大器，则必须考虑。则必须考虑。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学4.4.和非线性失真的区别和非线性失真的区别 产生原因不同产生原因不同 线性失真是含有电抗元件的线

26、性电路产生的失真。线性失真是含有电抗元件的线性电路产生的失真。非线性失真产生的主要非线性失真产生的主要原因原因来自两个方面来自两个方面:晶体管等特性的非线性晶体管等特性的非线性;静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大。静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大。由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有有4 4 种种:饱和失真、截止失真、交越失真和不对称失饱和失真、截止失真、交越失真和不对称失真真.固有失真固有失真 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 线性失真的大小与输入信号幅度的大小无关，而非线线性失真的大小与输入信号幅度的大小无关，而非线性失真的大小与输入信号幅度大小密切相关（对于放大性失真的大小与输入信号幅度大小密切相关（对于放大电路还与电路还与Q Q点位置有关）。点位置有关）。产生结果不同产生结果不同 线性失真不会产生新的频率成分线性失真不会产生新的频率成分;非线性失真产生了输入信号所没有的新的频率成分。非线性失真产生了输入信号所没有的新的频率成分。