模擬電路課件第五章 放大電路的頻率響應

第 五 章 放 大 電 路 的 頻 率 響 應5.1 頻 率 響 應 概 述5.2 晶 體 管 的 高 頻 等 效 模 型5.3 場 效 應 管 的 高 頻 等 效 模 型5.4 單 管 放 大 電 路 的 頻 率 響 應5.5 多 級 放 大 電 路 的 頻 率 響 應 5.1 頻 率 響 應 概 述在 使 用 一 個 放 大 電 路 時 應 了 解 其 信 號 頻 率 的 適 用 范 圍 ， 在 設 計 放大 電 路 時 ， 應 滿 足 信 號 頻 率 的 范 圍 要 求 。5.1.1 必 要 性由 于 放 大 電 路 中 耦 合 電 容 、 旁 路 電 容 、 半 導 體 器 件 極 間 電 容 的 存在 ， 當 輸 入 信 號 頻 率 過 低 或 過 高 時 ， 放 大 倍 數(shù) 變 小 ， 并 且 產(chǎn) 生 超前 或 滯 后 相 移 ， 即 ， 放 大 倍 數(shù) 是 頻 率 的 函 數(shù) 。放 大 電 路 對 信 號 頻 率 適 應 程 度 ， 即 信 號 頻 率 對 放 大 倍 數(shù) 的 影 響 。 RCRCRCRUUAu j1 jj 1io 5.1.2 頻 率 響 應 基 本 概 念一 、 RC高 通 電 路 頻 率 響 應RCf 2 1L 令 LLj1 j ff ffAu 則 )arctan(90 )(1 L2LL ffff ffAu幅 頻 特 性相 頻 特 性 fL )arctan(90 )(1 L2LL ffff ffAu o01 ，時 ，當 uL Aff o4521 ，時 ，當 uL Aff LuL ffAff 時 ，當 o9000 ，時 ，當 uAf fL： 下 限 截 止 頻 率l 對 高 通 電 路 ， 頻 率 愈 低 ，衰 減 愈 大 ， 相 移 愈 大 高 通 電 路 頻 率 響 應 RCRCCUUAu j1 1j 1j 1io 二 、 RC低 通 電 路 頻 率 響 應RCf 2 1H 令 Hj1 1 ffAu 則 )arctan( )(1 1 H 2Hff ffAu fH )arctan( )(1 1 H2Hff ffAu低 通 電 路 頻 率 響 應 o01 ，時 ，當 uH Aff o4521 ，時 ，當 uH Aff ffAff HuH 時 ，當 o900 ，當 uAf fH ： 上 限 截 止 頻 率l 對 低 通 電 路 ， 頻 率 愈 高 ，衰 減 愈 大 ， 相 移 愈 大通 頻 帶 ： fbw fH fL 5.1.3 波 特 圖為 了 擴 大 視 野 , 縮 短 坐 標 , 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 采 用 半 對 數(shù) 坐 標 , 即橫 坐 標 頻 率 采 用 對 數(shù) 刻 度 , 縱 坐 標 幅 值 （ 用 dB表 示 ） 或 相 角 用 線性 刻 度 表 示 。 繪 制 出 的 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 稱 為 波 特 (Bode)圖 。 220lg | | 20lg 20lg 1u L Lf fA f f 090 arctan Lff 高 通 電 路 o00lg20 ，時 ，當 uL Aff o4532lg20lg20 ，時 ，當 dBAff uL LuL ffAff lg20lg20 時 ，當 20dB/10倍 頻 （ f每 下 降10倍 ， 增 益 下 降 20dB ） 21lg20|lg20 Hu ffA Hffarctan低 通 電 路 o00lg20 ，時 ，當 dBAff uH o4532lg20lg20 ，時 ，當 dBAff uH HuH ffAff lg20lg20 時 ，當 -20dB/10倍 頻 （ f每 上 升10倍 ， 增 益 下 降 20dB ） fH ， 10fH 為 相 頻的 兩 個 拐 點 ， 誤差fL， 10fL為 相 頻的 兩 個 拐 點 ， 誤差 在 對 數(shù) 幅 頻 特 性 中 ， fL，fH 為 拐 點 ， 有 3dB誤 差 LLj1 j ff ff 電 路 低 頻 段 的 放 大 倍 數(shù) 需 乘 因 子 當 f=fL時 放 大 倍 數(shù) 幅 值 約 降 到 倍 ， 相 角 超 前 45； 當 f=fH 時 放 大 倍 數(shù) 幅 值 也 約 降 到 倍 ， 相 角 滯 后 45。 截 止 頻 率 決 定 于 電 容 所 在 回 路 的 時 間 常 數(shù)21 L(H) f 電 路 高 頻 段 的 放 大 倍 數(shù) 需 乘 因 子 Hj1 1 ff 頻 率 響 應 有 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 兩 條 曲 線 。幾 個 結 論 l 在 低 頻 段 ， 隨 著 信 號 頻 率 逐 漸 降 低 ， 耦 合 電 容 、 旁 路 電容 等 的 容 抗 增 大 ， 使 動 態(tài) 信 號 損 失 ， 放 大 能 力 下 降 。高 通電 路低 通電 路l 在 高 頻 段 ， 隨 著 信 號 頻 率 逐 漸 升 高 ， 晶 體 管 極 間 電 容 和分 布 電 容 、 寄 生 電 容 等 雜 散 電 容 的 容 抗 減 小 ， 使 動 態(tài) 信 號損 失 ， 放 大 能 力 下 降 。 下 限 頻 率 上 限 頻 率 LHbw fff 放 大 電 路 的 頻 率 參 數(shù) 結 構 ： 由 體 電 阻 、 結 電 阻 、 結 電 容 組 成 。 rbb： 基 區(qū) 體 電 阻rbe： 發(fā) 射 結 電 阻C： 發(fā) 射 結 電 容re： 發(fā) 射 區(qū) 體 電 阻rbc： 集 電 結 電 阻C： 集 電 結 電 容r c： 集 電 區(qū) 體 電 阻阻 值 小 ，可 忽 略阻 值 小 ，可 忽 略 5.2 晶 體 管 的 高 頻 等 效 模 型5.2.1 晶 體 管 的 混 合 模 型從 晶 體 管 的 物 理 結 構 出 發(fā) ， 考 慮 發(fā) 射 結 和 集 電 結 電 容 的 影 響 ， 可以 得 到 在 高 頻 信 號 作 用 下 的 物 理 模 型 ， 稱 為 混 合 模 型 。 gm跨 導 ， 表 明 Ube對 Ic的 控 制 關 系 。阻 值 遠 大 于 c e間 所 接 負 載 電 阻因 在 放 大 區(qū) 承 受 反向 電 壓 而 阻 值 大混 合 模 型 ： 忽 略 小 電 阻 ， 考 慮 集 電 極 電 流 的 受 控 關 系一 、 完 整 的 混 合 模 型 C連 接 了 輸 入 回 路 和 輸出 回 路 ， 使 電 路 的 分 析復 雜 化 。簡 化 混 合 模 型 ： 混 合 模 型 的 單 向 化 將 C等 效 在 輸 入 回 路 和 輸 出 回 路 。ebce eb ceeb )1(UUK XUKX UUI CCC KXIUX CCC 1 eb )1( CKC 1 CKKC 同 理 可 得 ，等 效 變 換 后 電 流 不 變利 用 密 勒 （ Miller） 定 理 等 效 可 從 手 冊 查 得、 bb Cr TEQeb0m ebbmebmb0 UIrg rIgUgI ？如 何 得 到 模 型 中 的 參 數(shù)？為 什 么 不 考 慮 C二 、 晶 體 管 簡 化 的 高 頻 等 效 電 路 EQT0eb )1( IUr 將 簡 化 的 混 合 模 型 與 簡 化 的 h參 數(shù) 等 效 模 型 相 比 CCC CEbc UII )1( 0 CCCKCCUUK ebce 所 以，即 eb0ebebmebeb ebm j1 j1 )( j1 CrCrrgCCrU Ug 5.2.2 晶 體 管 電 流 放 大 倍 數(shù) 的 頻 率 響 應 ebmc UgI ffCe j1rj1 0b0 eb 2 1 Crf 令 與 低 通 電 路 相 似 ffffff arctan )(1j1 200 共 射 截 止 頻 率 ffffff arctan )(1j1 200 -90 0 lg20lg20 20lg -45 3-lg202lg20 20lg lg20 20lg 0 00 0 ，時 ，；時 ， ；，時 ， ；時 ， fffff ff ff o電 流 放 大 倍 數(shù) 的 頻 率 特 性 曲 線 71.5 ， lg20 采 用 對 數(shù) 坐 標 系 ， 橫 軸 為 lg f， 可 開 闊 視 野 ； 縱 軸 為 單 位 為 “ 分 貝 ” （ dB） ， 使 得 “ ” “ ” 。 lg f dB32lg20 注 意 折 線 化 曲 線 的 誤 差 20dB/十 倍 頻折 線 化 近 似 畫 法電 流 放 大 倍 數(shù) 的 波 特 圖 : 采 用 對 數(shù) 坐 標 系 當 f增 大 ， 使 幅 值 降 為 0dB時 的 頻 率 ， 稱 為 特 征 頻 率 fT。 20 )(1lg200 lg20 ffT ffff TT 0 0 22 12 1 CgCrfCrf mebTeb ffjf fj 1)1(1 11 0000 截 止 頻 率 ，確 定用 Tfff )1( 0 共 基 截 止 頻 率共 基 電 路 截 止 頻 率 遠 高 于 共 射 電 路 的 截 止 頻 率 ， 因 此 ， 共基 電 路 可 做 寬 頻 帶 放 大 電 路 。 1 0T T fff f 時 的 頻 率 為使 )CC(rfff eb0 2 1 j1 。、 )(obT CCfff共 射 截止 頻 率 共 基 截止 頻 率 特 征頻 率 集 電 結 電 容通 過 以 上 分 析 得 出 的 結 論 ： 低 頻 段 和 高 頻 段 放 大 倍 數(shù) 的 表 達 式 ； 截 止 頻 率 與 時 間 常 數(shù) 的 關 系 ； 波 特 圖 及 其 折 線 畫 法 ； C的 求 法 。 手 冊查 得晶 體 管 的 頻 率 參 數(shù) 可 與 晶 體 管 高 頻 等 效 電 流 類 比 ， 簡 化 、 單 向 化 變 換 。很 大 ， 可 忽 略 其 電 流單 向 化 變 換極 間 電 容 C gs Cgd Cds數(shù) 值 /pF 1 10 1 10 0.1 1 gdLmgsgs )1( CRgCC 忽 略 d-s間 等 效 電 容5.3 場 效 應 管 的 高 頻 等 效 電 路 適 用 于 信 號 頻 率 從 0 交 流 等 效 電 路中 頻 段 ： C 短 路 ， 開 路 。C C低 頻 段 ： 考 慮 C 的 影 響 ， 開 路 。高 頻 段 ： 考 慮 的 影 響 ， C 短 路 。C5.4 單 管 放 大 電 路 的 頻 率 響 應5.4.1 單 管 共 射 放 大 電 路 的 頻 率 響 應考 慮 耦 合 電 容 和 結 電 容 影 響 ， 得 等 效 電 路 eboiebsi sosm UUUUUU UUAu )( Lcmbeebis ism RRgrrRR RAu 帶 負 載 時 ： )( cmbeebis ismo RgrrRR RAu 空 載 時 ： 一 、 中 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) 二 、 低 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) （ 考 慮 耦 合 電 容 ） cebo RUgU .m. 輸 出 回 路 等 效 CRRARCR RRRRr RRrg RR RRrRCR RRrg rIRCR RRUgUUA uLcLcbe cebm Lc Lcbecebm bebcebmiou )(j 11j 1)( 1j 1 1j 1 LcmLcL Lc L Lc L.l )(1 )( )(j1m L ml LLu uu ffj ffjA ffAA CRRf )(2 1 LcL 令 )arctan90(-180 )(1 1lg20lg20lg20 L 2Lsmsl ff ffAA uu CRRfff ffAA uu )( 2 1 j1 )j( LcLLLsmsl -135 dB3lg20 sL ，下 降時 ， uAff )lg(20lg20 LsmsL ffAAff uu 時 ， 。，時 ， 90 0 0 s uAf smsL lg20lg20 uu AAff 時 ， 中 頻 段20dB/十 倍 頻低 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) ： 低 頻 段 頻 率 響 應 分 析 sis ibeebibeebs URR RrrUrrU 三 、 高 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) （ 考 慮 極 間 電 容 ）輸 入 回 路 等 效 )( sbbbeb RRrrR )( sbbbeb RRrrR Hsmsosh j1 ffAUUA uu )( j 1 j 1 Lmbeebis ibosbsssosh RgCR CrrRR RUUUUUUUUA eeu 高 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) )( 2 1 2 1 sbbbebH CRRrrRCf )( 2 1 j1 sbbbebH Hsmsosh CRRrrf ffAUUA uu -225 dB3lg20 shH ，下 降時 ， uAff H 2Hmsh arctan-180 )(1lg20lg20lg20 ff ffAA uu ；下 降倍 ，每 增 大時 ， dB20lg20 10 shH uAfff 。，時 ， -270 0 sh uAf ；時 ， smshH lg20lg20 uu AAff 高 頻 電 壓 放 大 倍 數(shù) ： 高 頻 段 頻 率 響 應 分 析 )j1)( j1( )j1)(j1( )j( HL sm HL Lsmsos ffff A ffff ffAUUA uuu 全 頻 段 放 大 倍 數(shù) 表 達 式 ：四 、 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 波 特 圖 )( 2 1 sbbbebH CRRrrf Lm )1( CRgCC Hmbwm fAfA uu 帶 寬 增 益 積 mLm HLm uARg fCRg )( Lcmbeebis ism RRgrrRR RAu 矛 盾 當 提 高 增 益 時 ， 帶 寬 將變 窄 ； 反 之 ， 增 益 降 低 ，帶 寬 將 變 寬 。5.4.3 帶 寬 增 益 積 ： 定 性 分 析fbw fH fL fH )( 2 1 sbbbebH CRRrrf Lm )1( CRgCC )( Lcmbeebis ism RRgrrRR RAu 若 rbeRb、 Rs fL1， fH fH 1， 頻 帶 變 窄 ！ ),2,1( bbw HH LL nkff ff ff wkkk nk knk k f.ff.f 1 2HH1 2LL 1111 11 對 于 N級 放 大 電 路 ， 若 各 級 的 下 、 上 限 頻 率 分 別 為 fL1 fLn、 fH 1 fH n， 整 個 電 路 的 下 、 上 限 頻 率 分 別 為 fL、 fH ， 則 nk k nk uku AA1 1 lg20lg20 由 于 求 解 使 增 益 下 降 3dB的頻 率 ， 經(jīng) 修 正 ， 可 得為 修 正 系 數(shù) 多 級 放 大 電 路 的 頻 率 響 應 例 已 知 電 路 各 級 均 為 共 射 放 大 電 路 ， 其 對 數(shù) 幅 頻 特 性 如 圖 所 示 。求 下 限 、 上 限 頻 率 ， 以 及 電 壓 放 大 倍 數(shù) 。 例 確 定 電 路 上 限 頻 率 及 下 限 頻 率 表 達 式 。 所 確 定 的 截 止 頻 率 。、分 別 考 慮 e21 CCCC 1beb2b1s1 )( CrRRR 2Lc2 )( CRR eb2b1sbeee )1( CRRRrR C C)RRRr(r b2b1sbbeb C2、 Ce短 路 ， 開 路 ， 求 出CC1、 Ce短 路 ， 開 路 ， 求 出CC1、 C2短 路 ， 開 路 ， 求 出CC1、 C2、 Ce短 路 ， 求 出 1beb2b1s1 )( CrRRR 2Lc2 )( CRR eb2b1sbeee )1( CRRRrR b2b1sbbeb )( CRRRrrC )2(1 )2(1 )2(1 )2(1 H eL3 2L2 1L1 Cffff 很 小 ！ 電 壓 放 大 倍 數(shù) 1. 該 放 大 電 路 為 幾 級 放 大 電 路 ?2. 耦 合 方 式 ?3. 在 f 104H z 時 ， 增 益 下 降 多 少 ？ 附 加 相 移 ？4. 在 f 105H z 時 ， 附 加 相 移 ？5. 畫 出 相 頻 特 性 曲 線 ；6. fH ？ ?uA已 知 某 放 大 電 路 的 幅 頻 特 性如 圖 所 示 ， 討 論 下 列 問 題 ：例 題 ： 習 題 ：自 測 題 二 ， ， ， ，