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模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件第十四節(jié):放大電路的頻率響應(yīng)

在實(shí)際應(yīng)用中，電子電路所處理的信號(hào)，如語(yǔ)音信號(hào)、電視信號(hào)等都不是簡(jiǎn)單的單一頻率信號(hào)，即是具有一定的頻譜的復(fù)雜信號(hào)。這些復(fù)雜信號(hào)是由一些幅度及相位都有固定比例關(guān)系的多頻率分量組合而成的。

由于放大電路中存在電抗元件（如管子的極間電容，電路的負(fù)載電容、分布電容、耦合電容、射極旁路電容等），當(dāng)信號(hào)頻率較高或較低時(shí)，不但放大倍數(shù)會(huì)變小，而且會(huì)產(chǎn)生超前或滯后的相移，使得放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)分量的放大倍數(shù)和相移都不同。

如果放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的幅值放大不同，就會(huì)引起幅度失真；如果放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)產(chǎn)生的相移不同就會(huì)引起相位失真；幅度失真和相位失真總稱為頻率失真或線性失真。

——電壓放大倍數(shù)的幅值與頻率

的函數(shù)關(guān)系，稱為幅頻響應(yīng)

——放大倍數(shù)的相位

與頻率的函數(shù)關(guān)系稱為相頻響應(yīng)。

2、RC耦合放大器的幅頻特性

RC耦合放大器的幅頻特性曲線如圖所示。我們將全頻域分為三個(gè)頻區(qū)：中頻區(qū)、高頻區(qū)、低頻區(qū)。

中頻區(qū)：在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)，曲線是平坦的。即放大倍數(shù)不隨信號(hào)頻率而變。（在此頻率范圍內(nèi)，耦合電容、射極旁路電容視為短路，極間電容視為開(kāi)路）。中頻區(qū)放大倍數(shù)用AVM表示。

高頻區(qū)（f 高于fH的頻率范圍）：當(dāng)信號(hào)頻率升高時(shí)，放大倍數(shù)隨頻率的升高而減小。（在此頻率范圍，幅頻特性主要受BJT的極間電容的影響）。

低頻區(qū)（f 低于fL的頻率范圍）：當(dāng)頻率降低時(shí)，放大倍數(shù)隨頻率的降低而減小。（在此頻率范圍，幅頻特性主要受耦合電容和旁路電容的影響）。?

上限截止頻率（fH）：當(dāng)AV下降為0.707AVM時(shí)所對(duì)應(yīng)的高端信號(hào)頻率；

下限截止頻率（fL）：當(dāng)AV下降為0.707AVM時(shí)所對(duì)應(yīng)的低端信號(hào)頻率。

通頻帶（BW）：fH和fL之間的頻率范圍稱為放大電路的通頻帶或帶寬。

???????????????????? BW=fH-fL

3、波特圖

在研究放大電路的頻率響應(yīng)時(shí)，由于信號(hào)的頻率范圍很寬（從幾赫到幾百兆赫以上），放大電路的放大倍數(shù)也很大（可達(dá)百萬(wàn)倍），為壓縮坐標(biāo)，擴(kuò)大視野，在畫(huà)頻率特性曲線時(shí)，頻率坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)刻度，而幅值（以dB為單位）或相角采用線性刻度。在這種半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中畫(huà)出的幅頻特性和相頻曲線稱為對(duì)數(shù)頻率特性或波特圖。如低通電路的波特圖如圖所示。

3.7.1 單時(shí)間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)

一、RC低通電路的頻率響應(yīng)

由于放大電路高頻區(qū)的頻率響應(yīng)可用圖1所示的RC低通電路來(lái)模擬。下面我們分析RC低通電路的頻率響應(yīng)。

圖1

1、頻率響應(yīng)??

???? （1）

令 ?????? ??????????? （2）

得???? ?????? （3）

其中幅頻響應(yīng)為?????????? （4）?

相頻響應(yīng)為??????????????? （5）

2、幅頻響應(yīng)波特圖

圖4

根據(jù)式（4）幅頻響應(yīng)可在波特圖中用兩條直線來(lái)近似描述：

（1）當(dāng) 時(shí)

用分貝表示為：

（2）當(dāng) 時(shí)

用分貝表示為??

此直線的斜率為－20dB/十倍頻程，它與零分貝線在處相交。近似的幅頻響應(yīng)如圖2(a)所示。

3、相頻響應(yīng)

根據(jù)式（5）作出相頻響應(yīng)，它可用三條直線來(lái)近似描述：

（1）當(dāng) 時(shí)，，得一條的直線。

（2）當(dāng) 時(shí) ，，得一條的直線。

（3）當(dāng) 時(shí)，。

由于當(dāng) 或時(shí)，相應(yīng)可近似得和，故在和之間，可用一條斜率為 /十倍頻程的直線來(lái)表示，于是可畫(huà)得相頻響應(yīng)如圖2(b)所示。

二、RC高通電路的頻率響應(yīng)

放大電路的低頻響應(yīng)，可用如圖1所示的RC高通電路來(lái)模擬。下面我們分析RC高通電路的頻率響應(yīng)

圖1

1、頻率響應(yīng)表達(dá)式

????? （1）

?令?? ??????? （2）

?? （3）

?圖2

由式（3）可得

幅頻響應(yīng)為（4）

相頻響應(yīng)為 ?（5）?

2、波特圖

采用與低通電路同樣的折線似方法，可畫(huà)出高通電路的幅頻和相頻響應(yīng)波特圖如圖2所示

3.7.2 單級(jí)放大電路的高頻響應(yīng)

一、BJT高頻小信號(hào)模型建模

1、BJT高頻小信號(hào)模型的引出

根據(jù)BJT的特性方程，推導(dǎo)出的H參數(shù)低頻小信號(hào)模型在高頻運(yùn)用的情況下，其物理過(guò)程有些差異，主要表現(xiàn)在BJT的極間電容不可忽略。為此，我們從BJT的物理機(jī)質(zhì)出發(fā)加以分析，再用電阻、電容、電感等電路元件來(lái)模擬其物理過(guò)程，從而得出BJT的高頻小信號(hào)模型，如圖1所示。現(xiàn)就此模型中的各個(gè)元件參數(shù)作一簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

2、BJT的高頻小信號(hào)模型：

在圖示的BJT的高頻小信號(hào)模型中

圖1 BJT的高頻小信號(hào)模型

——受控電流源，它受

所控制。gm稱為互導(dǎo)，定義為

，因此，rce也略去。

（a)???????????????????????? (b)

???????? 圖1 高頻小信號(hào)模型與H參數(shù)小信號(hào)模型等效電路的對(duì)比

??????????????????

?????

的定義

混合P型等效電路如圖1所示。?

的頻率特性表達(dá)式

，

有

?????????? ????????

式中

時(shí)

圖2

所在回路的時(shí)間常數(shù)比

（

）的要小得

忽略。于是可得放大電路的高頻小信號(hào)等效模型如圖2所示。

，經(jīng)

路徑，在輸出端得到

。?

與有

關(guān)；

與C 有關(guān)。

的容抗越小，使得

的分壓值變小，而使

變小，

下降。而在高頻率區(qū)，C 的容抗很小，接近于短路，對(duì)

的影響不大。

從

得到的分壓值越小，故

下降。而此時(shí)

的容抗越大，則可視為開(kāi)路，對(duì)

的影響不大。

下降；而由于耦合電容C的存在，使低頻時(shí)的

下降。

?

，

可視為開(kāi)路；而

（C 的數(shù)值須滿足此條件），C 可視為短路。這樣我們得到中頻等效電路如圖2所示。

，則

????????????????????????????????????????????????????????????

的作用，而耦合電容C 仍可視為短路，高頻小信號(hào)等效電路如下圖所示。

???

開(kāi)路，而考慮C的作用，可畫(huà)出低頻小信號(hào)等效電路如圖所示。

?????? （1）

，

??????? （2）

的近似式：

??????? （1）

時(shí)，

，

，則上式變?yōu)?/div>

???? 就是中頻放大倍數(shù)； ?

，上式變?yōu)??

??????為低頻段的放大倍數(shù)；

），則

，上式變?yōu)?

??????? 為高頻區(qū)的電壓放大倍數(shù)。

???

及其回路電阻，以減小回路時(shí)間常數(shù)，增大上限頻率。

需減小

，而

，可見(jiàn)，fH 的提高與

相矛盾。

）與通頻帶（fbw=fH - fL）的乘積。對(duì)于前述單極共射電路有：

，則

；設(shè)

，則

；

?? 一般有

，? 則

。

所在回路的總等效電阻。另外，還可考慮采用共基電路。

要分析電路的低頻響應(yīng)，首先畫(huà)出它的低頻小信號(hào)等效電路，如圖1所示。

為便于分析對(duì)電路作以下作一些合理的近似，使其簡(jiǎn)化。

1、設(shè) 遠(yuǎn)大于放大電路本身的輸入阻抗，以致Rb的影響可以忽略；

2、Ce的值足夠大????????

于是可除去Re、Rb得簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

3、把Ce折算到基極電路，折算后的容抗為

即折算后的電容為

基極回路中的總電容C1

且一般，Ce的作用可忽略。這樣可最后的簡(jiǎn)化電路圖3。

二、射極偏置電路下限頻率

射極偏置電路簡(jiǎn)化后的低頻等效電路如圖所示，

由圖可得

設(shè)中頻區(qū)電壓增益為

?????????????????????????????????????

因此

????????????????????????

式中

????????????????????????????????????

??????????????????????????????????

? 如果fL1和fL二者之間的比值在四倍以上，則可取較大的值作為放大電路的下限頻率。

3.7.4 共基放大電路的高頻響應(yīng)

根據(jù)如圖（a)所示的共基電路交流通路，可畫(huà)出其高頻小信號(hào)等效電路如圖（b)所示。首先，我們來(lái)考察BJT電容Cb￠e和Cb￠c以及負(fù)載電容CL對(duì)高頻響應(yīng)的影響。



(a) 交流通路	(b) 高頻小信號(hào)等效電路

一、Cb￠e的影響

由共基電路高頻小信號(hào)等效電路可見(jiàn)，如果忽略rbb￠的影響，則Cb￠e直接接于輸入端，輸入電容Ci=Cb￠e，不存在密勒倍增效應(yīng)，且與Cb￠c無(wú)關(guān)。所以，共基電路的輸入電容比共射電路的小得多，fH1很高。理論分析的結(jié)果。

二、Cb￠c以及負(fù)載電容CL的影響

如果忽略rbb￠的影響，則Cb￠c直接接到輸出端，也不存在密勒倍增效應(yīng)。輸出端總電容Cb￠c+ CL，輸出回路時(shí)常數(shù)為，該輸出回路決定的fH2為

如果和CL較大，則fH2較低。所以說(shuō)，共基電路與共射電路一樣，承受容性負(fù)載的能力較差，負(fù)載電容CL將成為制約共基電路高頻響應(yīng)的主要因素。而對(duì)于純阻負(fù)載，共基電路的高頻特性將非常好。

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