模 拟 电 子 技 术
4.1 放大电路的频率性第 四 章放大电路的频率响应
4.2多级放大器的频率响应小结模 拟 电 子 技 术
4.1 放大电路的频率性引言
4.1.2 晶体管以及其单级放大电路的频率特性
4.1.3 集成运算放大器高频参数及其影响
4.1.1 简单 RC低通和高通电路的频率特性模 拟 电 子 技 术
fO
Aum
1.幅频特性和相频特性
)()( ffAA uu
Au( f ) — 幅频特性
( f ) — 相频特性
0.707Aum
fO
Au
f L— 下限 截止 频率
f H— 上限截止频率
2,频带宽度 (带宽 )BW(Band Width)
BW = f H - f L? f H
引 言
fL fH
模 拟 电 子 技 术一,RC 低通电路的频率特性
4.1.1 简单 RC 低通和高通电路的频率特性
1,频率特性的描述 R
C oU
iU
j1 1 j/1 j/1
i
o
RCCR
C
U
UA
u

H
j1
1
f
f?
令 1/RC =?H
则 fH = 1/2?RC
模 拟 电 子 技 术
)/(1
1
2
H
ff
A u
H a r c t a n f/f-
滞后
90 0 H?-;时,uAff
0 1,0;时 uAf
- 45 0,7 0 7 21 H?;时,uAff
fO
|Au |
10.70
7
O–45?
–90?
fH
f
幅频特性相频特性模 拟 电 子 技 术
2,频率特性的 波特图
f / fH0
20lg|A
u |/dB
–20
0
–45?
–90?
fH–40
0.1 1 10 100
0.1 1 10
f / fH
频率特性 波特图
–90?
f0
|Au |
10.707
0
–45?
fH
f
– 3 dB
– 20 dB/十倍频
– 45?/十倍频
H/ a r c t a n ff-
)/(1
1
2
H
u ffA
模 拟 电 子 技 术二,RC 高通电路的频率特性
RCCR
R
U
UA
u 1/j1
1
j/1 i
o


f
f L
j1
1
-
令 1/RC =?L则 fL = 1/2?RC
超前
f/f ar c ta n L
)/(1
1
2
L
ff
A u

f? 10 fL 20lg|Au| = 0 dB
0?
f = fL 20lg|Au| = 20lg0.7071 = -3 dB
45?
f? 0.1 fL 20lg|Au| = -20lg f / fH 90?
R
C
oUiU

模 拟 电 子 技 术例 4.1.1求已知一阶低通电路的上限截止频率。
0.01?F
1 k?
1 k?
1//1 k?
0.01?F
RCf 2
1
H F01.0k5.014.32
1

k H z )(8.31?
例 5.1.2已知一阶高通电路的 fL = 300 Hz,求电容 C

500? C
2 k?
RfC L2
1

2500Hz30014.32
1
F)(2 12.0
戴维宁定理等效模 拟 电 子 技 术
4.1.2 晶体管及其单级放大电路的频率特性一,单级阻容耦合放大器的中频和低频特性
+VCCR
C
C1
C2
V
R
L
+ +
RB1
RB2RSU
S
1,中频特性
C1,C2 可视为短路极间电容可视为开路
s0
sbe
L
s uu ARr
RA?
-
-? 180?
2,低频特性,极间电容视为开路耦合电容 C1,C2 与电路中电阻串联 容抗不能忽略模 拟 电 子 技 术
bI

SR
SU
ber
CR LR
1C 2C
B'R
cI
bI?
SU
SR
ber
CR
LR
1C 2CbI
CRIb?
oI?
iU
oU?
2
L
s0
s )/ (1 ff
AA u
u
)/(a r c t a n180 L ff-
),(m a x L2 L1 L fff?
结论,频率降低,Aus 随之减小,输出比输入电压相位超前。 )(2 1
1beS
1L ;CrRf
2L
L2 )(2
1
CRRf C
R?B >> rbe
ff
AA u
u /j1
L
s0
s -?

模 拟 电 子 技 术因? 值随频率升高而降低,高频下不能采用 H
参数等效电路。
二,单级放大器的高频性
1,晶体三极管的混合? 型等效电路
B?
E
B
C
rbb?
rb?e
rb?c Cb?
c
Cb?
e
Cb?e,不恒定,
与工作状态有关
Cb?c,几 pF,限制着放大器频带的展宽模 拟 电 子 技 术
2.? 与频率 f 的关系
= 0.707?0f? — 共发射极截止 频率
fT — 特征频率? = 1
可 求得,
)(2
1
Cbebeb

CCr
f?
fCC
gf
0
cbeb
m
T )(2

同样可求得:
)(2
1
cbebe

CCr
f f)1( 0
可见:
fff T
f?
f
o
0.707?o
1
fTO
模 拟 电 子 技 术
3,晶体管单级放大电路高频特性
E
B B? C
eb?U oU
rbb
rb?e Cb?
e
Cb?
c
ebm?Ug
R?L
R
S
US?
rbb
E
B B? C
oU
rb?e
Cb?
e
ebm?Ug
R?LCM
RS
US?
eb?U

密勒等效
(C1,C2 视为 短路 )
在输出回路略去 Cb?c
R?L = RC // RL
H = 1/RtCt
fH = 1/2? RtCt
CM= (1 + gmR?L ) Cb?c
模 拟 电 子 技 术
ebbbS
ebLm
s
o
s0


-
rrR
rRg
U
UA
u

H
s0
s
o
s j1
ω
ω
u
u
A
U
UA


H
s0
j1 ff
uA
Rt = (RS + r bb?)//rb?e Ct = Cb?e + CM = Cb?e+(1 + gmR?L ) Cb?c
增益带宽积 G?BW = A
us0? fH
)(2
1
bbt
Lm

rRC
Rg
S
(常数 )
结论:频率升高,Au 减小输出相位滞后增益带宽积为常数模 拟 电 子 技 术三、完整的单管共射放大电路的频率特性将前面画出的单管共射放大电路频率特性的中频段,
低频段和高频段画在同一张图上就得到了如图所示的 完整 的频率特性(波特)图 。
共射电路完整波特图实际上,同时也可得出单管共射电路完整的电压放大倍数表达式,

HL Lu s mus ffjffj ffjAA 11
模 拟 电 子 技 术

H?
由上图可看出,画单管共射 放大电路的频率特性时,关键在于算出下限和上限截止频率 Lf Hf和下限截止频率取决于低频时输入回路的时间数
,由图可知:,其中,
而同样,上限截止频率取决于高频时输入回路的时间常数 ;由图可知:,
L?
1CRR isL
ebbbBi rrRR '
CRH
模 拟 电 子 技 术其中因此,只要能正确的画出低频段和高频段的交流等效电路,算出输入回路的时间常数 和,
则可以方便的画出放大电路的频率特性图 。
HHf21?
H?L?
对数幅频特性,在 到 之间,
是一条水平直线;在 时,是一条斜率为
+20Db/十倍频程的直线;在 时,是一
Lf Hf u s mus AA lg20lg20?
Lff?
Hff?
模 拟 电 子 技 术条斜率为 +20Db/十倍频程的直线;在 时,
是一条斜率为 -20Db/十倍频程的直线 。 放大电路的通频带 。
Hff?
LHBW fff -?
相频特性,在 时,;
在 时,;
HL fff 1.0101 8 0-
Lff 1.090-
在 时,;Hff 102 7 0-
模 拟 电 子 技 术而在 f从 到 以及从 到 的范围内,
相频特性都是斜率为 十倍频程的直线。/45?-
前面已经指出在画波特图时,用折线代替实际的曲线是有一定误差的。对数幅频特性的最大误差为 3dB,相频特性的最大误差为,
都出现在线段转折处。
71.5?
模 拟 电 子 技 术如果同时考虑耦合电容 和,则可分别求出对应于输入回路和输出回路的两个下限截止频率
1C 2C
11 2
1
CRRf iSL 2
2 2
1
CRR
f
LC
L
这时,放大电路的低频响应,应具有两个转折频率。如果二者之间的比值在 4~5倍以上,则可取较大的值作为放大电路的下限频率。
模 拟 电 子 技 术否则,应该可以用其他方法处理。此时,波特图的画法要复杂一些。
如果放大电路中,晶体管的射极上接有射极电阻 和旁路电容,而且 的电容量不够大,则在低频时不能被看作短路。因而,由又可以决定一个下限截止频率。需要指出的是,
由于 在射极电路里,射极电流 是基极电流
ER E
C EC
EC
EC eI?
模 拟 电 子 技 术
bI?
的1 倍,它的大小对放大倍数的影响较大,
因此 往往是决定低频响应的主要因素。
EC
4.1.3 集成运算放大器高频参数及其响一,小信号频率参数
f/Hz
20lgAud (f ) /dB
f HO f T
0
1,开环带宽 BW BW = f H
模 拟 电 子 技 术
2,单位增益带宽 BWG BWG = fT
运放闭环工作时,
带宽增益积 = Aud f H
fH 为开环增益下降 3 dB 时的频率通用型 集成运放带宽 较 窄 (几赫兹 )
f T 为开环增益下降至 0 dB(即 Aud = 1)时的频率带宽增益积 = 1? f T= f T = BWG = Aud f H
BWG = Aud BW
f = 0,使 Auf = 1,当 Auf 降为 0.707 时,此时的频率即为 fT。
BWG = Auf BWf
如 741 型运放,Aud = 104,BW = 7 Hz,Auf = 10,
则 BWf = 7 kHz
模 拟 电 子 技 术二,大信号频率参数
1,转换速率 SR
输入输出
m a x
o
d
d
t
uS
R?
A 741 为 0.5 V/?s
高速型 SR > 10 V/?s
否则将引起输出波形失真例如:
tUu?s i nomo?
om0
oo
d
d
d
d
m a x
Ututu
t
t


则:
须使,SR > 2? f Uom
A741,Uom= 10 V 最高不失真频率为 8 kHz
模 拟 电 子 技 术
2,全功率带宽 BWP
输出为最大峰值电压时不产生明显失真的最高工作频率三,高速宽带集成运放当 BWG > 2 MHz,BWP > 20 kHz,
SR > 6 V/?s
选高速宽带运放模 拟 电 子 技 术
4.2 多级放大器的 频率响应
如果放大器由多级级联而成,那么,总增益
)()()()(
)(lg20
)(lg20)(lg20)(lg20)(lg20
)()()()()(
1
21
1
21
1
21



jjjj
jA
jAjAjAjA
jAjAjAjAjA
k
n
k
k
u
n
k
unuuu
n
k
ukunuuu



模 拟 电 子 技 术
4.2.1 多级放大器的上限频率 fH
设单级放大器的增益表达式为
])(1[])(1][)(1[
)(
111
)(
1
)(
22
2
2
1
1
2
2
1
1
HnHH
uI
u
Hn
uI
H
uI
H
uI
u
k
uI k
uk
A
jA
j
A
j
A
j
A
jA
j
A
jA


模 拟 电 子 技 术
)a r c t a n ()a r c t a n ()a r c t a n ()(
21 HnHH
j--
式中,|AuI|=|AuI1||AuI2|…|AuIn|为多级放大器中频增益 。 令
2])(1[])(1][)(1[
2
)(
22
2
2
1

Hn
H
H
H
H
H
uI
Hu
A
jA
模 拟 电 子 技 术
4.2.2 多级放大器的下限频率 fL
设单级放大器的低频增益为

LnLL
LnLL
u I nuIuI
u
Ln
u I n
L
uI
L
uI
u
Lk
u I k
uk
j
AAA
jA
j
A
j
A
j
A
jA
j
A
jA
ar c t anar c t anar c t an)(
])(1[])(1][)(1[
)(
111
)(
1
)(
21
22221
11
2
1
1
1



-

-
-
-
(5–69)
(5–70)
(5–71)
(5–72)
模 拟 电 子 技 术解得多级放大器的下限角频率近似式为
12
2])(1[
1
1
21
22
1
2
1
-


n
L
L
n
L
L
LnLLL

若各级下限角频率相等,即 ωL1=ωL2=…=ωLn,则模 拟 电 子 技 术第 四章小 结模 拟 电 子 技 术一、简单 RC 电路的频率特性
RC 低通电路
R
C oU
iU
RC
oUiU

RC 高通电路
H
j1
1
f
f
A u

f
f
A u
L j1
1
-

模 拟 电 子 技 术
–90°
fO
|Au |
10.707
O
–45°
fH
f
90°
fO
|Au |
1
0.707
O
45°
fL
f
模 拟 电 子 技 术二、放大电路的高频特性
B B? C
iU
oU

E
rbb?
rb?e C
b?e
Cb?c
ebm?Ug
1,晶体管混合?型等效电路 (了解 )
f
o
0.707?o
f?1 f T
晶体管放大电路 增益带宽积
G ·BW? Aus0· fH = 常数模 拟 电 子 技 术
2,集成运算放大器高频参数及其影响小信号频率参数开环带宽 BW = fH
单位增益带宽 BWG = Aud BW = Auf BWf = fT
闭环带宽 BWf = fHf
带宽增益积 G·BW = Aud BW
大信号动态参数:
转换速率 SR 全功率带宽 BWP
模 拟 电 子 技 术三、集成运放小信号交流放大电路
1,耦合电容构成高通电路对下限频率的影响
RCf 2
1
L
当电路中只有一个 RC 高通电路时:
当电路中有两个 RC 高通电路时:
},m a x { L2L1L fff?
耦合电容的大小不仅要满足下限频率要求,还要不引起自激,故不能因信号频率高而随意减小其数值 。
模 拟 电 子 技 术
2,闭环放大倍数对上限频率的影响闭环放大倍数 Auf 越小,
上限频率 fH 越大:
f
G
f
d
H
uu
u
A
BW
A
BWAf
3,采用单电源时的电路特点
1)输出接耦合电容,采用 OTL 电路形式。
2)输入端的静态电压为 VCC/2。