南京郵電學(xué)院《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第5章頻率響應(yīng)

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1、1 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 第 5章 頻 率 響 應(yīng)51 頻 率 響 應(yīng) 的 概 念52 單 級(jí) 共 射 放 大 器 的 高 頻 響 應(yīng) 53 共 集 電 路 的 高 頻 響 應(yīng) 54 共 基 電 路 的 高 頻 響 應(yīng)55 差 分 放 大 器 的 頻 率 響 應(yīng)56 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 放 大 器 的 高 頻 響 應(yīng)57 放 大 器 的 低 頻 響 應(yīng)58 多 級(jí) 放 大 器 的 頻 率 響 應(yīng) 59 建 立 時(shí) 間 tr與 上 限 頻 率 fH 的 關(guān) 系510 舉 例 及 計(jì) 算 機(jī) 仿 真 2 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 51 頻 率 響 應(yīng) 的 概 念 511頻 率 失 真 及 不 失

2、真 條 件 一 、 頻 率 失 真 由 于 電 抗 元 件 的 存 在 ， 使 得 放 大 器 對(duì) 不 同 頻 率 信 號(hào)分 量 的 放 大 倍 數(shù) 和 延 遲 時(shí) 間 不 同 ， 而 產(chǎn) 生 的 信 號(hào) 失 真 稱(chēng) 為頻 率 失 真 。 振 幅 頻 率 失 真 ： 由 于 放 大 倍 數(shù) 隨 頻 率 變 化 而 引 起 的 失 真 。（ 對(duì) 不 同 諧 波 的 放 大 能 力 不 同 ） 相 位 頻 率 失 真 ： 放 大 器 對(duì) 不 同 頻 率 分 量 信 號(hào) 的 延 遲 不 同 所 引 起 的 失 真 。 3 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 振 幅 頻 率 失 真 和 相 位 頻 率 失 真

3、都 是 由 電 路 的 線 性 電抗 元 件 引 起 的 ， 故 又 稱(chēng) 為 線 性 失 真 。 4 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 二 、 線 性 失 真 和 非 線 性 失 真 線 性 失 真 和 非 線 性 失 真 同 樣 會(huì) 使 輸 出 信 號(hào) 產(chǎn) 生 畸變 ， 但 兩 者 有 許 多 不 同 點(diǎn) ： 1.起 因 不 同 線 性 失 真 由 電 路 中 的 線 性 電 抗 元 件 引 起 ； 非 線 性 失 真 由 電 路 中 的 非 線 性 元 件 引 起 。 2.結(jié) 果 不 同 線 性 失 真 只 會(huì) 使 各 頻 率 分 量 信 號(hào) 的 比 例 關(guān) 系 和 時(shí)間 關(guān) 系 發(fā) 生 變 化

4、， 或 濾 掉 某 些 頻 率 分 量 的 信 號(hào) ， 但 決不 產(chǎn) 生 輸 入 信 號(hào) 中 所 沒(méi) 有 的 新 的 頻 率 分 量 信 號(hào) 。 5 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 三 、 不 失 真 條 件理 想 頻 率 響 應(yīng) 不 失 真 條 件 ： 放 大 器 對(duì) 所 有 不 同 頻 率 分 量 信 號(hào) 的 放大 倍 數(shù) 相 同 ， 延 遲 時(shí) 間 也 相 同 ， 即 ：也 為 常 數(shù) ）常 數(shù) ） ddu uu ttj KjA jjAjA ()( ()( )()()( 振 幅 頻 率 響 應(yīng) 相 位 頻 率 響 應(yīng) 統(tǒng) 稱(chēng) 為 理 想 頻 率 響 應(yīng) 。 如 圖 5-2所 示 。 6 第 5

5、章 頻 率 響 應(yīng) |Au(j)| K 0 (a) (j) 0 (b) 圖 52理 想 頻 率 響 應(yīng) (a)理 想 振 幅 頻 率 響 應(yīng) ； (b)理 想 相 位 頻 率 響 應(yīng) 7 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 512實(shí) 際 的 頻 率 特 性 及 通 頻 帶 定 義 實(shí) 際 的 振 幅 頻 率 特 性 一 般 如 圖 53所 示 。 振 幅 頻率 響 應(yīng) 劃 分 為 三 個(gè) 區(qū) 域 ， 即 中 頻 區(qū) 、 低 頻 區(qū) 和 高 頻 區(qū) 。并 定 義 上 限 頻 率 fH、 下 限 頻 率 fL以 及 通 頻 帶 BW。 上 限 頻 率 fH： 為 高 頻 區(qū) 放 大 倍 數(shù) 下 降 為 中

6、頻 區(qū) 的 0.707時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 ， 即 uIHu AjfA 707.0下 限 頻 率 fL： uILu AjfA 707.0通 頻 帶 BW： BW=fH-fLfH 上 、 下 限 頻 率 所 對(duì) 應(yīng) 的 H和 L點(diǎn) 又 稱(chēng) 為 半 功 率 點(diǎn) 。 8 第 5章 頻 率 響 應(yīng) L 半 功 率 點(diǎn) 半 功 率 點(diǎn) H 中 頻 區(qū)低 頻 區(qū) 高 頻 區(qū) 0.707|AuI| |AuI| 理 想 幅 頻 特 性 實(shí) 際 幅 頻 特 性 |Au(j)| fL f fHBW3dB 0 圖 53實(shí) 際 的 放 大 器 幅 頻 響 應(yīng) 9 第 5章 頻 率 響 應(yīng)若 用 分 貝 表 示

7、增 益 G， 則 dBAjfAG dBAjfAG uILuL uIHuH 3lg20lg20 3lg20lg20 故 又 稱(chēng) H和 L點(diǎn) 為 -3dB頻 率 點(diǎn) ， BW為 -3dB帶 寬 ， 表 示 為BW-3dB 中 頻 區(qū) 增 益 A uI與 通 頻 帶 BW是 放 大 器 的 兩 個(gè) 重 要 指 標(biāo) ，但 兩 者 是 一 對(duì) 矛 盾 的 指 標(biāo) ， 所 以 利 用 增 益 頻 帶 積 來(lái) 表 征 放 大器 的 性 能 。 增 益 頻 帶 積 盡 可 能 大 。 HuIuI fABWABWG 10 第 5章 頻 率 響 應(yīng)5 2 單 級(jí) 共 射 放 大 器 的 高 頻 響 應(yīng) 521晶

8、體 管 的 頻 率 參 數(shù) 和 高 頻 等 效 電 路 一 、 晶 體 管 的 高 頻 等 效 電 路 如 圖 54所 示 。 Ib . rbb rbe b Cbe Ube . Cbc Ubegm r ce Ic . e cb 圖 54 晶 體 管 的 高 頻 小 信 號(hào) 混 合 等 效 電 路 11 第 5章 頻 率 響 應(yīng)二 、 共 射 短 路 電 流 放 大 系 數(shù) (j)及 其 上 限 頻 率 f 根 據(jù) 的 定 義 b ebmbc IUgecIIj 短 路,其 中 ： ebem rrg 0001 零 頻 共 射 短 路 電 流 放 大 系 數(shù) feh0而 ebcbebebb UCjC

9、jrI 1所 以 ： cbebeb ebm CCrj rgj 1 忽 略 ， 則 有 fftgffjj ffjjCrjCrj rgj ebebebeb ebm 120 0001 1111 12 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 的 上 限 頻 率 ）)(2 1 jCrf ebeb |(j)|的 頻 率 特 性 如 圖 55所 示 。 f fT f 0 1 0 | (j)| 0.7070 圖 55 |(j)|與 頻 率 f的 關(guān) 系 曲 線 13 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 三 、 特 征 頻 率 fT 定 義 ： |(j)|=1時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 ， 如 圖 55所 示 。 當(dāng) f= fT時(shí) （

10、 fTf): fCrff ffffjf ebeoT TTT 2 1 1)(1)( 020當(dāng) ff時(shí) ： fjfffj 00 由 上 兩 式 可 得 ： Tfjf 14 第 5章 頻 率 響 應(yīng)四 、 共 基 短 路 電 流 放 大 系 數(shù) (j)及 f因 為 fff jjjj T 000 01,)1( 1)(1 )()( 即 在 ff時(shí) ， 任 意 頻 率 與 該 頻 率 時(shí) 的 的 乘 積 等 于 特 征 頻率 。 15 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 522共 射 放 大 器 的 高 頻 響 應(yīng) 分 析 一 、 共 射 放 大 器 的 高 頻 小 信 號(hào) 等 效 電 路 電 路 及 高 頻 等

11、效 電 路 分 別 如 圖 5-6(a)(b)所 示 。 CbC跨接 在 輸 入 回 路 與 輸 出 回 路 之 間 ， 所 以 首 先 應(yīng) 用 密 勒 定 理將 其 作 單 向 化 近 似 。 16 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 二 、 密 勒 定 理 以 及 高 頻 等 效 電 路 的 單 向 化 模 型 密 勒 定 理 可 以 將 跨 接 在 網(wǎng) 絡(luò) 輸 入 端 與 輸 出 端 之 間的 阻 抗 分 別 等 效 為 并 接 在 輸 入 端 與 輸 出 端 的 阻 抗 。 如 圖 57(a)所 示 的 網(wǎng) 絡(luò) 等 效 為 圖 5-7(b)的 網(wǎng) 絡(luò) 后 ： 等 效 到 輸 入 端 的 阻 抗

12、Z1為 ： uAZUUZZUU UIUZ 11 1221 1111 ZAAZUUUIUZ u u 112 2222 等 效 到 輸 入 端 的 阻 抗 Z2為 ： 式 中 ， 12 UUAu 為 N網(wǎng) 絡(luò) 的 電 壓 增 益 。 17 第 5章 頻 率 響 應(yīng) N A(j) U 1 U2 Z (a) I2 U2 I1 U1 Z1 Z2 圖 57密 勒 定 理 及 等 效 阻 抗 (a)原 電 路 ； (b)等 效 后 的 電 路 N A(j) U 1 U2 (b) I2 U2 I1 U1 Z2Z1 18 第 5章 頻 率 響 應(yīng) )()1( )1()1(: 1)1(11 1)1(11 0122

13、1 很 小密 勒 電 容式 中 ebebuuM LmebuebM Lmebu Muucbu u Mucbu CCAAC RgCACC RgUUUUA CjAACjZAAZ CjACjAZZ 圖 5-6(b)中 CbC的 阻 抗 為 ： cbCjZ 1 19 第 5章 頻 率 響 應(yīng) (a) (b) Ubegm RL Uo .U s . Rs Ci Ube rbb Rs Us . rbe Cbe CM b CM RL Uo . b e Ubegm . c . 圖 58密 勒 等 效 后 的 單 向 化 等 效 電 路 (a)單 向 化 模 型 ； (b)進(jìn) 一 步 的 簡(jiǎn) 化 等 效 電 路 密

14、 勒 等 效 的 單 向 化 模 型 如 圖 5-8(a)所 示 ， 而 很 小 ， 可 忽 略 ，等 效 電 路 可 進(jìn) 一 步 簡(jiǎn) 化 為 圖 5-8(b) 20 第 5章 頻 率 響 應(yīng) sbes ebsebbbs ebs bbSebs cbLmebMebi UrR rUrrR rU rRrR CRgCCCC )( )1(:圖 中 利 用 圖 58(b)的 單 向 化 簡(jiǎn) 化 模 型 ， 我 們 很 快 可 以估 算 出 電 路 的 頻 率 響 應(yīng) 和 上 限 頻 率 f H。 21 第 5章 頻 率 響 應(yīng)三 、 高 頻 增 益 表 達(dá) 式 及 上 限 頻 率由 圖 58(b)可 見(jiàn)

15、HuIsibes ebmsous jACjrR rRgUUjA 11 1)()( isHH bes Lobes cbLmuIs CRf rR RrR rRgA 12: 上 限 角 頻 率中 頻 區(qū) 放 大 倍 數(shù)式 中 22 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 與 頻 率 有 關(guān) 的 附 加 相 移相 頻 特 性 為幅 頻 特 性 為 )arctan( )arctan(180)(: )(1)(: 2 H Ho H uIsuff ffj ffAjA 根 據(jù) 式 (526)、 (527)畫(huà) 出 單 級(jí) 共 射 放 大 器 的 幅頻 特 性 和 相 頻 特 性 分 別 如 圖 59(a),(b)所 示 。 在

16、 半 功 率點(diǎn) 處 對(duì) 應(yīng) 的 附 加 相 移 為 -45 ， 而 當(dāng) 頻 率 f10f H以 后 ，附 加 相 移 趨 向 于 最 大 值 (-90 )。 23 第 5章 頻 率 響 應(yīng) |Au(j)| 0.707|AuIs| |AuIs| H H 0 0 45 90 ( j ) |Au(j)| H0 0 45 90 0.01H 0.1H 10H 40 20 20 d B/10 倍 頻 程 (a) (b) (c) (d) (H) 45圖 59考 慮 管 子 極 間 電 容 影 響 的 共 射 放 大 器 頻 率 響 應(yīng) (a)幅 頻 特 性 ； (b)相 頻 特 性 ； (c)幅 頻 特 性

17、 波 特 圖 ； (d)相 頻 特 性 波 特 圖 24 第 5章 頻 率 響 應(yīng)四 、 頻 率 特 性 的 波 特 圖 近 似 表 示 法將 式 (524)用 對(duì) 數(shù) 頻 率 響 應(yīng) 來(lái) 表 示 ， 即 HuIsHuIsu HuIsus sAsHjAjA dBjAdBjA 1)(1)( )(1lg20)()(lg20可 得 如 圖 5-9（ c） 所 示 的 波 特 圖 ， 在 處 有 一 拐 點(diǎn) ， 此 處 有 -3dB的 誤 差 。 高 頻 區(qū) 以 -20dB/Dec斜 率 下 降 。 25 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 五 、 負(fù) 載 電 容 和 分 布 電 容 對(duì) 高 頻 響 應(yīng) 的 影

18、 響 負(fù) 載 電 容 和 分 布 電 容 的 存 在 ， 將 使 高 頻 響 應(yīng) 變 差 ， fH變 低 。令 CL為 負(fù) 載 電 容 和 電 路 分 布 電 容 對(duì) 高 頻 響 應(yīng) 的 影 響 總 和 ， 運(yùn)用 戴 維 南 定 理 將 圖 5-10(a)等 效 為 5-10(b)。 (b) Uo . Uo .C L Ro RL (a) Us . Rs C1 RB2 RB1 RE C3 C2 RC RL UCC uo Ro CL圖 510包 含 負(fù) 載 電 容 CL的 電 路 及 等 效 電 路 (a)電 路 ； (b)等 效 電 路 26 第 5章 頻 率 響 應(yīng) sHuIsLebmo LL

19、Cceo UjARUgU RRRrR 11: 其 中 2212 21 2111 1 1,1 )1)(1( )( HHH LoHisH HH uIssous CRCR jj AUUjA 27 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 0 H1 20 20 dB/10倍 頻 程 40 60 H2 45 135 40 dB/10倍 頻 程 20 （ 主 極 點(diǎn) ） （ 設(shè) H210H1, |AuI|40 dB） |A u (j)|/dB 圖 511 同 時(shí) 考 慮 Ci和 CL影 響 的 波 特 圖 28 第 5章 頻 率 響 應(yīng)六 、 結(jié) 果 討 論通 過(guò) 以 上 分 析 ， 為 我 們 設(shè) 計(jì) 寬 帶 放 大

20、器 提 供 了 依 據(jù) 。1.提 高 fH 2.降 低 CL 29 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 為 減 小 Rs對(duì) fH的 影 響 隔 離 級(jí) 共 集 共 射 共 集 Us . Rs Ri大 Ro小 主 放 大 級(jí) 為 減 小 CL對(duì) fH的 影 響 隔 離 級(jí) R o小 CL圖 512插 入 共 集 電 路 以 減 小 Rs大 、 CL大 對(duì) fH的 不 良 影 響 30 第 5章 頻 率 響 應(yīng)53 共 集 電 路 的 高 頻 響 應(yīng) 共 集 電 路 如 圖 513(a)所 示 。 這 里 ， 我 們 有 意 將 基區(qū) 體 電 阻 rbb拉 出 來(lái) ， 并 將 Cbc及 Cbe這 兩 個(gè) 對(duì)

21、 高 頻 響應(yīng) 有 影 響 的 電 容 標(biāo) 于 圖 中 。 與 共 射 電 路 對(duì) 比 ， 我 們 有理 由 說(shuō) ， 共 集 電 路 的 高 頻 響 應(yīng) 比 共 射 電 路 要 好 得 多 ，即 f H(CC)f H(CE)。 31 第 5章 頻 率 響 應(yīng) (a) Rs C1 RE RB C2 RL UCC Us . Uo . CL (b) Rs RE RL Uo .C L rbb b Cbc Cbe Us . b 圖 513共 集 電 路 高 頻 響 應(yīng) 的 討 論 (a)電 路 ； (b)高 頻 交 流 通 路 及 密 勒 等 效 32 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 一 、 Cbc的 影 響

22、 由 于 共 集 電 路 集 電 極 直 接 連 接 到 電 源 UCC， 所 以Cbc相 當(dāng) 于 接 在 內(nèi) 基 極 “ b”和 “ 地 ” 之 間 ， 不 存 在 共 射電 路 中 的 密 勒 倍 增 效 應(yīng) 。 因 為 Cbc本 身 很 小 (零 點(diǎn) 幾 幾pF),只 要 源 電 阻 Rs及 rbb較 小 ， Cbc對(duì) 高 頻 響 應(yīng) 的 影 響 就很 小 。 33 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 二 、 C be的 影 響 這 是 一 個(gè) 跨 接 在 輸 入 端 與 輸 出 端 的 電 容 ， 利 用 密勒 定 理 將 其 等 效 到 輸 入 端 (如 圖 513(b) 所 示 )， 則 密

23、勒 等 效 電 容 CM為 )1( uebM ACC (534) Au為 共 集 電 路 的 電 壓 增 益 ， 是 接 近 于 1的 正 值 ，故 CMC be。 34 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 三 、 CL的 影 響 CQsssbeso ImVRrRrRR 26111 (535) 只 要 源 電 阻 Rs較 小 ， 工 作 點(diǎn) 電 流 ICQ 較 大 ， 則 Ro可 以 做 到 很 小 。 所 以 時(shí) 常 數(shù) R oCL很 小 ， fH2很 高 。 因 此 說(shuō) 共 集 電 路有 很 強(qiáng) 的 承 受 容 性 負(fù) 載 的 能 力 。 35 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 54共 基 電 路 的 高

24、頻 響 應(yīng) 共 基 電 路 如 圖 514所 示 ， 我 們 來(lái) 考 察 晶 體 管 電 容C be和 C bc以 及 負(fù) 載 電 容 CL對(duì) 高 頻 響 應(yīng) 的 影 響 。 36 第 5章 頻 率 響 應(yīng) (a) RE R B1 C3 C 1 RB2 R s Us . R L C L C2 Uo . R C圖 514共 基 電 路 高 頻 響 應(yīng) 的 討 論 (a)電 路 ； (b)高 頻 交 流 通 路 37 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 圖 514共 基 電 路 高 頻 響 應(yīng) 的 討 論 (a)電 路 ； (b)高 頻 交 流 通 路 (b) RE Rsrbb CbcCbe RL CLRo

25、RCUs. 38 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 一 、 C be的 影 響 由 圖 可 見(jiàn) ， 如 果 忽 略 rbb的 影 響 ， 則 C be直 接 接 于輸 入 端 ， 輸 入 電 容 Ci= C be ， 不 存 在 密 勒 倍 增 效 應(yīng) ， 且與 C bc無(wú) 關(guān) 。 所 以 ， 共 基 電 路 的 輸 入 電 容 比 共 射 電 路 的小 得 多 。 而 且 共 基 電 路 的 輸 入 電 阻 Rire=26mV/ICQ ，也 非 常 小 ， 因 此 ， 共 基 電 路 輸 入 回 路 的 時(shí) 常 數(shù) 很 小 ， fH1很 高 。 理 論 分 析 的 結(jié) 果 fH1fT。 39 第 5

26、章 頻 率 響 應(yīng) 二 、 C bc及 CL的 影 響 如 圖 514(b)所 示 ， 如 果 忽 略 rbb 的 影 響 ， 則 Cbc直 接 接 到 輸 出 端 ， 也 不 存 在 密 勒 倍 增 效 應(yīng) 。 輸 出 端總 電 容 為 Cbc +CL。 此 時(shí) ， 輸 出 回 路 時(shí) 常 數(shù) 為 Ro(Cbc + CL)， 輸 出 回 路 決 定 的 fH2為 )(2 1)(2 1 2 LcboMcboH CCRCCRf (536) 40 第 5章 頻 率 響 應(yīng)三 、 共 射共 基 級(jí) 聯(lián) 的 高 頻 響 應(yīng)如 圖 515所 示 Us . R s V1 C bc RC C L Uo .

27、Ri2 V2 圖 515 共 射 共 基 級(jí) 聯(lián) 放 大 器 41 第 5章 頻 率 響 應(yīng) Ui1 V1 1. 32 k V3 4. 5 kR 3 R10 1. 32 k R4 VD1 V6 V2 V5 R1 4.8 k R9 810 4. 8 k R 2 Ui2 R8 2.17 k 5. 25 k V7 V8 R7 820 Uo1 Uo2 R5 R6 5.25 k UCC (6V) UEE (6V) V9 V4 VD2圖 516共 射 共 基 差 分 寬 帶 集 成 放 大 器 電 路 (CA3040) 42 第 5章 頻 率 響 應(yīng)55 差 分 放 大 器 的 頻 率 響 應(yīng) 差 分 放

28、 大 器 的 頻 率 響 應(yīng) 與 單 管 放 大 器 沒(méi) 有 什 么 本質(zhì) 上 的 區(qū) 別 。 如 圖 517(a)所 示 ， 對(duì) 于 差 模 信 號(hào) 來(lái) 說(shuō) 可用 “ 半 電 路 ” 來(lái) 分 析 ， 其 “ 半 電 路 ” 如 圖 517(b)所 示 。根 據(jù) 前 面 對(duì) 共 射 放 大 器 高 頻 響 應(yīng) 的 分 析 可 知 ， 差 分 放大 器 雙 端 輸 出 的 高 頻 增 益 表 達(dá) 式 為 HuIiou jAUUjA 1)( (537) 43 第 5章 頻 率 響 應(yīng) (a) (b) RC V1 UoR 1 Ui . 2 Uo1 . 21 . RCR C V1 V2 Uo UEE

29、Io UCC R1 . R1 Uo1 . Uo2 . Ui . 圖 517差 分 放 大 器 電 路 (a)差 分 放 大 器 電 路 ； (b)半 電 路 44 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 圖 519所 示 的 電 路 ， 就 是 根 據(jù) 這 種 理 論 構(gòu) 成 的 集成 電 路 輸 入 級(jí) 電 路 。 )1( 11 1 CmcbcbebH ebebCmuI RgCCrR rR rRgA (538) (539) 45 第 5章 頻 率 響 應(yīng) R C V1 V2 UCC Ui . （ 共 集 ） R E （ 共 基 ） UEE Uo . 圖 518共 集共 基 組 態(tài) 差 分 放 大 器 46

30、 第 5章 頻 率 響 應(yīng) UCC Io1 V1 V2 V3 V4 Io2 RCRC Ui2 . （ 共 集 ） （ 共 基 ） Uo . Ui1 . UEE圖 519 用 于 集 成 電 路 輸 入 級(jí) 的 共 集 共 基 47 第 5章 頻 率 響 應(yīng)56 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 放 大 器 的 高 頻 響 應(yīng) 561場(chǎng) 效 應(yīng) 管 的 高 頻 小 信 號(hào) 等 效 電 路 無(wú) 論 是 MOS管 或 結(jié) 型 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 ， 其 高 頻 小 信 號(hào) 等效 電 路 都 可 以 用 圖 520所 示 的 模 型 表 示 。 圖 中 ， C gs表 示 柵 、 源 間 的 極 間 電 容 ， Cgd表

31、示 柵 、漏 間 的 極 間 電 容 ， Cds表 示 漏 、 源 間 的 極 間 電 容 。 48 第 5章 頻 率 響 應(yīng) G D S Cgd Cgs Cds C dsrds Cgd Cgs DG S U gs g m . 圖 520場(chǎng) 效 應(yīng) 管 的 高 頻 小 信 號(hào) 等 效 電 路 49 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 562場(chǎng) 效 應(yīng) 管 放 大 器 的 高 頻 響 應(yīng) 典 型 的 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 共 源 放 大 器 電 路 如 圖 521(a)所 示 ，其 高 頻 小 信 號(hào) 等 效 電 路 如 圖 521(b)所 示 。 50 第 5章 頻 率 響 應(yīng) (a) Rs U DD Us

32、. R L C L C2 Uo . Rs C1 R D圖 521場(chǎng) 效 應(yīng) 管 放 大 器 及 其 高 頻 小 信 號(hào) 等 效 電 路 (a)放 大 電 路 ； (b)等 效 電 路 51 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 圖 521場(chǎng) 效 應(yīng) 管 放 大 器 及 其 高 頻 小 信 號(hào) 等 效 電 路 (a)放 大 電 路 ； (b)等 效 電 路 RsUs rds RD RL G (b). U gsg m. CLUo. C gd C gs S D 52 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 由 圖 5-21(b)可 見(jiàn) ， Cgd是 跨 接 在 放 大 器 輸 入 端 和 輸出 端 之 間 的 電 容 。 應(yīng)

33、 用 密 勒 定 理 作 單 向 化 處 理 ， 可 將Cgd分 別 等 效 到 輸 入 端 (用 CM表 示 )和 輸 出 端 (用 CM表 示 )，如 圖 522所 示 。 其 中 : gdM LmgdM CC RgCC )1( (540) (541) 53 第 5章 頻 率 響 應(yīng) Rs Us . Uo . Cgs CM Ugs . Ugsgm . rce RC RL Cgd Cds CL G Ci RL CL S圖 522場(chǎng) 效 應(yīng) 管 共 源 放 大 器 單 向 化 模 型 54 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 221221 21 11 1212 (1 (1 ( )1)(1( )1)(1(

34、)( HHHH isH isH LmuIs HH uIs LLis Lmsouf CRCR RgA jj A CRjCRj RgUUjA 限 角 頻 率 ）輸 入 回 路 時(shí) 常 引 入 的 上 限 角 頻 率 ）輸 入 回 路 時(shí) 常 引 入 的 上中 頻 增 益 ） (542) (543) (544) (545) (546) 55 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 上 述 分 析 結(jié) 果 顯 示 ： (1)要 提 高 fH,必 須 選 擇 Cgs ,Cgd ,Cds小 的 管 子 。 (2) fH高 和 AuIs大 是 一 對(duì) 矛 盾 ， 所 以 在 選 擇 RD時(shí) 要 兼顧 fH和 AuIs的

35、要 求 。 (3)由 于 Ci(=Cgs+CM)的 存 在 ， 希 望 有 恒 壓 源 激 勵(lì) ，即 要 求 源 電 阻 Rs小 。 共 漏 電 路 、 共 柵 電 路 以 及 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 差 分 放 大 器 的高 頻 響 應(yīng) 分 析 方 法 和 晶 體 管 電 路 的 十 分 相 似 ， 在 此 不予 重 復(fù) 。 56 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 57 放 大 器 的 低 頻 響 應(yīng) 571 阻 容 耦 合 放 大 器 的 低 頻 等 效 電 路 阻 容 耦 合 共 射 放 大 器 電 路 如 圖 523(a)所 示 。 在 低頻 區(qū) ， 隨 著 頻 率 的 下 降 ， 電 容 C1、 C

36、2、 CE呈 現(xiàn) 的 阻 抗增 大 ， 其 分 壓 作 用 不 可 忽 視 ， 故 畫(huà) 出 低 頻 等 效 電 路 如圖 523(b)所 示 。 57 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 圖 523(c)中 ， 將 gm 直 接 接 地 ， 對(duì) 輸 出 電 壓 和增 益 的 計(jì) 算 不 會(huì) 有 影 響 。 ebU (a) U s . R s C 1 RB RE C E C2 R C RL U CC Uo .圖 523阻 容 耦 合 共 射 放 大 器 及 其 低 頻 等 效 電 路 58 第 5章 頻 率 響 應(yīng) Us . R s C 1 r bb R C b R E CE C2 RL U o . (b

37、) b e rbe . U b e g m 圖 523阻 容 耦 合 共 射 放 大 器 及 其 低 頻 等 效 電 路 59 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 圖 523阻 容 耦 合 共 射 放 大 器 及 其 低 頻 等 效 電 路 Rs C 1 r bb R C b C E /( 1 ) C2 RL U o . (c) Us . (1 ) R E U b e g m . rbe 60 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 572阻 容 耦 合 放 大 器 低 頻 響 應(yīng) 分 析 由 圖 523(c)可 見(jiàn) ， 因 為 有 gm 的 隔 離 作 用 ， C2對(duì) 頻 率 特 性 的 影 響 與 輸 入 回 路

38、 無(wú) 關(guān) ， 可 以 單 獨(dú) 計(jì) 算 。這 樣 ， 在 討 論 C1、 CE對(duì) 低 頻 特 性 的 影 響 時(shí) 可 設(shè) C2短 路 ;反 之 ， 在 討 論 C2對(duì) 低 頻 特 性 的 影 響 時(shí) ， 可 視 C1 、 CE短路 。 ebU 61 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 一 、 C1、 E對(duì) 低 頻 特 性 的 影 響 如 圖 523(c)所 示 ， 將 隨 頻 率 的 下 降 而 下 降 。一 般 電 路 能 滿 足 條 件 ebU Lebmo EE sbes ebeb beebbbsE RUgU CCCCC UCjrR rU rRrrRR 11)1( 1)1( (547) (548) 6

39、2 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 下 限 角 頻 率 ）低 頻 增 益 模 值 ）（ 中 頻 區(qū) 源 曾 益 ）()( 1 ()(1) ( _arctan180/_)(11 )( 11 1)( 1 21 1211 CrR AjA rR rRgA AjA CrRjrR rRgUUjA besL LuIsuIs bes ebLmuIs LoLuIsLuIs besbes ebLmsous (549) (550) (551) (552) 63 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 定 性 畫(huà) 出 低 頻 增 益 的 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 如 圖524。 可 見(jiàn) ， C1、 CE的 作 用 使 放 大

40、器 的 低 頻 響 應(yīng) 下 降 ，其 下 限 角 頻 率 L1反 比 于 時(shí) 常 數(shù) (Rs+rbe)C。 當(dāng) =L1時(shí) ，附 加 相 移 為 +45 ， 其 最 大 附 加 相 移 為 +90 。）（ 低 頻 響 應(yīng) 的 附 加 相 移低 頻 增 益 相 角 ） 1 1arctan)( (arctan180)( L Lojj (553) (554) 64 第 5章 頻 率 響 應(yīng) |Au(j)| 0.707|AuIs| |AuIs| 45 0 L 45 0 L 90 (a) (b) ) (j圖 524 阻 容 耦 合 放 大 器 C1及 CE引 入 的 低 頻 響 應(yīng) 65 第 5章 頻 率

41、 響 應(yīng) C 2 R C R L g m R C U be . U o .圖 525 C 2對(duì) 低 頻 響 應(yīng) 影 響 的 等 效 電 路 66 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 二 、 C2對(duì) 低 頻 響 應(yīng) 的 影 響 如 前 所 述 ， 在 考 慮 C2的 影 響 時(shí) ， 忽 略 C1、 CE對(duì) 低 頻響 應(yīng) 的 作 用 。 為 分 析 方 便 起 見(jiàn) ， 將 低 頻 等 效 電 路 改 畫(huà)為 圖 525所 示 ， 可 見(jiàn) 67 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 22 2 21)( )(11 1 )(11 1 1)( LuIssous sLCbes ebLm LCebLm LC LCebmo jAUUj

42、A URRCjrR rRg RRCjURg CjRR RRUgU (555) (556) 68 第 5章 頻 率 響 應(yīng) )( 122 LCL bes ebLmuIs RRC rR rRgA (中 頻 源 增 益 ) (C2引 入 的 下 限 角 頻 率 ) (557) 2222221 221 21 )(2 1()(2 1( 2)(1)(1 )1)(1( )( CrRCrRfff AA jj AjA LCbesLLL uIsLL uIs LL uIsuIs (558) (559) (560) 69 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 三 、 討 論 (1)C1、 E、 C2越 大 ， 下 限 頻 率 越

43、 低 ， 低 頻 失 真 越小 ， 附 加 相 移 也 將 會(huì) 減 小 。 (2)因 為 CE等 效 到 基 極 回 路 時(shí) 要 除 以 (1+)， 所 以 若要 求 CE對(duì) L1的 影 響 與 C1相 同 ， 需 要 求 取 CE =(1+)C1,所以 射 極 旁 路 電 容 的 取 值 往 往 比 C1要 大 得 多 。 (3)工 作 點(diǎn) 越 低 ， 輸 入 阻 抗 越 大 ， 對(duì) 改 善 低 頻 響 應(yīng) 有好 處 。 70 第 5章 頻 率 響 應(yīng) (4)RC,RL越 大 ， 對(duì) 低 頻 響 應(yīng) 也 有 好 處 。 (5)C1、 CE、 C2的 影 響 使 放 大 器 具 有 高 通 特

44、 性 ， 在下 限 頻 率 點(diǎn) 處 ， 附 加 相 移 為 正 值 ， 說(shuō) 明 輸 出 電 壓 超 前輸 入 電 壓 。 (6)同 時(shí) 考 慮 低 頻 和 高 頻 響 應(yīng) 時(shí) ， 完 整 的 頻 率 特 性如 圖 526所 示 。 71 第 5章 頻 率 響 應(yīng) |A uIs | 45 45 |A u (j)| 0 L H (a) (b) |A uIs | 2 45 90 ) (j 0 45 90 圖 526 阻 容 耦 合 放 大 器 完 整 的 頻 率 響 應(yīng) 72 第 5章 頻 率 響 應(yīng)58 多 級(jí) 放 大 器 的 頻 率 響 應(yīng) 如 果 放 大 器 由 多 級(jí) 級(jí) 聯(lián) 而 成 ， 那

45、 么 ， 總 增 益 )()()()( )(lg20 )(lg20)(lg20)(lg20)(lg20 )()()()()( 1211 21 121 jjjj jA jAjAjAjA jAjAjAjAjA knkkunk unuuu nk ukunuuu (561) (562) 73 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 581多 級(jí) 放 大 器 的 上 限 頻 率 fH 設(shè) 單 級(jí) 放 大 器 的 增 益 表 達(dá) 式 為 )(1)(1)(1)( 111)( 1)( 22221 12211 HnHH uIu HnuIHuIHuIu kuIkuk AjA jAjAjAjA jAjA (563) (564)

46、74 第 5章 頻 率 響 應(yīng) )arctan()arctan()arctan()( 21 HnHHj (565) 式 中 ， |AuI|=|AuI1|AuI2|AuIn|為 多 級(jí) 放 大 器 中頻 增 益 。 令 2)(1)(1)(1 2)( 22221 HnHHHHH uIHu AjA (566) 11 22212 12 111 1HnH HnHHH (567) (568) 75 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 582多 級(jí) 放 大 器 的 下 限 頻 率 fL 設(shè) 單 級(jí) 放 大 器 的 低 頻 增 益 為 LnLL LnLL uInuIuIu LnuInLuILuIu LkuIkuk j

47、AAAjA jAjAjAjA jAjA arctanarctanarctan)( )(1)(1)(1)( 111)( 1)( 21 22221 112111 (569) (570) (571) (572) 76 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 解 得 多 級(jí) 放 大 器 的 下 限 角 頻 率 近 似 式 為 12 2)(1 1 121 22121 nLL nLL LnLLL 若 各 級(jí) 下 限 角 頻 率 相 等 ， 即 L1=L2=Ln,則 (574) 77 第 5章 頻 率 響 應(yīng)59 建 立 時(shí) 間 tr與 上 限 頻 率 fH 的 關(guān) 系 591建 立 時(shí) 間 tr的 定 義 建 立 時(shí)

48、間 是 描 述 一 個(gè) 線 性 網(wǎng) 絡(luò) 對(duì) 快 速 變 化 信 號(hào) 的反 應(yīng) 能 力 。 例 如 有 一 個(gè) 一 階 低 通 網(wǎng) 絡(luò) ， 如 圖 527所 示 ，如 果 在 其 輸 入 端 加 一 個(gè) 階 躍 信 號(hào) ， 則 在 輸 入 信 號(hào) 突 跳時(shí) ， 輸 出 信 號(hào) 是 不 能 突 跳 的 ， 而 是 以 指 數(shù) 規(guī) 律 上 升 至穩(wěn) 定 值 。 所 謂 建 立 時(shí) 間 t r是 描 述 該 電 壓 上 升 快 慢 的 一 個(gè)指 標(biāo) ， 其 定 義 為 ： uo從 10%Uom上 升 到 90%Uom所 需 要 的時(shí) 間 。 78 第 5章 頻 率 響 應(yīng) ui(t) Um 0 t u

49、o(t) R C uo(t) 0.9Um 0.1Um Um t tr 圖 527 建 立 時(shí) 間 tr的 定 義 79 第 5章 頻 率 響 應(yīng)對(duì) 于 一 階 RC電 路 ， 可 以 導(dǎo) 出 RCt Uetu Hr omRCo 2.22.2 )1()( 1 根 據(jù) tr的 定 義 ， 可 得 出 tr與 時(shí) 常 數(shù) H=RC的 關(guān) 系 式 為(576) (575) 80 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 592建 立 時(shí) 間 與 上 限 頻 率 的 關(guān) 系 建 立 時(shí) 間 表 示 電 路 對(duì) 快 速 信 號(hào) 的 反 應(yīng) 能 力 ， 通 常稱(chēng) 建 立 時(shí) 間 為 暫 態(tài) 指 標(biāo) 。 而 上 限 頻 率

50、可 表 示 電 路 對(duì) 高頻 信 號(hào) 的 響 應(yīng) 能 力 ， 通 常 稱(chēng) 為 穩(wěn) 態(tài) 指 標(biāo) 。 它 們 從 不 同的 角 度 描 述 電 路 的 性 能 。 我 們 知 道 ， 如 果 信 號(hào) 的 前 沿越 陡 峭 ， 其 高 頻 分 量 必 然 越 豐 富 ， 所 以 建 立 時(shí) 間 tr短 ，則 上 限 頻 率 f H一 定 高 。 從 前 面 分 析 可 見(jiàn) ， 高 頻 等 效 電 路 實(shí) 際 上 是 個(gè) 簡(jiǎn) 單的 一 階 低 通 電 路 ， 時(shí) 常 數(shù) RC與 上 限 頻 率 的 關(guān) 系 式 由 式(526)可 見(jiàn) ： 81 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 11 1 35.0 2.22.2

51、 2 12 1 rH isr isH tf CRRCt CRRCf (577) 對(duì) 比 式 (576)， 建 立 時(shí) 間 tr與 RC的 關(guān) 系 式得 出 上 限 頻 率 fH1與 建 立 時(shí) 間 tr1的 關(guān) 系 式 為 82 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 510 舉 例 及 計(jì) 算 機(jī) 仿 真 例 1 利 用 Pspice及 Workbench軟 件 平 臺(tái) ， 很 容 易 計(jì)算 和 顯 示 頻 率 響 應(yīng) (包 括 幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 )。 圖528給 出 了 單 級(jí) 阻 容 耦 合 共 射 放 大 器 電 路 及 其 對(duì) 數(shù) 頻率 響 應(yīng) 。 圖 中 晶 體 管 型 號(hào) 為

52、 2N2712， 負(fù) 載 電 容 為 10pF，耦 合 電 容 為 10F， 旁 路 電 容 為 100F。 用 波 特 圖 儀 測(cè) 得中 頻 增 益 為 45.97dB。 移 動(dòng) 光 標(biāo) 位 置 至 42.96dB處 ， 可分 別 測(cè) 得 下 限 頻 率 為 125Hz， 上 限 頻 率 為 3.16MHz。 83 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 中 頻 相 移 為 -180 (說(shuō) 明 輸 出 信 號(hào) 與 輸 入 反 相 )； 對(duì)應(yīng) 下 限 頻 率 處 的 相 移 為 -135 (附 加 相 移 為 +45 )； 對(duì)應(yīng) 上 限 頻 率 處 的 相 移 為 -225 (附 加 相 移 為 -45 )

53、。 84 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 12V 103k 2N2712 130k 10 50 1k50k 10mv/600Hz/0Deg 100 (a) (b) 10 圖 528共 射 放 大 器 電 路 和 頻 率 響 應(yīng) (a)電 路 ； (b)幅 頻 特 性 和 相 頻 特 性 85 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 改 變 電 路 參 數(shù) ， 將 負(fù) 載 電 容 增 大 到 100pF， 耦 合 電容 減 小 到 1F， 重 新 測(cè) 得 下 限 頻 率 上 升 到 285Hz， 而 上限 頻 率 下 降 到 514kHz。 可 見(jiàn) 頻 帶 變 窄 了 。 86 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 例 2從 Workbench器 件 庫(kù) 中 調(diào) 出 集 成 運(yùn) 算 放 大 器OP-07。 用 波 特 圖 儀 測(cè) 得 其 低 頻 增 益 為 114dB,而 上 限 頻率 僅 為 1.22Hz。 可 見(jiàn) 集 成 運(yùn) 算 放 大 器 的 增 益 是 非 常 大的 ， 但 頻 帶 非 常 窄 ， 而 且 因 為 是 直 接 耦 合 ， 所 以 下 限頻 率 fL=0。 87 第 5章 頻 率 響 應(yīng) 12V 12V OP07 1V/60 Hz/0 Deg 圖 529集 成 運(yùn) 算 放 大 器 OP -07的 對(duì) 數(shù) 幅 頻 特 性