第三章 放大电路的频率特性.
课件：第三章-1-频率特性基本概念及波特图
2. 一阶零点因子
Av2( j)
Av2 ( ) 20 lg 1 ( / z )2
2
(
)
arct
an
z
结的论贡：献| A是网v( j负络)的函| (d，数B)最的大每20为一lg 个－Av(一900) 度阶 2，极0lg在点1ω因＝子 ω（zp负2处半为20轴－lg）415对度相，p位2
ω贡＝献ω是p－就(2是0) d幅B0频/十 波a倍rc特频ta图n或的－z 转6da折rBc频/t倍an率频，p程在。ω>ωp 处对幅度的
(1 j )
Av (
j )
Av (0) (1
j
z
)
p
其中Av (0)
Avm
z p
(1 j )
Av (
j )
Av (0)
(1
j
z
)
表示成分贝形式：
p
其中Av (0)
Avm
z p
| Av ( j) | (dB) 20lg Av(0) 20lg
2
1
z
20lg
2
1
p
() 0 arctan arctan
零点：z1＝0 z2＝－σ2
极点：p1＝－σ1
零极图为：
p2 ( n ) jn 1 2
p3 ( n ) jn 1 2
3.2.4 波特图绘制方法
波特图：用折线逼近幅度频率特性和相位频率特性， 频率轴采用对数刻度，幅值（以dB表示）和相位采用 线性刻度。
H( j) | H( j) | e j()
零点因子的波特图： H（1 j) j 1() 90 | H（1 j) | 或 | H（1 j) | 20lg(dB)
第三章 放大电路的频率特性
Po • 功率增益 Ap (dB ) = 10 lg P (dB ) i
• 式中， lg是以 为底的对数。 式中， 是以10为底的对数。 是以 为底的对数
• 值得指出的是，如果仅取以10为底的对数，例 值得指出的是，如果仅取以 为底的对数 为底的对数， 无单位”的 必须再乘以20后 如： = lg U o ，是“无单位 的，必须再乘以 后， 无单位 A
• 在横坐标采用 在横坐标采用Lgf时，对数频率特性的主要优点是 时 可以扩宽视野， 可以扩宽视野，在较小的坐标内表示宽广的频率 范围的变化情况， 范围的变化情况，同时将低频段和高频段的特性 都表示得很清楚，而且作图方便， 都表示得很清楚，而且作图方便，尤其对于多级 放大电路更是如此。 放大电路更是如此。因为多级放大电路的放大倍 数是各级放大倍数的乘积，故画对数幅频特性时 数是各级放大倍数的乘积， 只需将各级对数增益相加即可。 ，只需将各级对数增益相加即可。多级放大电路 总的相移等于各级相移之和， 总的相移等于各级相移之和，故对数相频特性的 纵坐标不再取对数。 纵坐标不再取对数。
3.1 频率特性的一般概念
• 3.1.1频率特性的概念 频率特性的概念
– 1.幅频特性和相频特性 幅频特性和相频特性 • 由于电抗性元件的作用，使正弦波信号通过放大 由于电抗性元件的作用， 电路时，不仅信号的幅度得到了放大， 电路时，不仅信号的幅度得到了放大，而且还将 产生一个相位移。此时，电压放大倍数A 产生一个相位移。此时，电压放大倍数 u可表示 为： • Au = Au （f）∠ϕ ( f ) ）
• RC高通电路的对数相频特性如图 高通电路的对数相频特性如图3.1.3（b）所示， 高通电路的对数相频特性如图 （ ）所示， 0 的直线； 在 f ≠ f （ f > 10 f L）时， ϕ 是一条 0 的直线；在 f = f L L 的直线； （ f < 0.1 f L）时，ϕ 是一条900 的直线；在 0.1 f L 之间， 与10 f L 之间，可用一条斜率为 −450 十倍频的直线 来表示。 来表示。由3条直线组成的折线就是它的相频特性 条直线组成的折线就是它的相频特性 曲线，图中的粗线也是加以修正后的实际相频特 曲线， 性曲线。 性曲线。
放大电路的频率特性
（3）因各级均为共射放大电路，所以在中频段输出电压与输入 电压相位相反。则整个三级放大增益80dB，即放大倍数为 10000。
电压放大倍数
13 104
Au
1
10 jf
1
j
f 2 105
3
*2.7 电路仿真实例
【例2.8】分析共发射极放大电路
解：利用 Multisim 软件仿真如图2.61所示电路。
（3）高频段
耦合电容和旁路电容的容量较大，视为短路；
极间分布电容（含PN结结电容）容抗减小，不能视为开路。
高频源电压放大倍数为：
1
Aush
Uo Us
U
' s
Ub'e
Uo
Us
U
' s
Ub'e
Ri rb'e jRC'
Rs Ri
rbe
1
1 j RC'
gm RL'
Байду номын сангаас
Ausm
1
1 jRC
Ausm 1 1 j
f
fH
在高频段，电压放大倍数随频率升高而减小，相移也发生
变化。其幅频特性基本与低通电路幅频特性相同。
源电压放大倍数的全频率范围表达式为：
jf
Aus
Ausm 1
j
f fL
fL 1
j
f fL
Ausm 1
j
fL f
1
1
j
f fH
单管放大电路的波特图
综上所述，单管放大电路在低频段主要受耦合电容的影 响，表现在放大倍数随频率降低而降低，相移也增大；中频 段可认为其放大倍数和相移都基本为常数（这是放大电路工 作的频段）。在高频段其特性主要受极间电容的影响，表 现在放大倍数随频率升高而下降，相移也随之增大。
放大电路频率特性
第三章放大电路的频率特性§3.1 频率特性的一般概念 一．频率特性的概念对低频段, 由于耦合电容的容抗变大, 高频时1/ωc<<R, 可视为短路, 低频段时1/ωC<<R 不成立。
我们定义: 当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍时, 即时的频率称为下限频率fl 。
如图右是考虑频率特性时的等效电路对高频段, 由于三极管极间电容或分布电容的容抗较小, 低频段视为开路, 高频段处1/ωC 较小, 此时考虑极间电容影响的等效电路如图3 - 1(b)所示。
当频率上升时,容抗减小, 使加至放大电路的输入信号减小, 输出电压减小, 从而使放大倍数下降。
同时也会在输出电压与输入电压间产生附加相移。
同样我们定义: 当放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍, 即Auh=(1 / )Aum 时的频率称为上限频率fh 。
共发射极放大电路的电压放大倍数将是一个复数, 即其中幅度Au 和相角φ都是频率的函数, 分别称为放大电路的幅频特性和相频特性。
可用图3 - 2(a)和(b)表示。
我们称上、 下限频率之差为通频带fbw, 即fbw=fh-fl通频带的宽度, 表征放大电路对不同频率的输入信号的响应能力, 它是放大电路的重要技术指标之一。
二．线性失真线性失真有两种形式：相频失真和幅频失真一个周期信号经傅里叶级数展开后，可以分解为基波、一次谐波、二次谐波等多次谐波。
设输入信号Ui (t )由基波和二次谐波组成，如图（a ）所示, 经过线性电路后， 基波与二次谐波振幅之间的比例没有变化， 但是它们之间的时间对应关系变了，叠加合成后同样引起输出波形不同于输入波形， 这种线性失真称之为相频失真。
线性失真的第一种形式如图（b ）所示。
假设输入波形Ui(t)仅由基波、二次谐波构成， 它们之间的振幅比例为10∶6，如图（b ）上所示。
该输入波形经过线性放大电路后，由于放大电路对不同频率信号的不同放大倍数，使得这些信号之间的比例发生了变化， 变成了10∶3，这二者累加后所得的输出信号Uo(t)如图(b)下所示。
放大电路频率特性总结
高频区： f↑ → ϕ 在 180 ∘ 基础上产生 0 ∘ ~− 90 ∘ 相移。 中频区： ϕ= 180 ∘ ，输出与输入反相(如第二章分析结果)。 3.低频区：当 A u = 1 2 A um 时, f= f L 下限频率 高频区： 当 A u = 1 2 A um 时, f= f H 上限频率 BW= f H − f L 通频带。表明放大电路对不同频率信号的响应能力的 大小。通频带愈宽，放大电路对不同频率信号的响应能力愈强。 4.受通频带限制，当输入信号包含有多个频率信号时 → 频率失真。它 包含幅频失真和相频失真。 幅频失真：放大电路对输入信号中不同频率的谐波分量的放大倍数不同造 成的失真。 相频失真：放大电路对输入信号中不同频率的谐波分量的相移不同造成的 失真。 频率失真属于线性失真。 5.三极管极间电容的存在会影响到三极管对高频信号的放大能力，三极管 对高频信号的放大能力可用三极管的频率参数描述。
放大电路频率特性总结
1.耦合电容、旁路电容、极间电容存在 → 阻抗随频率变化 → 放大倍数是频率的函数频率响应(频率特性)，它包括幅频特性和相频特性。 2.共射放大电路幅频特性显示： 低频区： f↓ → A u ↓ 。 原因：耦合电容的存在。 高频区： f↑ → A u &不随 f 变化。 原因：耦合电容和极间电容的影响很小，可忽略。 共射放大电路相频特性显示： 低频区： f↓ → ϕ 在 180 ∘ 基础上产生 0 ∘ ~ 90 ∘ 相移。
第三章 放大电路的频率特性
第三章 放大电路的频率特性通常，放大电路的输入信号不是单一频率的正弦信号，而是各种不同频率分量组成的复合信号。
由于三极管本身具有电容效应，以及放大电路中存在电抗元件(如耦合电容和旁路电容)，因此，对于不同频率分量，电抗元件的电抗和相位移均不同，所以，放大电路的电压放大倍数A u 和相角φ成为频率的函数。
我们把这种函数关系称为放大电路的频率特性。
§1频率特性的一般概念一、频率特性的概念以共e 极基本放大电路为例，定性地分析一下当输入信号频率发生变化时，放大倍数将怎样变化。
在中频段，由于电容可以不考虑，中频A um 电压放大倍数基本上不随频率而变化。
180=ϕ，即无附加相移。
对共发射极放大电路来说，输出电压和输入电压反相。
在低频段，由耦合电容的容抗变大，电压放大倍数A u 变小，同时也将在输出电压和输入电压间产生相移。
我们定义：当放大倍数下降到中频率放大倍数的0.707倍时，即2umul A A =时的频率称为下限频率f l对于高频段。
由于三极管极间电容或分布电容的容抗在低频时较大，当频率上升时，容抗减小，使加至放大电路的输入信号减小，输入电压减小，从而使放大倍数下降。
同时也会在输出电压与输入电压间产生附加相移。
同样我们定义：当电压放大倍数下降到中频区放大倍数的0.707倍时，即2umuh A A =时的频率为上限频率f h 。
共e 极的电压放大倍数是一个复数，ϕ<=∙u u A A其中，幅值A u 和相角ϕ都是频率的函数，分别称为放大电路的幅频特性和相频特性。
我们称上限频率与下限频率之差为通频带。
l h bw f f f -=表征放大电路对不同频率的输入信号的响应能力，它是放大电路的重要技术指标之一。
二、线性失真由于通频带不会无穷大，因此对于不同频率的信号，放大倍数的幅值不同，相位也不同。
当输入信号包含有若干多次谐波成分时，经过放大电路后，其输出波形将产生频率失真。
由于它是电抗元件产生的，而电抗元件又是线性元件，故这种失真称为线性失真。
放大电路的频率特性
由稳定性分析推出的极点配置方案 两级密勒补偿运算放大器 三级密勒补偿运算放大器
极点配置方案
双极点运放
米勒补偿运放
根据稳定性分析，双极点运放在单位反馈应用下稳定 且能获得优良低通特性的条件是，第二个极点fnd是 增益带宽积GBW(=A0fd)的 倍
fnd=2GBW; PM=63度: Butterworth fnd=3GBW; PM=72度: Bessel fnd=4GBW; PM=76度: RR
反馈与稳定性
如果三极点运放具有共扼复数极点，那么单位负反馈后，三个极 点有可能形成最佳位置
结论
反馈与稳定性
从分析角度看
仿真结果应满足相位裕度要求 PM=60- 63度 ：幅度最大平坦：频率特性好 PM=67- 71度 ：群延时最大平坦：时域特性好
从设计角度看
双极点运放极点配置方案
fp2=2GBw: Butterworth
需要采取手段将第二个极点推出GBW！
两级米勒放大器
如何将第二个极点推出GBW之外？
米勒补偿运放
增加fp2 降低ro2? 降低CL ?
降低fp1 增加ro1 ? 增加Cn1?
两级米勒放大器
米勒补偿
米勒补偿运放
增益带宽积完全由 密勒补偿电容决定！
两级米勒放大器
极点分裂
第一个极点变小了！ 第二个极点变大了！
希望反馈系统具有频域最佳响应或时域最佳响应，这就对运算放大器的 相位裕度提出了一定要求
如果在单位增益负反馈情况下运放都是稳定的，则认为运放是稳定的
负反馈
稳定性分析
稳定判据
稳定性分析
一个反馈系统如果同时满足如下两个条件，则系统为不 稳定的，在某个频率点上将产生振荡
第三章 放大电路的频率特性
第三章放大电路的频率特性本章研究输入信号的频率不同时，对放大电路电压放大倍数的不同影响及线性失真问题。
着重分析电路参数对放大电路通频带的影响。
本章内容：3.1 频率特性的一般概念3.2 三极管的频率特性3.3 共发射极放大电路的频率特性3.4 多级放大电路的频率特性本章要点：1. 放大电路频率特性的概念2. 三极管的频率参数3. 电路参数对放大电路通频带的影响4. 多级放大电路的通频带与级数的关系电子课件三:放大电路的频率特性课时授课教案一授课计划批准人：批准日期：课序：7 授课日期：授课班次：课题：第三章第3.1节频率特性的一般概念目的要求：1. 了解信号频率对电压放大倍数的影响。
2. 了解放大电路产生线性失真的原因。
3. 掌握影响放大电路通频带的因素。
重点：影响放大电路通频带的因素难点：线性失真教学方法手段：结合电子课件讲解教具：电子课件、计算机、投影屏幕复习提问： 1. 电容和电感元件的阻抗与频率的关系？2. 何谓三极管的PN结结电容？课堂讨论：RC滤波电路的特性？布置作业：课时分配：二 授课内容3.1 频率特性的一般概念3.1.1 频率特性的概念下面以共发射极放大电路为例进行分析。
当输入信号的频率不同时，不仅放大电路电压放大倍数的模不一样，而且输入电压与输出电压的相位关系（简称相移）也不一样。
一、 中频段在中频段，即通带内，因为耦合电容和旁路电容的容量较大，其容抗可忽略不计，把他们视为短路；又因为极间分布电容（含ＰＮ结结电容）很小，其容抗很大，可把他们视为开路；感抗视为短路。
可认为电压放大倍数基本与频率无关而保持定值，输入电压与输出电压反相位。
二、低频段当输入信号的频率逐渐降低时，耦合电容和旁路电容的容抗逐渐增大，不能把它们视为短路，如图３-1(a)所示。
电压放大倍数的模随频率的降低而减小，输出电压与输入电压之间的相移也发生变化，不再保持o180的关系。
当放大倍数降到中频段电压放大倍数的21时所对应的频率l f 为通频带的下限频率，如图3-2(a)所示，相移ϕ如图3-2(b)所示。
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频率响应的一般概念
• 如果用幅度不变、频率不断改变的正弦波信号加到放大的输
入端，则会发现输出电压u0 的大小或电压放大倍数Au随输 入信号的频率而变。这种特性称幅频特性，同时，输出电压
与输入电压之间的相位差也随输入信号的频率而变，这种
特性称为相频特性。二者之和称频率特性。 • 放大电路对不同频率的正弦信号的稳态响应特性称为频 率特性（包括幅频和相频特性）或称频率响应。
频率响应的一般概念
频率响应，也称为频率特性，指放大电路对不同频率 的正弦信号的稳态响应，它包括幅频特性（即幅度· 频率 特性或增益· 频率特性）和相频（即相位· 频率特性）特性 （ 1）中频区 fL ＜ f＜ fH的 区域称为中频区。 （2）低频区 f＜fL的区域 称为低频区。 （3）高频区 f＞fH的区域 称为高频区
频率响应的一般概念
频率响应的定性分性：
在阻容耦合的放大电路中，除了接有耦合电容 C1、C2 之外，三极管还存在集电结电容（小功率 管为2到10皮法）、发射结电容（小功率管均为几 十到几百皮法）。
由于容抗是频率的函数，在信号频率作用下，
起着不用的影响。
频率响应的一般概念
这里截止频率f ，并不意味着此时三极管已经完全失去 放大作用，而只是表示此时β已下降到中频时的70％左右或 β的对数幅频特性下降了3dB。 ③ 截止频率f 共基组态中，低频时电流放大系数为α。当fα下降 为0.707时所对应的频率为共基截止频率fα。 f实际是三极管共基电流不失真放大的上限截止频率
频率响应的一般概念(C b'e C b'c )
1 2re (C b'e C b'c )
定义：β值降为1时的频率称为特征频率fT 。
fT 重要参数，f＞fT时，三极管失去放大作用，
不允许三极管工作在如此高的频率范围。 ② 截止频率f f实际是三极管电流不失真放大的上限截止频率 f T ≈ f