2045086251康华光电子技术基础(第六版)模拟部分ch06

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1、华中科技大学电信系华中科技大学电信系 张林张林2华中科技大学 张林电子技术电子技术基础模拟部分基础模拟部分1 1 绪论绪论2 2 运算放大器运算放大器3 3 二极管及其基本电路二极管及其基本电路4 4 场效应三极管及其放大电路场效应三极管及其放大电路5 5 双极结型三极管及其放大电路双极结型三极管及其放大电路6 6 差分式放大与频率响应差分式放大与频率响应7 7 模拟集成电路模拟集成电路8 8 反馈放大电路反馈放大电路9 9 功率放大电路功率放大电路10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路11 11 直流稳压电源直流稳压电源华中科技大学 张林36 6 频率响应频率响应6.1 6

2、.1 放大电路的频率响应放大电路的频率响应6.2 6.2 单时间常数单时间常数RCRC电路的频率响应电路的频率响应6.3 6.3 共源和共射放大电路的低频响应共源和共射放大电路的低频响应6.4 6.4 共源和共射放大电路的高频响应共源和共射放大电路的高频响应6.5 6.5 共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频响应共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频响应6.6 6.6 扩展放大电路通频带的方法扩展放大电路通频带的方法6.7 6.7 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应* *6.8 6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应4华中科技大学 张林6.1 放大电路的频率响应放大电路的

3、频率响应1、需要放大的信号通常都包含许多频率成份。如话筒输出的语、需要放大的信号通常都包含许多频率成份。如话筒输出的语音信号（音信号（20Hz20kHz ），卫星电视信号（），卫星电视信号（3.74.2GHz ）等。）等。2、放大电路中含有电抗元件或等效的电抗元件，导致对不同频、放大电路中含有电抗元件或等效的电抗元件，导致对不同频率的信号放大倍数和时延不同。若信号中不同的频率成份不能率的信号放大倍数和时延不同。若信号中不同的频率成份不能被放大电路同等地放大（包括时延），则会出现失真现象（称被放大电路同等地放大（包括时延），则会出现失真现象（称为线性失真或频率失真）。为线性失真或频率失真）。两个

4、现实情况两个现实情况5华中科技大学 张林6.1 放大电路的频率响应放大电路的频率响应 因此，放大电路对不同频因此，放大电路对不同频率的输入信号具有不同的放大率的输入信号具有不同的放大能力，即增益是输入信号频率能力，即增益是输入信号频率的函数。的函数。放大电路对不同频率信号产生不同响应的根本原因放大电路对不同频率信号产生不同响应的根本原因 前两章分析放大电路的性能指标时，是假设电路中所有耦合电容前两章分析放大电路的性能指标时，是假设电路中所有耦合电容和旁路电容对信号频率来说都呈现非常小的阻抗而视为短路；和旁路电容对信号频率来说都呈现非常小的阻抗而视为短路；FET或或BJT的极间电容、电路中的负载

5、电容及分布电容对信号频率来说都呈的极间电容、电路中的负载电容及分布电容对信号频率来说都呈现非常大的阻抗而视为开路。现非常大的阻抗而视为开路。输入输入输出输出放大电路放大电路)( fAV 1、电抗元件的阻抗会随信号频率的变化而变化。、电抗元件的阻抗会随信号频率的变化而变化。2、放大电路中有耦合电容、旁路电容和负载电容，、放大电路中有耦合电容、旁路电容和负载电容，FET或或BJT也存在也存在PN结电容，此外实际电路中还有分布电容。结电容，此外实际电路中还有分布电容。 6华中科技大学 张林6.1 放大电路的频率响应放大电路的频率响应放大电路典型的频率响应曲线放大电路典型的频率响应曲线阻容耦合单级共源

6、放大阻容耦合单级共源放大电路的典型频率响应曲电路的典型频率响应曲线如图所示，其中图线如图所示，其中图a是是幅频响应曲线，图幅频响应曲线，图b是相是相频响应曲线。一般有频响应曲线。一般有 fH fL如果信号的所有频率成如果信号的所有频率成份均落在通频带内，则份均落在通频带内，则基本上不会出现频率失基本上不会出现频率失真现象。真现象。 若已知信号的频率成份，要设计出满足要求的放大电路，最主要若已知信号的频率成份，要设计出满足要求的放大电路，最主要的任务就是设计出频率响应的的任务就是设计出频率响应的fH和和fL。7华中科技大学 张林6.1 放大电路的频率响应放大电路的频率响应1、正弦稳态响应是分析频

7、率响应的基本方法、正弦稳态响应是分析频率响应的基本方法2、工程上常采用分段分析的简化方法。即分别分析放大电路的低频响、工程上常采用分段分析的简化方法。即分别分析放大电路的低频响应、中频（通频带）响应和高频响应，最后合成全频域响应。其中通频应、中频（通频带）响应和高频响应，最后合成全频域响应。其中通频带内的响应与频率无关，就是前两章放大电路性能指标的分析结果。带内的响应与频率无关，就是前两章放大电路性能指标的分析结果。3、也可以用计算机辅助分析（如、也可以用计算机辅助分析（如Spice等）的方法，获得放大电路精确等）的方法，获得放大电路精确的频率响应曲线。的频率响应曲线。频率响应的分析方法频率响

8、应的分析方法 研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响研究放大电路的动态指标（主要是增益）随信号频率变化时的响应。具体包括：应。具体包括：1、频率响应的分析方法、频率响应的分析方法2、影响放大电路频率响应的主要因素、影响放大电路频率响应的主要因素3、如何设计出满足信号频带要求的放大电路、如何设计出满足信号频带要求的放大电路4、各种组态放大电路频率响应特点、各种组态放大电路频率响应特点本章讨论的主要内容本章讨论的主要内容华中科技大学 张林86.2 单时间常数单时间常数RC电电路的频率响应路的频率响应6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应6.2.2 RC低通电路的频率

9、响应低通电路的频率响应9华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应1. 增益的传递函数增益的传递函数 R1 + iV oV C1 + RC 高通电路高通电路 11111ioL/1/1)()()(CRsssCRRsVsVsAV fsj2j 且令且令11L21CRf 又又则则)/j(11LioLffVVAV 电压增益的幅值（模）电压增益的幅值（模）2LL)/(11ffAV （幅频响应）（幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角)/(arctanLLff （相频响应）（相频响应）10华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应2. 频率响应曲线描述

10、频率响应曲线描述最大误差最大误差 -3dB时时，当当 Lff 1)/(112LL ffAVdB 01lg20lg20L VA时时，当当 Lff L2LL/)/(11ffffAV 0分贝水平线分贝水平线)/lg(20lg20LLffAV 幅频响应幅频响应2LL)/(11ffAV 11华中科技大学 张林6.2.1 RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应2. 频率响应曲线描述频率响应曲线描述时时，当当 Lff 时时，当当 Lff 相频响应相频响应 0L 90L 时时，当当 Lff 45L 时时，当当 100.1 LLfff 十十倍倍频频的的直直线线斜斜率率为为/45 VVAVVAio低频时，输出超

11、前输入低频时，输出超前输入因为因为io 表示输出与表示输出与所以所以输入的相位差。输入的相位差。)/(arctanLLff 12华中科技大学 张林6.2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应 R2 + iV oV C2 + RC 低通电路低通电路 幅频响应幅频响应2HH)/(11ffAV 相频响应相频响应)/(arctanHHff 1. 增益的传递函数增益的传递函数22222ioH11/1/1)()()(CsRsCRsCsVsVsAV 22H21CRf 13华中科技大学 张林6.2.2 RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应 R2 + iV oV C2 + RC 低通电路低通电路 幅

12、频响应幅频响应2HH)/(11ffAV 相频响应相频响应)/(arctanHHff 输出滞后输入输出滞后输入2. 频率响应曲线频率响应曲线华中科技大学 张林146.3 共共源和共射放大电路源和共射放大电路的低频响应的低频响应6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应15华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数 低频区内，电路中的耦合电容、低频区内，电路中的耦合电容、旁路电容的阻抗增大，不能再视为旁路电容的阻抗增大，不能再视为短路。短路。低频小信号等效电路低频

13、小信号等效电路g2g1g| RRR 16华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数为简化分析，设低频区内，有为简化分析，设低频区内，有低频小信号等效电路低频小信号等效电路ss1RC 则则Rs可作开路处理可作开路处理17华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数定性讨论定性讨论 Cb1所在的输入回路所在的输入回路构成的是构成的是RC高通电路高通电路 b11C Rg上的电压上的电压 |gsV输入回路输入回路18华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放

14、大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数定性讨论定性讨论 输出回路也是高通电路，不过不是简单的单时间常数输出回路也是高通电路，不过不是简单的单时间常数RC高通电路。高通电路。 |oV和和s1C b21C 输出回路输出回路19华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数由电路可列出方程由电路可列出方程由前两个方程得由前两个方程得sb1gsiggj1VCRRRV gsmsggsj1VgCVV gsmb2LddLoj1VgCRRRRV sb1gsigsmgsmj1j111VCRRRCgVg 20华中科技大学 张林6.3.1 共

15、源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数代入第代入第3 3个方程得源电压增益个方程得源电压增益 b1gsigsmb2LddLsoSLj1j111j1CRRRCgCRRRRVVAV b1gsismb2LdsiggLdm)(j111j11)(j111)|(CRRCgCRRRRRRRg 21华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数令令 b1gsismb2LdsiggLdmSL)(j111j11)(j111)|(CRRCgCRRRRRRRgAV siggLdmSM)|(RRRRRgAV b1gsiL

16、1)(21CRRf smL22Cgf b2LdL3)(21CRRf f2 且且通带内（中频）增益，与频率无关通带内（中频）增益，与频率无关Cb1引起的下限截止频率引起的下限截止频率Cs引起的下限截止频率引起的下限截止频率Cb2引起的下限截止频率引起的下限截止频率22华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数其中其中第第1项是与频率无关的通带内源电压增益项是与频率无关的通带内源电压增益后三项分别是后三项分别是3个与个与6.2节节RC高通电路相同的低频响应。高通电路相同的低频响应。 可见共源放大电路的低频响应是由可见共源放大电路的低

17、频响应是由3个个RC高通电路共同作高通电路共同作用的结果用的结果。则则)/j(11)/j(11)/j(11L3L2L1SMSLffffffAAVV 为简单起见，假设为简单起见，假设3个下限截止频率个下限截止频率fL1、fL2和和fL3之间相距之间相距较远（较远（4倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如有例如有fL2 4 fL1，fL1 fL3，则上式简化为，则上式简化为 23华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数)/j(11L2SMSLffAAVV 2. 增益的频

18、率响应波特图增益的频率响应波特图2L2SMSL)/(11lg20|lg20|lg20ffAAVV )/arctan(180L2ff siggLdmSM)|(RRRRRgAV 水平线不水平线不是是0 dBf fL2时，相频响应为时，相频响应为-180 ，反映了，反映了通带内输出与输入的反相关系通带内输出与输入的反相关系24华中科技大学 张林6.3.1 共源放大电路的低频响应共源放大电路的低频响应 若想尽可能降低下限截止频率，则需要尽可能选择大的若想尽可能降低下限截止频率，则需要尽可能选择大的旁路电容旁路电容Cs和耦合电容和耦合电容Cb1、Cb2。但这种改善是很有限的，因。但这种改善是很有限的，因

19、此在信号频率很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。此在信号频率很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。)/j(11)/j(11)/j(11L3L2L1SMSLffffffAAVV b1gsiL1)(21CRRf smL22Cgf b2LdL3)(21CRRf 25华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数低频小信号等效电路低频小信号等效电路Rb=（Rb1 | Rb2）远大于）远大于R i ee1RC R i26华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数定性讨论定性讨

20、论输入回路构成的是输入回路构成的是RC高通电路高通电路 b21C |bI输入回路输入回路和和b11C e1C 输出回路输出回路 |oV输出回路也是高通电路输出回路也是高通电路27华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数由第由第2 2个方程得个方程得由电路可列出方程由电路可列出方程sebbeb1sibj1)1()j1(VCIrCRI bb2LccLoj1ICRRRRV s1besibj11VCrRI 其中其中eb1eb11)1(CCCCC 28华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1. 增益的

21、传递函数增益的传递函数代入第代入第1 1个方程得源电压增益个方程得源电压增益 1besib2LcLcsoSLj11j1CrRCRRRRVVAV 1besib2LcbesibebeLc)(j111)(j111)|(CrRCRRrRrrRR 29华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应1. 增益的传递函数增益的传递函数 1besib2LcbesibebeLcsoSL)(j111)(j111)|(CrRCRRrRrrRRVVAV 令令besibebeLcSM)|(rRrrRRAV 1besiL1)(21CrRf b2LcL2)(21CRRf f2 且且通带内（中频）

22、增益，与频率无关通带内（中频）增益，与频率无关由由Cb1和和Ce引起的引起的下限截止频率下限截止频率Cb2引起的下限截止频率引起的下限截止频率eb1eb11)1(CCCCC 30华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应其中其中第第1项是与频率无关的通带内源电压增益项是与频率无关的通带内源电压增益后两项分别是后两项分别是2个与个与6.2节节RC高通电路相同的低频响应。高通电路相同的低频响应。 可见共射放大电路的低频响应是由可见共射放大电路的低频响应是由2个个RC高通电路共同作高通电路共同作用的结果。其中用的结果。其中fL1与与Cb1和和Ce两个电容有关。两个电容

23、有关。则则)/j(11)/j(11L2L1SMSLffffAAVV 为简单起见，假设为简单起见，假设2个下限截止频率个下限截止频率fL1和和fL2之间相距较远之间相距较远（4倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如倍以上），可以只考虑起主要作用的截止频率的影响。例如有有fL1 4 fL2，则上式简化为，则上式简化为 1. 增益的传递函数增益的传递函数31华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应)/j(11L1SMSLffAAVV 1. 增益的传递函数增益的传递函数besiLcSM)|(rRRRAV 2. 增益的频率响应波特图增益的频率响应波特图2L

24、1SMSL)/(11lg20|lg20|lg20ffAAVV )/arctan(180L1ff 水平线不水平线不是是0 dBf fL1时，相频响应为时，相频响应为-180 ，反映了，反映了通带内输出与输入的反相关系通带内输出与输入的反相关系32华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应2. 增益的频率响应波特图增益的频率响应波特图包含包含fL2的幅频响应的幅频响应33华中科技大学 张林6.3.2 共射放大电路的低频响应共射放大电路的低频响应 若想尽可能降低下限截止频率，则需要尽可能选择大的若想尽可能降低下限截止频率，则需要尽可能选择大的旁路电容旁路电容Ce和耦合

25、电容和耦合电容Cb1、Cb2。但这种改善是很有限的，因。但这种改善是很有限的，因此在信号频率很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。此在信号频率很低的使用场合，可考虑用直接耦合方式。)/j(11)/j(11L2L1SMSLffffAAVV 1besiL1)(21CrRf b2LcL2)(21CRRf eb1eb11)1(CCCCC 34华中科技大学 张林 小结小结 （1）通过对共源和共射放大电路低频响应的分析看到，影）通过对共源和共射放大电路低频响应的分析看到，影响低频响应的主要因素是旁路电容和耦合电容。若想尽可能降响低频响应的主要因素是旁路电容和耦合电容。若想尽可能降低放大电路的下限截止频率，

26、则尽量选用容量较大的旁路电容低放大电路的下限截止频率，则尽量选用容量较大的旁路电容和耦合电容，其它组态的放大电路有类似的结论。和耦合电容，其它组态的放大电路有类似的结论。 （2）以上分析过程均假设电路满足一定条件，进行了简化）以上分析过程均假设电路满足一定条件，进行了简化处理，实际上通过处理，实际上通过SPICE仿真可以得到更精确的分析结果。仿真可以得到更精确的分析结果。 （3）通过选用大容量电容降低下限截止频率的效果通常是）通过选用大容量电容降低下限截止频率的效果通常是有限的，因此在信号频率很低的场合，可考虑采用直接耦合的有限的，因此在信号频率很低的场合，可考虑采用直接耦合的放大电路。放大电

27、路。华中科技大学 张林356.4 共源和共射放大电路共源和共射放大电路的高频的高频响应响应6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增管的高频小信号模型及单位增益频率益频率fT6.4.2 共共源放大电路的高频响应源放大电路的高频响应6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数6.4.4 共共射放大电路的高频响应射放大电路的高频响应36华中科技大学 张林6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1. MOS管的高频小信号模型管的高频小信号模型Cgs栅栅- -源电容源电容Cgd栅栅- -漏电容漏电容Csb源源- -衬底电容衬底

28、电容Cdb漏漏- -衬底电容衬底电容 多数情况下，多数情况下，MOS管的源极和衬底连在一起，此时管的源极和衬底连在一起，此时Csb被短路，被短路，而而Cdb变为变为Cds。 当信号频率处于高频区时，当信号频率处于高频区时，FET或或BJT的极间电容的阻抗将减的极间电容的阻抗将减小，不能再视为开路，需考虑它们小，不能再视为开路，需考虑它们带来的影响。带来的影响。 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD 37华中科技大学 张林其中其中Cgs的典型值为的典型值为0.10.5pF，Cgd的典型值为的典型值为0.010.04 pF及及Cds通常小于通常小于1pF，rd

29、s为为(104106) 。一般可从数据手册上获得这些参数。一般可从数据手册上获得这些参数。Cgs栅栅- -源电容源电容Cgd栅栅- -漏电容漏电容Cds漏漏- -源电容源电容 衬底与源极并接时的高频小衬底与源极并接时的高频小信号模型（也称为信号模型（也称为 模型）模型）6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT 1. MOS管的高频小信号模型管的高频小信号模型38华中科技大学 张林2. 单位增益频率单位增益频率fTfT 共源组态、负载短路时共源组态、负载短路时电流增益等于电流增益等于1对应的频率（也对应的频率（也称为特征频率）称为特征频率）rds和和

30、Cds被短路被短路6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT39华中科技大学 张林2. 单位增益频率单位增益频率fTgdgsgsmgsmoj1gdCVVgIVgIC Cgd较小，在所关心的频率范较小，在所关心的频率范围内，该支路电流远小于受控源围内，该支路电流远小于受控源中的电流，所以可以忽略。中的电流，所以可以忽略。 gsgdgsgdgsgsgsi)(jj1j1VCCCVCVI gsgdgsmjVCVg gsmoVgI 又又电流增益电流增益)(jgdgsmioSCCgIIAI )(j2gdgsmCCfg 6.4.1 MOS管的高频小信号模型及单位增

31、益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT40华中科技大学 张林2. 单位增益频率单位增益频率fT fT与与gm成正比，与成正比，与MOS管结电容成反比。管结电容成反比。fT越大，越大，MOS管的高频管的高频性能越好，由它构成的放大电路的上限频率就越高。早期以微米技术性能越好，由它构成的放大电路的上限频率就越高。早期以微米技术制造的制造的MOS管的管的fT约为约为100MHz，现在以高速技术制造的，现在以高速技术制造的MOS管的管的fT约约为几个为几个GHz。 )(j2gdgsmSCCfgAI 由由)(j21gdgsTmCCfg 得得)(2gdgsmTCCgf 6.4.1 MOS管的高频小信号

32、模型及单位增益频率管的高频小信号模型及单位增益频率fT41华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应1. 高频小信号等效电路高频小信号等效电路g2g1g| RRR 其中其中LdL| RRR 42华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应1. 高频小信号等效电路高频小信号等效电路定性讨论定性讨论Cgs在输入回路构成低通电路在输入回路构成低通电路 gs1C |gsV输入回路输入回路 |oV和和gd1C ds1C 输出回路输出回路输出回路也是低高通电路输出回路也是低高通电路43华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大

33、电路的高频响应2. 电路简化电路简化将将Cgs左侧电路进行电源等效变换左侧电路进行电源等效变换其中其中sgsigsVRRRV 为简单起见，作如下假设：为简单起见，作如下假设：LdsRr Lds1RC ，得简化后的电路得简化后的电路gsisi| RRR 44华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应3. 密勒电容密勒电容对节点对节点 d 列列KCL得得0j )(gdgsoLogsm CVVRVVg 由于输出回路电流比较大，所由于输出回路电流比较大，所以可以忽略的以可以忽略的Cgd分流，得分流，得gsLmoVRgV gdogsgdj )( CVVI 而输入回路电流比

34、较小，所以而输入回路电流比较小，所以不能忽略的不能忽略的Cgd分流分流gdLmgsj )1(CRgV 称为称为密勒电容密勒电容M1CgdLmgdgsMj )1(1CRgIVZ ZM相当于相当于g和和s之间存在一个电容，若用之间存在一个电容，若用CM1表示，则表示，则gdLmM1)1(CRgC 45华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应3. 密勒电容密勒电容gdLmM1)1(CRgC 同理，在同理，在d、s之间也可以求得之间也可以求得一个等效电容一个等效电容CM2，且，且gdM2CC 得等效后的电路得等效后的电路再设再设M1M2CCM1gsCCC 且且46华中

35、科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应3. 密勒电容密勒电容得最后简化电路得最后简化电路gdLmM1)1(CRgC 同理，在同理，在d、s之间也可以求得之间也可以求得一个等效电容一个等效电容CM2，且，且gdM2CC 得等效后的电路得等效后的电路再设再设M1M2CCM1gsCCC 且且47华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应4. 高频响应和上限频率高频响应和上限频率gdLmM1)1(CRgC 输入回路是输入回路是RC低通电路低通电路M1gsCCC LgsmoRVgV 由电路得由电路得ssigs)j/(1)j/(1VCRCV

36、sgsigsVRRRV gsisi| RRR LdL| RRR soSHVVAV 得得)/j(1HSMffAV CRRRRRgsigsigLmj11 其中其中上限截上限截止频率止频率gsigLmSMRRRRgAV 通带内源通带内源电压增益电压增益CRfsiH21 48华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应4. 高频响应和上限频率高频响应和上限频率)/j(1HSMSHffAAVV gsigLmSMRRRRgAV 180 arctg(f/fH) 相频响应相频响应幅频响应幅频响应2HSMSH)/(11lg20 |lg20|lg20ffAAVV RC低通电路低通电路

37、幅频响应幅频响应常数项常数项共源通带增共源通带增益的相位益的相位49华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应4. 高频响应和上限频率高频响应和上限频率gsigLmSMRRRRgAV CRfsiH21 只要求得通带增益和上限截只要求得通带增益和上限截止频率，便可画出波特图止频率，便可画出波特图gdLmgs)1(CRgCC gsisi| RRR LdL| RRR C 由上述关系看出由上述关系看出 LR |SMVA Hf增益越高，增益越高，Cgd产生的产生的密勒电容也越大，上密勒电容也越大，上限截止频率越低限截止频率越低增益和带宽增益和带宽相互制约相互制约50华中科

38、技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应gdLmgs)1(CRgCC gsisi| RRR LdL| RRR 5. 增益增益-带宽积带宽积一般放大电路有一般放大电路有 fH fL ， 则带宽则带宽BWfH fL fHHSMfAV gsigLmRRRRg CRsi21 gsigLmRRRRg )1(2gdLmgsgsigsiCRgCRRRR 若有若有 ， 1gsgdLmCCRg 1LmRg)1(2gdLmgssiLmCRgCRRg 则则 gdsiHSM21CRfAV MOS管一旦确定，对相同的信号源管一旦确定，对相同的信号源 增益增益- -带宽积基本为常数带宽积基本为

39、常数# # 如何提高带宽？如何提高带宽？51华中科技大学 张林6.4.2 共源放大电路的高频响应共源放大电路的高频响应 为简化分析，上述分析过程对电路做了一些假设，尽为简化分析，上述分析过程对电路做了一些假设，尽管如此，其分析结果仍能符合大多数实际情况。管如此，其分析结果仍能符合大多数实际情况。 使用使用CAD（如（如SPICE）工具很容易获得更精确的分析）工具很容易获得更精确的分析结果。结果。52华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数1. BJT的高频小信号模型的高频小信号模型 rbe-发射结电阻发射结电阻re折算到基折算到基极回路的电阻极回

40、路的电阻 - -发射结电容发射结电容 - -集电结电阻集电结电阻 - -集电结电容集电结电容 rbb -基区的体电阻，基区的体电阻，b是假是假想的基区内的一个点。想的基区内的一个点。互导互导CECEEBCEBCmVVvivig 53华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数1. BJT的高频小信号模型的高频小信号模型高频区通常有高频区通常有ebeb1 Cr cbcb1 Cr ，模型简化为模型简化为54华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数2. 模型参数模型参数E0eb)1(IVrT ebbebb r

41、rrTmeb2 fgC 从手册中查出从手册中查出 TcbfC和和 TVIrgEeb0m （与频率无关）（与频率无关）# # 与信号频率有关吗与信号频率有关吗？55华中科技大学 张林6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数 c + - - + - - gm e b bb r bI eb r eb C eb V eb V b cI ceV cb C 0bcce VII 由电路有由电路有ebcbebmcj VCVgI 低频时低频时ebm0 rg 所以所以)(j1/jcbebebcbmbc CCrCgII 当当cbm Cg 时，时，ebcbeb0)(j1 rCC j eb

42、cb VC ebcbebebebebbjjVCVCrVI 3. 的频率响应的频率响应56华中科技大学 张林3. 的频率响应的频率响应6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数)/( j10ff 其中其中ebcbeb)(21 rCCf幅频响应幅频响应20)/(1ff 0Tff arctgff 相频响应相频响应将将 f =fT带入幅频响应带入幅频响应2T0)/(11ff T0/ ff 所以所以ebcbeb)(21 rCCebm rg57华中科技大学 张林3. 的频率响应的频率响应6.4.3 BJT的高频小信号模型及频率参数的高频小信号模型及频率参数ebcbeb)(21

43、rCCf共发射极共发射极 的的截止频率截止频率f特征频率特征频率TfTfff 共基极共基极 的的截止频率截止频率 ff = (1+ 0 ) f f fT 另外另外根据根据所以所以 1 1可得可得ebm0T2 Cgff58华中科技大学 张林6.4.4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应1. 高频等效电路高频等效电路59华中科技大学 张林6.4.4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应1. 高频等效电路高频等效电路与共源放大电路类似也可求出与共源放大电路类似也可求出密勒电容，得到等效电路密勒电容，得到等效电路cbLmM1)1( CRgCcbM2 CC60华中科技大学 张林6.4.

44、4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应2. 高频响应和上限频率高频响应和上限频率其中其中RCf21 H 通带源电通带源电压增益压增益上限截止频率上限截止频率soSHVVAV RCrRRrRrrRg j11|bebsibebbeebLm )/j(1HSMffAV bebsibebbeebLmSM|rRRrRrrRgAV isiibeL0RRRrR M1ebCCC ebbbbsi|)|( rrRRR类似地求得源电压增益响应类似地求得源电压增益响应bebi|rRR cbLmM1)1( CRgC61华中科技大学 张林6.4.4 共射放大电路的高频响应共射放大电路的高频响应2. 高频响应和上限

45、频率高频响应和上限频率RCf21 H )/j(1HSMSHffAAVV isiibeL0SMRRRrRAV M1ebCCC ebbbbsi|)|( rrRRRbebi|rRR cbLmM1)1( CRgC 3dB 0 0.1fH fH 10fH f/Hz -20dB/十倍频程十倍频程 f/Hz -45 /十倍频程十倍频程 -180 -270 0 20lg|AVSH| /dB 20lg|AVSM| -225 与共源放大电路类似与共源放大电路类似62华中科技大学 张林 例题例题 解：解：模型参数为模型参数为 设共射放大电路在室温下运行，其参数为：设共射放大电路在室温下运行，其参数为：， 1ksR，

46、pF5 . 000MHz41001mA100cbT0Cbb CfIr 。 k5cR负载开路，负载开路，Rb足够大忽略不计。试计算它的低频电压增益和上限频率。足够大忽略不计。试计算它的低频电压增益和上限频率。 mgTVIEmV26mA1 S 038. 0 ebrm0g S 038. 0001 k 6 . 2 ebCcbTm2 CfgpF 8 .14 M1Ccbcm)1( CRgpF 7 .96 VSMAcmRg ebbbseb rrRr51.133 Ceb CM1C pF 5 .111 低频电压增益为低频电压增益为 R)(bbs rReb| r k 77. 0又因为又因为所以上限频率为所以上限频

47、率为 HfRC21MHz 85. 1 VSMlg20A51.133lg20 dB 5 .42 华中科技大学 张林636.5 共栅和共基、共漏和共集共栅和共基、共漏和共集放大电路的高频放大电路的高频响应响应6.5.1 共栅和共基放大电路的高频响应共栅和共基放大电路的高频响应6.5.2 共漏和共集放大电路的高频响应共漏和共集放大电路的高频响应64华中科技大学 张林6.5.1 共栅和共基放大电路的高频响应共栅和共基放大电路的高频响应1. 高频小信号等效电路高频小信号等效电路 ds的的影影响响忽忽略略 r bb的的影影响响忽忽略略 r65华中科技大学 张林6.5.1 共栅和共基放大电路的高频响应共栅和

48、共基放大电路的高频响应2. 高频响应高频响应共栅放大电路的共栅放大电路的Cds均均共基放大电路无跨接在输入输出之间的电容，所以无密勒电容效共基放大电路无跨接在输入输出之间的电容，所以无密勒电容效应，上限频率高于共射放大电路。应，上限频率高于共射放大电路。66华中科技大学 张林6.5.2 共漏和共集放大电路的高频响应共漏和共集放大电路的高频响应1. 高频小信号等效电路高频小信号等效电路67华中科技大学 张林6.5.2 共漏和共集放大电路的高频响应共漏和共集放大电路的高频响应2. 高频响应高频响应 虽然虽然Cgs和和Cbe都会产生密勒效应，但是应为两电路的增益均都会产生密勒效应，但是应为两电路的增

49、益均小于等于小于等于1，所以它们的密勒电容都很小，上限频率远高于同等，所以它们的密勒电容都很小，上限频率远高于同等工作条件下共源和共射放大电路。工作条件下共源和共射放大电路。68华中科技大学 张林6.6 扩展扩展放大电路通频带的方法放大电路通频带的方法 扩展放大电路的通频带是指降低下限频率和提高上限频率。采扩展放大电路的通频带是指降低下限频率和提高上限频率。采用直接耦合的方式可以将下限频率降至零，而提高上限频率通常有用直接耦合的方式可以将下限频率降至零，而提高上限频率通常有三种方法，即将不同组态的放大电路级联组合、外接补偿元件、采三种方法，即将不同组态的放大电路级联组合、外接补偿元件、采用负反

50、馈。此处只讨论第一种方法。用负反馈。此处只讨论第一种方法。 将不同组态的放大电路级联组合，可以减小前级密勒电容将不同组态的放大电路级联组合，可以减小前级密勒电容CM1= (1+gmR L)Cgd（或（或CM1= (1+gmR L)Cbc）中）中R L的值，从而减小的值，从而减小CM1，提，提高上限频率，损失的增益由后级补偿，共源高上限频率，损失的增益由后级补偿，共源共基组合电路便是一例。共基组合电路便是一例。 另外，通过放大电路级联组合，还可以减小后级另外，通过放大电路级联组合，还可以减小后级CRfsiH21 中等效信号源内阻中等效信号源内阻R si的值，从而提高的值，从而提高fH，如共集，如

51、共集 共射组合电路。共射组合电路。69华中科技大学 张林6.7 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应 Ri1 Ro1 1io1VAV - + 1iV - + Ri2 Ro2 RL i22oVAV - + o1V - + oV - + 1. 多级放大电路的增益多级放大电路的增益)j ()j ()j (io VVAV )j ()j ()j ()j ()j ()j (-1)o(oo1o2io1 nnVVVVVV )j ()j ()j (21 VnVVAAA 前级的开路电压是下级的信号源电压前级的开路电压是下级的信号源电压 前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗前级的输出阻抗是下级的信号源阻抗 下级

52、的输入阻抗是前级的负载下级的输入阻抗是前级的负载70华中科技大学 张林6.7 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应2. 多级放大电路的频率响应多级放大电路的频率响应 多级放大电多级放大电路的通频带比路的通频带比构成它的任何构成它的任何一级都窄。一级都窄。（以两级为例）（以两级为例）则单级的上下限频率处的增益为则单级的上下限频率处的增益为当两级增益和频带均相同时，当两级增益和频带均相同时，。 707. 0M1VA两级的增益为两级的增益为。 5 . 0)707. 0(M122M1VVAA 即两级的带宽小于单级带宽。即两级的带宽小于单级带宽。71华中科技大学 张林*6.8 单级放大电路的瞬态

53、响应单级放大电路的瞬态响应 瞬态分析法是以单位阶跃信号作为放大电路的输入信号，瞬态分析法是以单位阶跃信号作为放大电路的输入信号，研究放大电路输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的研究放大电路输出波形随时间变化的情况，称为放大电路的阶阶跃响应跃响应，又叫做放大电路的，又叫做放大电路的时域响应时域响应。 常以常以上升时间上升时间和和平顶降落平顶降落作为放大电路的衡量指标。瞬态作为放大电路的衡量指标。瞬态分析法的优点在于从瞬态响应上可以直观地判断放大电路放大分析法的优点在于从瞬态响应上可以直观地判断放大电路放大阶跃信号的波形失真情况，并可利用脉冲示波器直接观测放大阶跃信号的波形失真情况，并可利用脉

54、冲示波器直接观测放大电路的瞬态响应。电路的瞬态响应。 瞬态分析法的缺点是分析比较复杂，这一点在分析复杂电瞬态分析法的缺点是分析比较复杂，这一点在分析复杂电路和多级放大电路时更为突出。路和多级放大电路时更为突出。 频率响应（稳态响应）属于频域分析，瞬态响应属于时域频率响应（稳态响应）属于频域分析，瞬态响应属于时域分析。在工程实际中，这两种方法可以互相结合，互为补充。分析。在工程实际中，这两种方法可以互相结合，互为补充。72华中科技大学 张林*6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应 如果放大电路输出电压的上升沿也很陡，说明放大如果放大电路输出电压的上升沿也很陡，说明放大电路能很好地响

55、应快速变化的信号。电路能很好地响应快速变化的信号。 如果放大电路输出电压的顶部也很平，则说明放大如果放大电路输出电压的顶部也很平，则说明放大电路对变化缓慢的信号也有很好的放大能力。电路对变化缓慢的信号也有很好的放大能力。1. 阶跃信号特点阶跃信号特点 0,0, 0)(tVttv73华中科技大学 张林*6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应2. 放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应上升时间上升时间tr 放大电路对阶跃电压上升沿的响应反映了对信号快速放大电路对阶跃电压上升沿的响应反映了对信号快速变换的响应情况，对应于稳态分析中的高频响应，所以可变换的响应情况，对应于稳态分析中的高频响

56、应，所以可用用RC低通电路来模拟低通电路来模拟 74华中科技大学 张林*6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应2. 放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应上升时间上升时间tr RCtV/SOe1 v上升时间上升时间tr 输出电压从最终输出电压从最终值的值的10%上升至上升至90%所需的时间所需的时间放大电路上限截止频率放大电路上限截止频率RCf21H 则有则有RCt235. 0r 上升时间上升时间tr与上限频率与上限频率fH成反比，成反比，fH越高，则上升时间愈短，前沿越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。失真越小。 75华中科技大学 张林*6.8 单级放大电路的瞬态响应单级放大电路的瞬态响应2. 放大电路的阶跃响应放大电路的阶跃响应平顶降落平顶降落 阶跃电压的平阶跃电压的平顶阶段，反映了对顶阶段，反映了对缓慢变化信号的响缓慢变化信号的响应情况，对应于稳应情况，对应于稳态分析中的低频响态分析中的低频响应，可用应，可用RC低通电低通电路来模拟路来模拟 RCtV/SOe v平顶时间平顶时间tp满足满足 RC tp 则则)1(pSORCtV v下限截止频率下限截止频率RCf21L 得得SpLSp2VtfRCVt 平顶降落平顶降落 与下限频与下限频率率fL成正比，成正比，fL越低，平越低，平顶降落顶降落 越小。越小。 end