模块三 多级放大电路与频率响应
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论文多级放大电路频率响应仿真分析
多级放大电路频率响应仿真分析摘要：频率响应是多级放大器中放大电路的主要性能指标，表明放大电路对于不同频率信号的放大功能。
本文从以下几点来阐述多级放大电路的频率响应：首先推导出多级放大电路放大倍数与各级放大电路放大倍数之间的关系式；然后以基本放大电路为出发点，分析其对于高频、中频和低频三个不同频段信号的放大能力，推导出多级放大电路的频率响应表达式；得出多级放大电路的通频带由各级放大电路通频带所决定，且其通频带小于组成它的各级放大电路的通频带的结论。
最后将使用Multisim软件对上述结论进行仿真，通过对图形的分析，从而对理论结果进行验证。
关键词：多级放大电路，频率响应，截止频率，通频带，Multisim1 引言如今电子科技发展日新月异，越来越多的电子产品开始进入人们的日常生产生活当中，放大器应用于对各种信号（最终转化为电信号）的放大作用，使得一个微小的信号能够放大来进行使用，如我们所见的声音信号、图像信号等。
可以说，如果没有放大器，我们便如法使用各种各样的数码产品来丰富我们的日常生活。
但单级放大电路的电压放大倍数一般只可以达几倍到几十倍，然而，在许多场合，这样的放大倍数是不够用的，常需要把若干个单级放大电路串接起来，组成多级放大器，把信号经过多次放大，从而得到所需的放大倍数，这便是多级放大器，而构成多级放大器的电路便是我们要探讨研究的多级放大电路。
所以，多级放大电路是对基本放大电路的延伸应用，其结构较之基本放大电路也更加复杂，因为所要分析的方面也更加多。
多级放大电路的一个重要性能指标就是其频率响应，频率响应特性反映了多级放大电路对于不同频率信号的放大能力，在设计一个多级放大器时，我们必须首先了解信号的频率范围，根据这个范围来设计合适的放大电路，以保证设计的放大电路有适用于该信号频率范围的通频带，这样才能保证放大电路良好的放大效果，由此可见研究放大电路的频率响应对于设计放大电路的重要意义。
本文中从最基本的单级放大电路出发，从高、中、低三个频段研究其频率响应特性，得出影响放大电路频率响应的主要因素。
第三章多级放大电路和频率响应 - 210469621
二、波特图
(一)什么是波特图
做图时不是用逐点描绘曲线，而是采用折线近似的 方法画出的对数频率特性，通常称为波特图。就是 横坐标频率f采用lgf对数刻度，这样将频率的大幅 度的变化范围压缩在一个小范围内(例如用1～6代表 10～106)，幅频特性的纵坐标电压增益，用分贝(dB) 表示为20lgA，(当A从10倍变化到103倍时，分贝值 只从20变化到60)。这样绘出的20lgA−lgf的关系曲 线称为对数幅频特性。而相频特性的纵坐标相移Φ 采用线性刻度，绘制出的Φ −lgf关系曲线称为对数 相频特性。两者合起来，称为对数频率特性。
中间级：一般承担着主要的电压放大的任务，故称之 为电压放大级，常采用共射电路。
输出级：为适应负载变动而输出电压不变的要求，选 用输出电阻较小的共集电路为宜。有时为了向负载供 给足够大的功率，往往在输出级前面再加上一级推动 级(也称末前级)。
二、级间耦合方式
在多级放大器中各级之间、放大电路与信号 源之间、放大电路与负载之间的连接方式称 耦合方式。 对级间耦合电路的要求：一是耦合电路必须 保证信号通畅地、不失真地传输到下一级， 尽量减少损失；二是保证各级有合适的静态 工作点。
的相移。
图3-14 波特图的归一化画法 (a)幅频特性；(b)相频特性
三、多级放大电路的频率特性 (一)多级放大电路的幅频特性与相频特性
如前所述，多级放大电路总的电压放大倍数为各单级放大 倍数的乘积，即
n
AuAu1Auc Aun Ank k1
n=0,1,2…
将上式取绝对值后再取对数，就可得到多级放大电路的对
升高而减小，从而使电压放大倍数下降。相移滞后90°。
(三)下限频率fL、上ຫໍສະໝຸດ 频率fH及通频带fbw工程上规定，当放大倍数下降到中频值的0.707(即 2 )时 所对应的低频频率和高频频率分别称为下限频率fL及上限
模拟电路第三章 放大电路的频率响应
第3章 放大电路的频率响应3.1 教 学 要 求1、掌握放大电路频率特性的复频域分析方法；2、掌握放大电路频率特性参数的计算方法；3、熟悉BJT 的频率参数；4、熟悉密勒定理及三种基本组态放大电路的频响特性，掌握放大电路幅频特性和相频特性渐近波特图的画法，了解宽带放大电路的实现方法；5、熟悉多级放大电路的频率特性；了解放大电路的瞬态响应特性。
3.2 基本概念和内容要点3.2.1 表征放大电路频响的主要参数和渐近波特图的表示方法1、放大电路的主要频响参数 （1）中频增益A M 及相角φM指放大器工作在中频区的增益与相位，它们与频率无关。
（2）上限频率f H 及下限频率f L它定义为当信号频率变化时，放大器增益的幅值下降到0.707A M 时所对应的频率。
当频率升高时，增益下降到0.707A M 时所对应的频率称为上限频率f H ，即当频率下降时，增益下降到0.707A M 时所对应的频率称为下限频率f L ，即（3）通频带BW它定义为上、下限频率之差值，即BW= f H －f L （3—3）当f H ＞＞f L 时，BW ≈f H 。
（4）增益带宽积GBW它是放大器中频增益A M 与通频带BW 的乘积，即GBW=│A M ·BW │ （3—4）2、渐近波特图这是用来描绘放大器频率响应的一种重要方法，它是在半对数坐标系统中绘制放大器的增益及其相位与频率之间关系曲线的一种常用工程近似方法。
从波特图上不仅可以确定放大器的频率响应的主要参数，而且在研究负反馈放大器的稳定性问题时也常用波特图来解决，因此，由传递函数写出A（ω）和φ（ω）的表达式，并作出相应的渐近波特图是必须掌握的。
一个电子系统的波特图可以分解为各因子的组合，画出了各因子的波特图，就可以通过叠加，十分方便地获得系统的波特图。
这种波特图可以用几段折线来近似，而不必逐点描绘，作图方便，而且误差也不大，所以获得了广泛的应用。
表3.1示出了具有实数极零点时若干因子的频率特性渐近波特图。
多级放大电路的频率响应
稳定性判据
劳斯稳定判据
通过计算系统的极点和零点，判断系 统是否稳定。如果所有极点都位于复 平面的左半部分，则系统稳定。
奈奎斯特稳定判据
通过分析系统的频率响应，判断系统 是否稳定。如果系统的频率响应在所 有频率下都不产生负相角，则系统稳 定。
相位裕度的概念
相位裕度是衡量系统稳定性的一个重要参数，表示系统在特 定频率下相位滞后或超前的程度。
重要性及应用领域
重要性
频率响应决定了放大电路的应用 范围，良好的频率响应可以提高 信号质量，扩大电路的应用领域 。
应用领域
多级放大电路的频率响应在通信 、雷达、音频处理、控制等领域 有广泛应用。
02
多级放大电路的基本概念
放大电路的级联
多个放大电路按照一定的方式连接起来，形成一个整体，实现信号的逐级放大。 级联的方式可以是串联、并联或串并联混合。
详细描述
负载阻抗的大小决定了放大电路的输出阻抗匹配。当 负载阻抗与放大电路输出阻抗不匹配时，会产生信号 反射和能量损耗，导致频率响应的畸变。此外，负载 阻抗还会影响放大电路的带宽和稳定性。
总结词
环境因素对多级放大电路的频率响应具有重要影响。
详细描述
环境因素包括温度、湿度、电磁干扰等， 这些因素会影响放大电路中元件的参数 和性能，从而影响频率响应。例如，温 度变化会导致元件参数发生变化，进而 影响放大电路的增益和带宽。电磁干扰 会导致信号失真和噪声增加，影响频率 响应的稳定性。因此，在设计和应用多 级放大电路时，需要考虑环境因素的影 响，采取相应的措施进行优化和控制。
负反馈能够减小多级放大电路中的非 线性失真，提高信号的保真度，从而 改善频率响应。
扩展带宽
负反馈能够扩展多级放大电路的带宽， 使其在更宽的频率范围内保持稳定的 性能。
模电第三章之 放大电路的频率响应
C1 + +
+
+
3.3.1 混合 型等效电路
一、混合 型等效电路cBiblioteka brbcrbb
+
b
Ib U be rb b
b
C bc
Ic c
+
gmU be
b
rbe
U be
rbe
C be
e
U ce
(a)三极管结构示意图
e
(b)等效电路
特点：（1）体现了三极管的电容效应 . .
10 f
f
图 3.2.1 的波特图
3.2.1 共射截止频率 f
值下降到 0.707 (即 1 0 )时的频率。 0 2
当 f = f 时，
1 0 0.707 0 2
20 lg 20 lg 0 - 20 lg 2 20 lg 0 - 3(dB )
对数幅频特性：
20 lg Au / dB
实际幅频特性曲线：
0.1 fL fL 10 fL f
0 3dB -20
高通特性：
-20dB/十倍频
-40
当 f ≥ fL(高频)，
幅频特性
Au 1
图 3.1.4(a)
当 f < fL (低频)， Au 1
且频率愈低，Au 的值愈小，
最大误差为 3 dB， 发生在 f = fL处
2
-20 lg 1 f L 20 lg Au f
2
则有：
当 f f L 时， Au 0 dB 20lg
f f 当 f f L 时， lg Au -20 lg L 20 lg 20 f fL
第四章 多级放大器及频率响应
VCEQ1 = VCC I CQ1 Rc1 ( I CQ1 I BQ1) Re1 Vcc I CQ1( Rc1 Re1 ) 12 0.93 7.8 4.7 V
VE2 VB2 VBE2 7.26 0.7 7.96V
I EQ2 I CQ2 (VCC VE2 ) / Re2 (12 7.96) / 3.9 4.04 / 3.9 1.04 mA
多级放大器
单管放大电路的局限： （1）放大倍数不足够大。
（2）从Ri、Ro、Au、Ai这四个指标衡量，没有一个是完美的！ 解决的办法：把他们组合起来，形成多级放大器。 级间耦合的条件：把前级的输出信号尽可能多地传给后级， 同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放 大。 多级放大电路的放大倍数：
例
U CC 12 V， R B11 30 kΩ ， 在图示两级组容耦合放大电路中，已知
R B21 15 k Ω ， R C1 3 k Ω ， R E 1 3 k Ω ，R B12 20 k Ω ， R B22 10 k Ω ， R C2 2 .5 k Ω ， R E2 2 k Ω ， R L 5 k Ω ， 1 2 50 ，
二、RC高通电路
为： 其传递函数 A v
o V j / L jf / f L Av = Vi 1 j / L 1 jf / f L
1 1 式中 L 。 RC t
下限截止频率、模和相角分别为
Av
f / fL f o 90 arctg( f ) f 2 L 1 ( ) fL
+ uo1
CE1 －
、 。 （2）求各级电路的电压放大倍数A A u1 Au 2 和总电压放大倍数 u
第三章放大电路的频率响应-资料
由于输出回路时间常数远小于输入回路时间常数，故 可忽略输出回路的结电容。并用戴维南定理简化。
图中
R
c
+
+
Us
Ri Rs
Ri
rbe rbe
Us
U
+
s
~
-
R rbe // rbb (Rs //Rb)
U be C
gmUbRe c
U o
e
C C b e ( 1 - K ) C b c C b e ( 1 g m R c ) C b c
f
Au
1
1
fL f
2
2l0gA u-20 lg1ffL2
则有：
当 ff L 时2， 0 A ul g 0dB
当 ff L 时 2 l0 A ， g u - 2 l 0 f g f L 2 l0 f g f L 当 f f L 时 2 lA 0 g ， u - 2 l 0 g 2 - 3 dB
0
可得
1j
1
f / f
0
1j1f0
1j f / f
(10) f
与
0
1 j
f f
比较，可知 0
f
1
0
0
(1 0 )
f
说明：
因 为 0 1 0 ： 0， f (1 0)f 所以：
1. f 比 f 高很多，等于 f 的 (1 + 0) 倍；
C C b e(1-K )C b c
bb
I
bI
b
U
b
U
图中
R
c
+
+
Us
Ri Rs
Ri
rbe rbe
Us
U
+
s
~
-
R rbe // rbb (Rs //Rb)
U be C
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U o
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C C b e ( 1 - K ) C b c C b e ( 1 g m R c ) C b c
f
Au
1
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2
2l0gA u-20 lg1ffL2
则有：
当 ff L 时2， 0 A ul g 0dB
当 ff L 时 2 l0 A ， g u - 2 l 0 f g f L 2 l0 f g f L 当 f f L 时 2 lA 0 g ， u - 2 l 0 g 2 - 3 dB
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可得
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0
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(10) f
与
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比较，可知 0
f
1
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(1 0 )
f
说明：
因 为 0 1 0 ： 0， f (1 0)f 所以：
1. f 比 f 高很多，等于 f 的 (1 + 0) 倍；
C C b e(1-K )C b c
bb
I
bI
b
U
b
U
模拟电子技术基础简明教程(第三版)第三章放大电路的频率响应精品PPT课件
其中fH是一个重要的频率点，称为上限截止频率。
15
第一节 频率响应的一般概念
2. RC高通电路
C
（1）频率响应表达式：
+
+
AUU O Ui
R1R /jC1j/1RC
ui
－
R
uo
-
令：
1
fL 2RC
幅频响应：
则：
A U
Uo
Ui
1 1 j
fL f
│AU│
1
1( fL f )2
相频响应： arctg(fL f )
四、 频率失真
由于放大电路通频带的宽度有限， 当输入信号包含有较高频率或较低频率成份时， 放大倍数不同、相移不同， 由此引起输出信号失真，称为频率失真
可分为：幅频失真与相频失真
9
第一节 频率响应的一般概念
幅频失真： 由于放大电路对不同谐波成分的放大倍数的幅值不同， 导致uO的波形产生的失真，称为幅频失真。
f fH | AU |0.70720 lg|AU|3dB
2l0 g |A U | 2l0 g fH /(f) 最大误差 -3dB
14
第一节 频率响应的一般概念
相频响应
20lg| AU（ | dB）
arctgf(fH)
0
-20
当f fH时， 0
-40
当f fH时， 90
当f fH时，45
0°
当 0.fH 1f10 fH时 ，-45°
二、 幅频特性和相频特性
由于电抗性元件的作用，
|Au |
使正弦波信号通过放大电路时， Aum 不仅信号的幅度得到放大， 0.707Aum
BW
而且还将产生一个相位移。
高二物理竞赛课件多级放大电路与频率响应
功率放大电路
（四）输出级：
输出电阻小，带负载能力强。
CC
第二章内容
第五章内容
将输入的微弱信号加以放大， 以获得一定电压放大倍数。
所放大的信号幅度比较小， 又称为小信号放大器。
推动级和输出级 所放大的信号幅 度很大
二、级间耦合方式
耦合方式： 在多级放大器中各级之间、放大电路与信号源之间、放 大电路与负载之间的连接方式。
主要原因：温度变化对晶体管参数的影响及电源电压的波动等。
（二）阻容耦合：各级通过电阻、电容连接
1、优点： （a）工作点彼此独立； （b）易实现； （c）成本低。 2、缺点：（耦合电容） （a）只传递交流； （b）不易集成； （c）低频响应不好。 （在分立元件的放大电路中获得了广泛应用）
对级间耦合电路的要求： （1）保证信号通畅地、不失真地传输到下一级，尽量减少
损失； （2）保证各级有合适的静态工作点。
多级放大电路的耦合方式通常有三种： 直接耦合、阻容耦合及变压器耦合
(a)直接耦合 (b)阻容耦合 (c)变压器耦合
(一)直接耦合：级与级之间直接连接
1、优点： （a）能传递各种信号； （b）易集成； （c）频率特性好。
2、缺点： （a）工作点不独立； （b）设计和调试较复杂； （c）出现零点漂移。
➢ 零点漂移现象 输入为零，输出产生变化的现象称为零点漂移。
形成：直接耦合放大电路各级Q点相互影响，由于各级的放大， 第一级的微弱变化会使输出产生很大的变化。当输入为零时，由 于某些原因（例如温度变化）使输入级的Q点发生微弱变化 ，输 出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。
2、能抑制噪声
场效应管构成的差放
3、不要求承担放大任务。来自输出级信号源 输入级
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图3.10
两级阻容耦合放大电路的幅频响应
模块三
能力培养
能力培养 （一）应用电路举例1
能力培养 （二）应用电路举例2
能力培养 （三）应用电路举例3
能力培养 （一）应用电路举例1
能力培养 （二）应用电路举例2
能力培养 （三）应用电路举例3
图3.3
直接耦合两级放大电路
直接耦合电路的特点如下。 ① 各级放大电路的静态工作点相互影响。 不利于电路的设计、调试和维修。
② 频率特性好，可以放大直流、交流以及 缓慢变化的信号。 ③ 输出存在温度漂移。 ④ 电路中无大的耦合电容，便于集成化。
3．变压器耦合
图3.4
变压器耦合放大电路
变压器具有隔离直流、通交流的特性， 因此变压器耦合放大电路具有如下特点。 ① 各级的静态工作点相互独立，互不影响， 利于放大器的设计、调试和维修。
（1）判定VT1、VT2各构成什么组态电路？ （2）分别估算各级的静态工作点。 （3）计算放大电路的电压放大倍数Au、输 入电阻Ri和输出电阻Ro。
解： （1）VT1放大管构成第一级放大电路，为 共射极电路；VT2构成第二级放大电路，为 共集电极放大电路。
（2）估算静态工作点：
Rb2 10 U B1 U CC 12V 4V Rb1 Rb2 10 20 U B1 4 I CQ1 mA 2mA Re1 2 2mA I BQ1 40μA 1 50 U CQ1 U CC I CQ1 ( Rc Re1 ) 12V 2 (2 2)V 4V I CQ1
uo uo1 uo2 uo3 Au Au1 Au 2 Au3 ui ui ui2 ui3
（3-1）
图3.5
多级放大电路动态参数框图
即多级放大电路的电压放大倍数Au为 各级电压放大倍数的乘积。 若以分贝为单位来表示电压放大倍数， 则有
20lg Au (dB) 20lg Au1 20lg Au 2 20lg Au3 （3-2）
（三） 多级放大电路的频率响应
1．多级放大电路的幅频响应为各单 级幅频响应的叠加
20lg Au 20lg Au1 20lg Au 2 20lg Au3
2．多级放大电路的相频响应为各单级 相频响应的叠加
1 2 3
3．多级放大电路的通频带
多级放大电路的下限频率高于组成它 的任一单级放大电路的下限频率；而上限 频率则低于组成它的任一单级放大电路的 上限频率；通频带窄于组成它的任一单级 放大电路的通频带。
② 低频特性差，不适合放大直流及缓慢变 化的信号，只能传递具有一定频率的交流 信号。 ③ 输出温度漂移比较小。
④ 阻容耦合电路具有体积小，重量轻的优 点，在分立元件电路中应用较多。在集成 电路中，不易制作大容量的电容，因此阻 容耦合放大电路，不便于做成集成电路。
图3.2
阻容耦合两级放大电路
2．直接耦合
电压放大倍数相乘的关系转为相加。 总的电压增益为各级电压增益之和。
2．多级放大电路的输入电阻Ri
多级放大电路的输入电阻Ri等于从第 一级放大电路的输入端所看到的等效输入 电阻Ri1，即
Ri Ri1
（3-3）
3．多级放大电路的输出电阻Ro
多级放大电路的输出电阻Ro等于从最 后一级（末级）放大电路的输出端所看到 的等效电阻Ro末，即
② 同阻容耦合一样，低频特性差，不适合 放大直流及缓慢变化的信号,只能传递具有 一定频率的交流信号。
③ 可以实现电压、电流和阻抗的变换，容 易获得较大的输出功率。 ④ 输出温度漂移比较小。 ⑤ 变压器耦合电路体积和重量较大，不便 于做成集成电路。
（二） 多级放大电路的分析方法
1．多级放大电路的电压放大倍数Au
模块三 多级放大电路与频率响应
知识点一 多级放大电路
知识点二 复合管 知识点三 放大电路的频率响应
知识点一 多级放大电路
多级放大电路是指两个或两个以上的 单级放大电路所组成的电路。 图3.1所示为多级放大电路的组成框图。
图3.1
多级放大电路的组成框图
（一） 多级放大电路的耦合方式
1．阻容耦合
阻容耦合多级放大电路具有以下特点。 ① 各级放大电路的静态工作点相互独立， 互不影响，利于放大器的设计、调试和维 修。
Ri Ri1 Rb1 // Rb2 // rbe1 (10 // 20 // 0.86)k 0.86k rbe2 Rb // Ro1 0.85 200 // 2 Ro Ro2 Re2 // 1// k 28 1 2 101
计算中把前一级的输出电阻Ro1作为后 一级的信号源内阻。
知识点二 复合管
（一）复合管的结构
图3.6
4种常见的复合管结构
（二）复合管的特点
① 复合管的类型与组成复合管的第一只三极 管的类型相同。如果第一只管子为NPN型， 则复合管的管型也为NPN；若第一只管子为 PNP型，则复合管的管型也为PNP。
② 复合管的电流放大系数 近似为组成该 复合管的各三极管电流放大系数的乘积， 即 ≈ 1 2 3… （3-5）
BW f H f L
一个放大器的通频带越宽，表示其工 作的频率范围越宽，频率响应越好。
3．影响放大电路频率特性的主要因素
（1）低频区 （2）中频区 （3）高频区
（二） 单级共射放大电路的频率响应
图3.8所示为单级阻容耦合基本共射放 大电路和其频率特性。
图3.8
单级阻容耦合基本共射放大电路及其频率特性源自知识点三 放大电路的频率响应
（一） 频率响应的基本概念
1．频率响应
放大倍数随信号频率变化的关系称为 放大电路的频率特性，也叫频率响应。 频率响应包含幅频响应和相频响应两 部分。
用关系式 A Au ( f ) ( f ) 来描述放大电 路的电压放大倍数与信号频率的关系。 其中 Au ( f )表示电压放大倍数的模与信 ( f ) 表示放 号频率的关系，叫幅频响应； 大电路的输出电压 u o 与输入电压 u i 的相位 差与信号频率的关系，叫相频响应。
26mV 26 rbe1 200 (1 1 ) 200 51 0.86k I EQ1 2 rbe2 26mV 26 200 (1 2 ) 200 101 0.85k I EQ2 4
第二级的输入电阻Ri2作为第一级的负 载电阻：
I BQ2
U CC 12 V 40μA Rb (1 2 ) Re2 200 1011
I CQ2 2 I BQ2 100 40μA 4mA U CEQ2 U CC I CQ2 Re2 12V 4 1V 8V
（3）计算Au、Ri和Ro
Ri2 Rb //[rbe2 (1 2 ) Re2 // RL ] 51k Au1
1RC // Ri2
rbe1
50 2 116 0.86
(1 2 ) Re2 // RL Au2 1 rbe2 (1 2 ) Re2 // RL Au Au1 Au2 116
Ro Ro末
（3-4）
注意
求解多级放大电路的动态参数Au、 Ri、Ro时，一定要考虑前后级之间的相互 影响。 要把后级的输入阻抗作为前级的负载电阻。 前级的开路电压作为后级的信号源电压， 前级的输出阻抗作为后级的信号源阻抗。
例题3-1：图3.2所示为两级阻容耦合放大电
路。若Rb1=20k，Rb2=10k，Rc=2k， Re1=2k，Rb=200k，Re2=1k，RL=2k， 1=50，2=100，UCC=12V。
u
2．上、下限频率和通频带
图3.7为阻容耦合放大电路的幅频响应。
图3.7
阻容耦合放大电路的幅频响应
（1）下限频率fL和上限频率fH 定义：当放大电路的放大倍数 | Au | 下降
到0.707Aum时，所对应的两个频率分别叫 做放大电路的下限频率fL和上限频率fH。
（2）通频带BW
fL和fH之间的频率范围称为放大电路 的通频带，用BW表示，即