频率响应的波特图分析

《模拟集成电路基础》课程研究性学习报告频率响应的波特图分析目录一.频率响应的基本概念 (2)1. 概念 (2)2. 研究频率响应的意义 (2)3. 幅频特性和相频特性 (2)4. 放大器产生截频的主要原因 (3)二．频率响应的分析方法 (3)1. 电路的传输函数 (3)2. 频率响应的波特图绘制 (4)（1）概念 (4)（2）图形特点 (4)（3）四种零、极点情况 (4)（4）具体步骤 (6)（5）举例 (7)三．单级放大电路频率响应 (7)1.共射放大电路的频率响应 (7)2.共基放大电路的频率响应 (9)四．多级放大电路频响 (10)1.共射一共基电路的频率响应 (10)（1）低频响应 (11)（2）高频响应 (12)2.共集一共基电路的频率响应 (13)3.共射—共集电路级联 (14)五．结束语 (14)一.频率响应的基本概念1.概念我们在讨论放大电路的增益时，往往只考虑到它的中频特性，却忽略了放大电路中电抗元件的影响，所求指标并没有涉及输入信号的频率。

但实际上，放大电路中总是含有电抗元件，因而，它的增益和相移都与频率有关。

即它能正常工作的频率范围是有限的，一旦超出这个范围，输出信号将不能按原有增益放大，从而导致失真。

我们把增益和相移随频率的变化特性分别称为幅频特性和相频特性，统称为频率响应特性。

2.研究频率响应的意义通常研究的输入信号是以正弦信号为典型信号分析其放大情况的，实际的输入信号中有高频噪声，或者是一个非正弦周期信号。

例如输入信号i u 为方波，s U 为方波的幅度，T 是周期，0/2ωπ=T ，用傅里叶级数展开，得...)5sin 513sin 31(sin 22000++++=t t t U U u s s i ωωωπ 各次谐波单独作用时电压增益仍然是由交流通路求得，总的输出信号为各次谐波单独作用时产生的输出值的叠加。

但是交流通路和其线性化等效电路对低频、中频、高频是有差别的，这是因为放大电路中耦合电容、旁路电容和三极管结电容对不同频率的信号的复阻抗是不同的。

电容C 对K 次谐波的复阻抗是C jK 0/1ω,那么，放大电路对各次谐波的放大倍数相同吗？放大电路总的输出信号能够再现输入信号的变化规律吗？也就是放大电路能够不失真地放大输入信号吗？为此，我们要研究频率响应。

3.幅频特性和相频特性幅频特性：放大电路的幅值|A|和频率f(或角频率ω)之间的关系曲线，称为幅频特性曲线。

由于增益是频率的函数，因此增益用A （jf ）或A （ωj ）来表示。

在中频段增益根本不随频率而变化，我们称中频段的增益为中频增益。

在中频增益段的左、右两边，随着频率的减小或增加，增益都要下降，分别称为低频增益段和高频增益段。

通常把增益下降到中频增益的0.707倍（即3dB ）处所对应的频率称为放大电路的低频截频（也称下限频率）L f 和高频截频（也称上限频率）H f ,把L H f f BW -=称为放大器的带宽。

相频特性：放大电路的相移ϕ和频率f(或角频率ω)之间的关系曲线，称为相频特性曲线。

例如阻容耦合共射放大电路在中频段产生o180-的相移，而在低频段随着频率的降低，相移也减小，接近零频时相移趋近于o90-。

在高频段随着频率的提高，相移也增加，相移趋近于o270-。

总结：)(|)(|)()()(ωφωωωω∠A ==A ∙∙∙∙u i o u j U j U jωω-A ∙|)(|u ：幅值随频率的变化称为幅频特性 ωωφ-∠)(：相位随频率的变化称为相频变化4.放大器产生截频的主要原因放大器低频增益下降：放大电路中耦合电容和旁路电容的影响，这些电容的容抗随着信号频率的降低而增加，对信号产生衰减作用，导致低频增益下降放大器高频增益下降：晶体管结电容及分布电容的影响，这些电容的容抗随着信号频率的增加而减小，对信号产生分流作用，导致高频增益下降。

另外，管子的β值随着信号频率的增加而减小，也可导致高频增益下降。

二．频率响应的分析方法1.电路的传输函数线性时不变系统地传输函数，定义为初始条件为零（零状态）时，输出量（响应函数）y(t)的拉式变换Y （s ）与输入量（激励函数）f(t)的拉式变换F(s)之比。

nn n n m m m m b s b s b s b a s a s a s a s F s Y s ++++++++==H ----11101110......|)()()(零状态响应（n m ≤，n m b b a a ,...,,,...,00等均为常数）。

运用零、极点，传输方程可表示为：∏∏==--=------=H n i imj jn m p s Zs Kp s p s p s Z s Z s Z s Ks 112121)()())...()(())...()(()(（K 称为标尺因子）当激励信号是角频率为ω的正弦信号时，在稳态条件下，H(s)表示式可写成H(ωj )∏∏==--=H ni imj j p j Z j Kj 11)()()(ωωω。

其幅频特性为∏∏==++=H ni i mj j p Z Kj 122122)()(|)(|ωωω，相频特性为∑∑==---=ni imj jp Z 11)arctan()arctan()(ωωωϕ。

当零、极点与K 已知时，即可求出响应的幅频和相频，便可画出频响特性曲线。

2.频率响应的波特图绘制（1）概念：研究放大电路的频率响应时，输入信号的频率范围常常设置在几赫到上百兆赫，甚至更宽，而放大电路的放大倍数可从几倍到上百万倍，为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围，在画频率特性曲线时常采用对数坐标，即波特图 。

（在已知系统传输函数的零、极点的情况下，可用折线近似描述频响特性，为了压缩坐标，扩大视野，频率坐标采用对数刻度，而幅值和相角采用线性刻度，这种特性曲线称为波特图） （2） 图形特点：①传输函数幅值的分贝数等于常数项、各零点因子及极点因子幅值分贝值的代数和，因此幅频特性波特图为各因子幅频特性波特图的叠加②传输函数的相频特性也为各因子相频特性波特图的叠加 ③零点因子的贡献总是正的，极点因子的贡献总是负的 （3）四种零、极点情况典型的传输函数为)1)(1)(1()1()(4321ωωωωωωωωωωj j j jj j ++++A =A （A 是常数项，分子项有两个零点，ωj 是位于s 平面原点的微分因子，11ωωj +是位于s 平面1ω的微分因子） ①一阶零点（或极点）因子对幅频特性的贡献211)(1lg 20|1|lg 20ωωωω+=+j当1ωω<<时，dB 01lg 20)(1lg 2021=≈+ωω(幅值是一条0dB 的水平线)； 当1ωω>>时，121lg 20)(1lg 20ωωωω≈+（幅值是一条斜率为20dB/十倍频的直线）。

即：1ωω<<处，是一条0dB 水平线；1ωω>>处，是一条线（+20dB/十倍频）的斜线，转角点在频率1ω处，所以又称1ω为转角频率。

对相同类型的极点，贡献是负的。

②一阶零点（或极点）因子对相频特性的贡献 一阶零点的相角可表示为)arctan()(1ωωωϕ=在11.0ωω≤处，o 0)(≈ωϕ，作o0水平线； 在110ωω≥处，o 45)(=ωϕ，作o90水平线；在11101.0ωωω<<处，o90)(≈ωϕ，作o45/十倍频斜线。

对相同类型的极点，贡献是负的。

③零点（或极点）微分因子对幅频特性的贡献100|==ωωωωjj ，用dB 表示，x dB y 20lg 20)(0==ωω，即有： 1,1.000==ωωω处，y=-20dB; 10==ωω处，y=0dB;1,1000==ωωω处，y=20dB.即：一条通过10==ωω，斜率为（+20dB/十倍频）的直线；极点微分因子的贡献为一条通过10==ωω，斜率为（-20dB/十倍频）的直线。

④零点（或极点）微分因子对相频特性的贡献零点微分因子ωj 对相频特性的贡献为o 90；极点微分因子ωj 对相频特性的贡献为-o90。

（4）具体步骤①求频率响应表达式。

如果已知放大电路的传递函数，只要将其中的 就能够得到放大电路的频率响应表达式。

②将乘与除变成加与减。

考虑一般频率表达式可以表示成各个因子的乘与除，由于幅频特性用分贝表示，因此要对增益的模取对数，这样在幅频特性中就将各因子的乘与除变成了加与减的运算，因此，可以分别将各因子的幅频特性画出，在图中在求其和与差；同样，相频特性是各因子对应的相角的代数和。

（5）举例)10)(100)(20()10(1020)(45++++⨯=A ωωωωωωj j j j j j ①化成标准式)101)(1001)(201()101()(4ωωωωωωj jjjj j ++++=A ，常数项：A=1，20lgA=0dB②存在两个零点0、10和三个极点20、100和104，分别画出零、极点的渐近线。

③合成波形放大器的低频截频—由低频段最大的低频极点决定，210=l ω； 放大器的高频截频—由高频段最小的高频极点决定，410=h ω; 3dB 带宽h l h dB ωωωω≈-=3.三．单级放大电路频率响应1.共射放大电路的频率响应单管共射放大电路是针对变化量的放大作用，当输入不同的正弦信号时，放大倍数将产生不同的变化，当下限频率越小，放大电路的低频响应越好。

当上限频率越大，放大电路的高频响应越好。

高频段：s eb e b e b B s e b B s U r rr R R r R U ∙+∙+++='bb'''bb''bb''r )]r //([)r //()]//(//['''B s bb e b s R R r r R +=Mi e b i C C C +=' Mo o C C =L C L R R R //'=由输出回路：'''11S iS ie b U SC R SC U +=由输入回路：''''''111L o Le b m oL o L e b m o R SC R U g SC R SC R U g U +-=+∙∙-=得：)1)(1()(21H H USs o US j j A U U j A ωωωωω++==1C X 容抗很小，忽略的容抗2C X 随频率升高 而变小，对信号电流起分流作用，因此电压放大倍数也随频率增加而减小中频段：是特性曲线的平坦部分，在该区域内电压放大倍数um A 和相位差φ（=-180 ）不随频率变化。