所谓频率响应,就是放大电路输入信号的频率对放大电路放大倍数的影响。由于放大电路中寄生电容的存在,放大倍数会呈现为频率的函数,所以需要在设计放大电路时提前应考虑通频带和信号频率范围要求
首先考虑最基本的高通电路,如下所示
存在Uo超前于Ui,电路的电压放大倍数可以等效为 $$ A_u=\frac{j \omega RC}{1++j\omega RC} $$ 令$f_L=\frac{1}{2\pi RC}$,获得变换后的电压放大倍数 $$ A_u=\frac{j \frac{f}{f_L}}{1+j\frac{f}{f_L}} $$ 于是可以得到一个Au-f公式 $$ |A_u|=\frac{\frac{f}{f_L}}{\sqrt{1+(\frac{f}{f_L})^2}}\ \phi=\frac\pi2 - arctan(\frac{f}{f_L}) $$
经过变换后绘制出上述图像
对于低通滤波器,同理有公式 $$ A_u(变换前)=\frac{1}{1+j\omega RC} \ |A_u|(变换后)=\frac{1}{\sqrt{1+(\frac{f}{f_H})^2}} \ \phi = -arctan(\frac{f}{f_H}) $$
可推出以下图像
经过一系列推导,可以得到高通电路和低通电路的相位-频率图像
发现高通电路通高频阻低频;低通电路通低频阻高频,在相位角为45度时,Au为最大值的1/√2,可以视为阈值,分别根据相角的滞后或超前决定两个阈值:高频截止频率
定义幅频特性:放大电路的$A_u(f)$函数及其决定的图像
相频特性:放大电路的$\phi(f)$函数及其决定的图像
将基本的曲线图改为对数坐标系画法,可以得到反映电路频率响应的标准图示:波特图
波特图的横轴为lg(f),纵轴为20lg|A|,单位为分贝(dB)
这里在之前《基础晶体管》的基础上强调一下分立式晶体管元件的高频等效模型
上图:三极管的混合π模型
设BJT的原始β值为β0 $$ \beta=\frac{\beta_0}{1+j\frac{f}{f_\beta}} \ f_\beta=\frac{1}{2\pi r_{b'e}(C_\pi +C_\mu)} $$ 可推导出电流放大倍数频率特性曲线
改为波特图
其中阈值频率正好对应了1/√2点的位置,所以说波特图中的折点反映了实际幅频特性图中的阈值点
考虑一般的放大电路,
- 电路低频段的实际放大倍数需要乘因子$A_u=\frac{j \frac{f}{f_L}}{1+j\frac{f}{f_L}}$
- 电路高频段的实际放大倍数需要乘因子$A_u=\frac{1}{1+j\frac{f}{f_L}}$
- 截止频率取决于电容所在回路的时间常数$f_{L(H)}=\frac{1}{2\pi \tau}$
- 频率响应具有幅频特性和相频特性两个表征函数和对应曲线
场效应管也有类似的高频等效电路
推导过程和解释已经在前面博文里提过,这里不再赘述