116 放大器的频率响应 单级放大器的分析中只考虑了低频特性，而忽略了器件的分布电容的影响，但在大多数模 拟电路中工作速度与其它参量如增益、功耗、噪声等之间要进行折衷，因此对每一种电路的 频率响应的理解是非常必要的。 在本章中，将研究在频域中单级与差分放大器的响应，通过对基本概念的了解，分析 共源放大器、共栅放大器、CMOS 放大器以及源极跟随器的高频特性，然后研究级联与差 分放大器，最后考虑差分对有源电流镜的频率响应。 6.1 频率特性的基本概念和分析方法 在设计模拟集成电路时，所要处理的信号是在某一段频率内的，即是所谓的带宽，但是 对于放大电路而言，一般都存在电抗元件，由于它们在各种频率下的电抗值不同，因而使放 大器对不同频率信号的放大效果不完全一致，信号在放大过程中会产生失真，所以要考虑放 大器的频率特性。 频率特性是指放大器对不同频率的正弦信号的稳态响应特性。 6.1.1 基本概念 1、频率特性和通频带 放大器的频率特性定义为电路的电压增益与频率间的关系： （6.1） ( ) ( ) f f A A V V 式中 AV(f)反映的是电压增益的模与频率之间的关系，称之为幅频特性；而 ( f ) 则为放 大器输出电压与输入电压间的相位差 与频率的关系，称为相频特性。所以放大器的频率特 性由幅频特性与相频特性来表述。 低频区：即在第三章对放大器进行研究的频率区域，在这一频率范围内，MOS 管的电 容可视为开路，此时放大器的电压增益为最大。当频率高于该频率时，放大器的电压增益将 会下降。 上限频率：当频率增大使电压增益下降到低频区电压增益的 1/ 时的频率。 2 高频区：频率高于中频区的上限频率的区域。 2、幅度失真与相位失真 因为放大器的输入信号包含有丰富的频率成分，若放大器的频带不够宽，则不同的信号 频率的增益不同，因而产生失真，称之为频率失真。频率失真反映在两个方面：幅度失真（信 号的幅度产生的失真）与相位失真（不同频率产生了不同的相移，引起输出波形的失真）。 由于线性电抗元件引起的频率失真又称为线性失真。注：由于非线性元件（三极管等）的特 性曲线的非线性所引起，称为非线性失真。 3、用分贝表示放大倍数 增益一般以分贝表示时，可以有两种形式，即： 功率放大倍数： 117 (6.2) ) ( 10lg ) ( dB P P dB A i o P 电压放大倍数： (6.3) ) ( 20lg 10lg ) ( 2 2 dB V V V V dB A i o i o V 4 对数频率特性 频率采用对数分度，而幅值（以分贝表示的电压增益）或相角采用线性分度来表示放大 器的频率特性，这种以对数频率特性表示的两条频率特性曲线，就称为对数频率特性，也称 为波特图，它是用折线近似表示的。 6.1.2 研究方法 对频率特性的研究一般是基于网络系统的传输函数的零极点的研究，由信号与系统的理 论可知传输函数的零点决定了系统的稳定程度，而传输函数的极点所对应的就是系统的转折 频率，因此重点通过等效电路推导出电路的传输函数，进而求出零、极点以确定电路的频率 特性。 考虑如图 6.1 中的简单级联放大电路，A1 与 A2 是理想电压放大器，R1 与 R2 为每一级的 输出电阻模型，Ci 与 CN 代表每一级输入电容，CL 代表负载电容。 M A1 +- RS Vi Ci N A2 CN P CL R1 R2 Vo 图 6.1 放大器的级联 则总的传输函数为： (6.4) R C s A R C s A R C s A s V V P N in S i o 2 1 1 2 1 1 1 1 ( ) 该电路有三个极点，每一个极点是由从该节点看进去的总的到地的电容与总的到地的电 阻的乘积。因此，电路的极点一一对应于电路的节点，即 ωj=τj-1，其中 τj 是从节点 j 看进去 的电容与电阻的乘积。因此可以认为电路的每一个节点提供给传输函数的一个极点。 上面的描述一般情况下是无效的，例如在图 6.2 的电路中，极点的位置很难计算，因为 R3 与 C3 在 X 与 Y 相互交接，然而在一个极点的许多电路中每一个节点提供一个直观的方法估 算传输函数：把总的等效电容与总的累加的电阻相乘(有效的节点到地)，因此得到等效时间 常数和一个极点频率。
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