放大器的频率响应

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。