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. .. 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，Multisim 1 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。然后以两级放大电路为例，讨论多级放大电路与组成它的各级放大电路频率响应之间的关系，总结出多级放大电路的频率特性，并推广到N级放大电路。在本次设计中，我们采用了Multisism软件对理论结果结果进行仿真验证，与理论计算结果进行了对比，从而更好的证明了理论推导的结论。 2 单级放大电路 2.1 放大的概念 放大电路放大的本质是能量的控制和转换，是在输入电源获得能量大于信号源所提供的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量，因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之。能够控制能量的元件称为有源元件，因而在放大电路中必须存在有源元件，使电子电路中的能量能够被有效控制，如晶体管和场效应管等。 2.2 频率响应的定义 由于放大器件（包括BJT和FET）本身具有极间电容，此外，在放大电路中存在电抗元件(如电容、电感线圈等)及半导体管极间电容，当输入信号的频率过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移，说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为放大电路的频率响应或频率特性[1]。 系统的频率响应由幅频特性和相频特性组成。幅频特性表示增益的增减同信号频率的关系；相频特性表示不同信号频率下的相位畸变关系。以RC低通电路为例，电路如图1所示。 图1 基本RC低通电路 已知输出电压与输入电压之比 ?(1) 令时间常数、，则有： ， (2) 其中称为上限频率。将其带入式(1)，则有[2]： (3) 将其用幅频及相频分别表示，则有： (4) 其中式(4)是其幅频特性及其相频特性。 2.3 放大电路频率放大能力的性能指标 由于放大期间本身存在极间电容，还有一些放大电路中接有电抗性元件，因此，放大电路的放大倍数将随着频率的变化而变化。一般情况下，当频率升高或降低时，放大倍数都将减小，而在中间一段频率范围内，因各种电抗性元件的作用可以忽略，故放大倍数基本不变，如图2所示。通常放大倍数在高频和低频段分别下降至中频段放大倍数的1/时所包括的频率范围，定义为放大电路的通频带，用符号BW表示，通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。