第21講三極管放大電路的靜態(tài)分析

電工學(xué)（少學(xué)時(shí)）,主講：王輝,成都大學(xué)工業(yè)制造學(xué)院,第9章基本放大電路,9.3放大電路的靜態(tài)分析-圖解法,這個(gè)例題就是單電源的放大作用，得到的主要數(shù)據(jù)如上圖所示。這個(gè)數(shù)據(jù)后面我們要用到。這個(gè)就是靜態(tài)計(jì)算的估算法。,已知：UCC=12V,=100,RC=2k,RB=370k，求靜態(tài)工作點(diǎn).,下面我們開始學(xué)習(xí)靜態(tài)分析的第二種方法-圖解法圖解法就是利用三極管的輸入特性和輸出特性用作圖的方法確定靜態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算出IB、IC和UCE的數(shù)值。若我們?nèi)龢O管的輸入輸出特性都是已知的，通常都可以通過查詢產(chǎn)品的目錄得到，以下就是我們?nèi)龢O管的輸入特性：,為了確定靜態(tài)工作點(diǎn)，我們還要估算基極電流。我們還是以剛才的例題分析，可以知道基極電流時(shí)30A，那么我們?cè)诳v軸上IB=30A這一點(diǎn)，作平行于橫軸的虛線，它交于輸入特性于一點(diǎn)Q,這一點(diǎn)就是輸入特性曲線上的靜態(tài)工作點(diǎn)。過Q點(diǎn)作垂線，對(duì)應(yīng)到橫軸上一點(diǎn)，這一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓就是這個(gè)時(shí)候晶體管發(fā)射極的正向電壓UBE。這個(gè)UBE大約是在0.7V左右。,晶體管的輸入特性,晶體管的輸出特性曲線,這是一個(gè)特性曲線組。每條特性曲線的不同就是IB不同，可以看出IB從10到50A所對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線。我們上面舉的那個(gè)例題，哪一個(gè)是對(duì)應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)呢？IB=30A，顯然靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)該對(duì)應(yīng)IB=30A所對(duì)應(yīng)的這條輸出特性曲線上。,那么怎么來確定這一點(diǎn)呢？就晶體管的特性來講，IC和UCE應(yīng)該滿足輸出特性曲線的要求，具體來說就是30A所對(duì)應(yīng)的這條輸出特性曲線，這是第一個(gè)要滿足的。對(duì)于整個(gè)電路來看，各部分電壓之間應(yīng)該符合KVL,我們由KVL可以列出：,從整體上電路要滿足這個(gè)方程，我們?nèi)绻脠D解法求解，就應(yīng)該畫出這個(gè)方程所代表的曲線。通過數(shù)學(xué)我們知道，這條曲線是一條直線，我們就在輸出特性曲線上畫出這條直線。通常最簡便的就是通過截距來畫。,它在橫軸上的電壓UCE=6V，在縱軸上的電流IC=3A。和我們前面的估算結(jié)果是一致的。這樣我們用作圖的方法確定了靜態(tài)工作點(diǎn)，也說明我們前面通過解析估算的IB、IC、UCE是對(duì)應(yīng)了輸入和輸出特性曲線上的確定點(diǎn)，就是對(duì)應(yīng)了靜態(tài)工作點(diǎn)。以上我們通過兩種方法確定了放大器靜態(tài)工作的情況，下面我們進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。,放大電路在加入了被放大信號(hào)以后，晶體管電路就是一個(gè)交直流共存的電路。它的各個(gè)極的電流和極間電壓，就既包含有直流分量又包含有交流分量。我們?yōu)榱私窈蠓治龅姆奖?，我們把各個(gè)電壓、電流的表示方法列成下表：,直流分量：大寫字母+大寫下標(biāo)交流分量：小寫字母+小寫下標(biāo)交流分量的有效值：大寫字母+小寫下標(biāo)交流分量的最大值：大寫字母+小寫下標(biāo)+m總的電流既包含直流也包含交流：小寫字母+大寫下標(biāo)所表示的關(guān)系式：總量=靜態(tài)值+交流分量的瞬時(shí)值下面我們開始講動(dòng)態(tài)分析。,第9章基本放大電路,9.4放大電路的動(dòng)態(tài)分析,動(dòng)態(tài)分析就是放大電路加入交流信號(hào)ui，被放大信號(hào)加入了，這時(shí)被放大電流還有電壓都在原來直流靜態(tài)量的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)變化量。這時(shí)放大電路就處于動(dòng)態(tài)工作情況。我們對(duì)放大電路中的變化量進(jìn)行分析就是所謂的動(dòng)態(tài)分析。我們從輸入端開始分析，如下圖所示：,信號(hào)ui從基極到發(fā)射極之間加入，那么這個(gè)交流信號(hào)就疊加在原來的靜態(tài)量UBE的基礎(chǔ)上，我們用數(shù)學(xué)式來表示（字母的大小表示要注意）：,假設(shè)輸入信號(hào)ui是一個(gè)正弦量,也就是說這個(gè)電壓的最大值是0.02V,接下來我們用圖解的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。,Ui是一個(gè)峰值為0.02V的正弦電壓，以UBE為基礎(chǔ)，正半周的時(shí)候沿著正向增加0.02V,然后回到原來的UBE點(diǎn)，到負(fù)半周反向變化0.02V，這時(shí)像坐標(biāo)原點(diǎn)方向變化，再回到UBE這一點(diǎn)。這樣在加入輸入信號(hào)以后，UBE的動(dòng)態(tài)范圍就在兩條虛線之間所確定的范圍。反映到輸入特性曲線上，就是Q隨著輸入信號(hào)的變化正半周上移到某一點(diǎn)Q1，負(fù)半周下移到Q2，因此UBE的動(dòng)態(tài)變化范圍就對(duì)應(yīng)Q1和Q2這個(gè)變化范圍。,晶體管的輸入特性,Q對(duì)應(yīng)的IB是30A,Q1對(duì)應(yīng)的是40A，Q2對(duì)應(yīng)的是20A.顯然當(dāng)輸入信號(hào)Ui以0.02交變的時(shí)候，靜態(tài)工作點(diǎn)在Q1到Q2之間變化，對(duì)應(yīng)的IB就從30A變化到40A，再返回到20A，最后再返回到30A。電流的變化范圍就從40A到20A動(dòng)態(tài)變化。,晶體管的輸入特性,我們?cè)趺幢硎舅鼈儼凑照译S時(shí)間變化的規(guī)律呢？縱軸是20、30、40，橫軸是時(shí)間t。靜態(tài)IB是圖中30所對(duì)應(yīng)的直線，在這個(gè)基礎(chǔ)上疊加了變化量ib，通過分析我們知道，它的最大值是10A,因此我們就可以畫出ib的波形，也就是讓這個(gè)波形沿時(shí)間軸展開。,下面我們看一下各變量的動(dòng)態(tài)變化范圍：,這些動(dòng)態(tài)變化范圍在加上時(shí)間軸以后，就可以用波形來表示出了它們的變化規(guī)律。顯然，iB也是交流和直流共存的，用式子可以表示為：iB=IB+ib,以上我們?cè)谳斎胩匦陨戏治隽薸B變化的規(guī)律，在輸入信號(hào)以后，集電極電流iC,集電極到發(fā)射極之間的電壓uCE它們的變化規(guī)律如何呢？-我們通過在輸出特性上進(jìn)行圖解分析。,晶體管的輸出特性曲線,1.確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q（要滿足輸出特性曲線+KVL所對(duì)應(yīng)的直流負(fù)載線）2.Q點(diǎn)在縱軸上的3mA對(duì)應(yīng)的是IC的靜態(tài)值，在橫軸上的6V對(duì)應(yīng)的是UCE的靜態(tài)值。,動(dòng)態(tài)分析加入了交流信號(hào)，交流信號(hào)產(chǎn)生了哪些變化呢？我們?cè)谳斎胩匦郧€上進(jìn)行圖解分析可以知道在IB=30A的靜態(tài)值上，增加了一個(gè)變化分量。這個(gè)變化分量的變化范圍是多少呢？IB正半周最大40A，負(fù)半周減小到最小20A,這時(shí)工作點(diǎn)就發(fā)生了變化，偏離了Q而移動(dòng)。那么它的偏移規(guī)律是怎樣的呢？,交流信號(hào)輸入了，IB變化了，靜態(tài)工作點(diǎn)偏移出去。這個(gè)偏移變化的軌跡一定會(huì)沿著直流負(fù)載線變化。那么IB在20-40的范圍內(nèi)變化，這時(shí)可以知道IC的動(dòng)態(tài)變化范圍就從2-4之間的交變變化。由于在放大的這部分是線性變化的，信號(hào)交變量ic也是隨時(shí)間作正弦規(guī)律變化，跟輸入信號(hào)的波形是一致的。我們加上一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)軸，這樣iC的變化規(guī)律也可以表示出來了。,小結(jié)如下：,我們用這種方式總結(jié)表示了輸入信號(hào)以后，有關(guān)電量、電流、電壓的動(dòng)態(tài)變化范圍，通過以上分析，我們知道iC也是交流和直流共存的，用式子表示為：iC=IC+icuCE=UCE+uce,總結(jié),（1）放大電路是交直流共存電路，交流量疊加在直流量上。,總結(jié),ui是輸入信號(hào)，正弦波，加入輸入信號(hào)后，就疊加在發(fā)射結(jié)靜態(tài)量的基礎(chǔ)上。從而引起了iB的變化。,iB也是直流和交流共存的，靜態(tài)值IB疊加了一個(gè)信號(hào)的交流量ib，ib變化同樣引起iC的變化。,uCE是靜態(tài)值UCE疊加了一個(gè)信號(hào)的交流量uce，uCE既有直流也有交流，電流經(jīng)過電容，直流被隔斷，交流被輸出，就得到uo,注：uo和ui的輸出相位不同！,總結(jié),（2）uo和ui的相位相反解釋：uCE=UCC-iCRC,（3）通過電路，可以求得電壓放大倍數(shù)數(shù)值上等于輸出電壓的有效值與輸入電壓的有效值的比值，還等于輸出信號(hào)的幅值與輸入信號(hào)的幅值的比值。,總結(jié),這樣我們就得到了這個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)為100.用圖解法求解電路的動(dòng)態(tài)分析就講到這里，接下來我們講一下非線性失真。,非線性失真：由特性曲線的非線性所引起的失真。,我們對(duì)基本放大電路提出了兩點(diǎn)的要求：（1）要放大輸入信號(hào)（Au高）（2）信號(hào)波形不失真我們以上的分析，由于靜態(tài)工作點(diǎn)選在了特性曲線的線性部分的中部，信號(hào)輸入以后都是在特性曲線的線性部分工作，因此波形基本上是不失真的。但是如果我們的工作點(diǎn)選擇的不合適，就可能使得信號(hào)輸入以后，在特性曲線的非線性部分工作，這樣就產(chǎn)生了失真。