放大電路的瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析

1、放大電路的瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析對放大電路的研究，目前有穩(wěn)態(tài)分析法和瞬態(tài)分析法兩種不同的分析方法。穩(wěn)態(tài)分析法：也就是已討論過的頻率響應分析法。該方法以正弦波為放大電路的基本信號，研究放大電路對不同頻率信號的幅值和相位的響應（或叫做放大電路的頻域響應）。其優(yōu)點是分析簡單，便于測試；缺點是不能直觀地確定放大電路的波形失真。瞬態(tài)分析法：是以單位階躍信號為放大電路的輸入信號，研究放大電路的輸出波形隨時間變化的情況，它又稱為放大電路的階躍響應或時域響應。此方法常以上升時間和平頂降落的大小作為波形的失真標志。其優(yōu)點是可以很直觀地判斷放大電路的波形失真，并可利用脈沖示波器直接觀測放大電路瞬態(tài)響應。在工程實際中，

2、這兩種方法可以互相結(jié)合，根據(jù)具體情況取長補短地運用。 單級放大電路的瞬態(tài)響應的上升時間圖1放大電路的階躍響應分析以階躍電壓作為放大電路的基本信號，圖1表示一個階躍電壓，它表示為 放大電路的階躍響應主要由上升時間tr和平頂降落來表示。階躍響應分析其目的是求出這兩個參數(shù)，并可將它與穩(wěn)態(tài)分析中參數(shù)相聯(lián)系。分析單級共射放大電路的階躍響應時，可采用小信號等效電路，將階躍電壓可分為上升階段和平頂階段并按其特點對電路進行簡化。圖 2階躍電壓中上升較快的部分，與穩(wěn)態(tài)分析中的高頻區(qū)相對應，可用RC低通電路來模擬，如圖 2（a）所示。由圖可知式中VS是階躍信號平頂部分電壓值。 與時間的關(guān)系如圖2（b）所示。上式表

3、示在上升階段時輸出電壓vO隨時間變化的關(guān)系。輸入電壓vS在t=0時是突然上升到最終值的，而輸出電壓是按指數(shù)規(guī)律上升的，需要經(jīng)過一定時間，才能到達最終值，這種現(xiàn)象稱為前沿失真。一般用輸出電壓從最終值的10%上升至90%所需的時間tr來表示前沿失真，tr稱為上升時間。由圖2（b）經(jīng)推導可得已知 可得或 可見，上升時間tr與上限頻率fH成反比，fH越高，則上升時間愈短，前沿失真越小。 單級放大電路的瞬態(tài)響應的平頂降落階躍電壓的平頂階段與穩(wěn)態(tài)分析中的低頻區(qū)相對應，所以可用如圖1（a）所示RC 高通電路來模擬。        

4、0;                                    圖1由圖可得 vO與時間t的關(guān)系如圖1（b）所示。由于電容C 的影響，,但輸出電壓是按指數(shù)規(guī)律下降的，這種現(xiàn)象稱為平頂降落。下面計算在某一時間間隔tp時的平項降落值。在平頂階

5、段，時間常數(shù) ，可得考慮到 ，可得 由此可見，平頂降落與低頻下限頻率成正比，fL越低，平頂降落越小。放大電路的瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析方法比較瞬態(tài)分析法和穩(wěn)態(tài)分析法雖然是兩種不同的方法，但它們是有內(nèi)在聯(lián)系的，當放大電路的輸入信號為階躍電壓時，在階躍電壓的上升階段，放大電路的瞬態(tài)響應（上升時間）決定于放大電路的高頻響應（fH）；而在階躍電壓的平頂階段，放大電路的瞬態(tài)響應（平頂降落）又決定于放大電路的低頻響應（fL）。因此，一個頻帶很寬的放大電路，同時也是一個很好的方波信號放大電路。在實用上常用一定頻率的方波信號去測試寬頻帶放大電路的頻率響應，如它的方波響應很好，則說明它的頻帶較寬。必須指出，

6、穩(wěn)態(tài)分析法在放大電路的分析中仍占主導地位，這是因為： 任何周期性的信號都可分解為一系列的正弦波，因此放大電路分析的重點是正弦信號； 關(guān)于電路的分析和綜合方法，在頻域中比在時域中一般要成熟得多； 在瞬態(tài)計算極其復雜時，往往可根據(jù)穩(wěn)態(tài)響應的研究來間接地對電路的瞬態(tài)響應得到一個定性的了解； 在反饋放大電路中，消除自激的補償網(wǎng)絡也是以頻率響應為基礎(chǔ)的。 多級放大電路及其耦合方式在許多應用場合，要求放大器有較高的放大倍數(shù)及合適的輸入電阻、輸出電阻，如用單級放大器很難達到要求。因此，需要將多個不同組態(tài)的基本放大器級聯(lián)起來，充分利用它們的特點，合理組合構(gòu)成多級放大器，用盡可能少的級數(shù)，滿足系統(tǒng)對放大倍數(shù)、輸

7、入電阻、輸出電阻等動態(tài)指標的要求。多級放大器中各級之間連接方式稱為耦合方式。級間耦合時，一方面要確保各級放大器有合適的直流工作點，另一方面應使前級輸出信號盡可能不衰減地加到后級的輸入。常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合等。 阻容耦合方式圖1連接方式框圖阻容耦合的連接方框圖如圖1所示。特點1. 由于電容器隔直流而通交流，所以各級的直流工作點相互獨立，而且，只要耦合電容選得足夠大，則較低頻率的信號也能由前級幾乎不衰減地加到后級，實現(xiàn)逐級放大。2. 阻容耦合放大電路的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號。這是因為耦合電容對這類信號呈現(xiàn)出很大的容抗，信號的一部分甚至全部幾乎衰減在耦

8、合電容上。3. 由于集成電路中制造大容量電容很困難，所以這種耦合方式不便于集成化。直接耦合方式連接方式直接耦合是把前級的輸出端直接或通過恒壓器件接到下級輸入端。特點1. 這種耦合方式不僅可放大緩變信號，而且便于集成。2. 由于前后級之間的直流連通，使各級工作點互相影響，不能獨立。因此，必須考慮各級間直流電平的配置問題,以使每一級都有合適的工作點。圖1給出了幾種電平配置的實例。圖1 直接耦合電平配置方式實例(a) 墊高后級的發(fā)射極電位；(b) 穩(wěn)壓管電平移位；(c) 電阻和恒流源電平移位；(d) NPN、PNP管級聯(lián)3. 存在零點漂移，即前級工作點隨溫度的變化會被后級傳遞并逐級放大，使得輸出端產(chǎn)

9、生很大的漂移電壓。顯然，級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零點漂移現(xiàn)象就越嚴重。因此，在直接耦合電路中，如何穩(wěn)定前級工作點，克服其漂移，將成為至關(guān)重要的問題。4. 具有良好的低頻特性，可以放大變化緩慢的信號。光電耦合及光電耦合器光電耦合是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合和傳遞的，因其抗干擾能力強而得到越來越廣泛的應用。實現(xiàn)光電耦合的基本器件是光電耦合器。光電耦合器圖1 光電耦合器及其傳輸特性 (a) 內(nèi)部組成(b) 傳輸特性光電耦合器將發(fā)光元件（發(fā)光二極管）與光敏元件（光電三極管）相互絕緣地組合在一起，如圖1（a）所示。發(fā)光元件為輸入回路，它將電能轉(zhuǎn)換成光能；光敏元件為輸出回路，它將光能再轉(zhuǎn)換成電能，

10、實現(xiàn)了兩部分電路的電氣隔離，從而可有效地抑制電干擾。在輸出回路常采用復合管（也稱達林頓結(jié)構(gòu)）形式以增大放大倍數(shù)。光電耦合器的傳輸特性如圖1（b）所示，它描述當發(fā)光二極管的電流為一個常量ID時，集電極電流iC與管壓降vCE之間的函數(shù)關(guān)系，即    （1）在c-e之間電壓一定的情況下，iC的變化量與iD的變化量之比稱為傳輸比CTR，即  （2）不過CTR的數(shù)值比b 小得多，只有0.10.5。 光電耦合放大電路光電耦合放大電路如圖1所示。圖中信號源部分可以是真實的信號源，也可以是前級放大電路。當動態(tài)信號為零時，輸入回路有靜態(tài)電流ID，輸出回路有靜態(tài)電流IC，從

11、而確定出靜態(tài)管壓降VCE。當有動態(tài)信號時，隨著iD的變化，iC將產(chǎn)生線性變化，電阻Rc將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。當然，vCE也將產(chǎn)生相應的變化。由于傳輸比的數(shù)值較小，所以一般情況下，輸出電壓還需進一步放大。實際上，目前已有集成光電耦合放大電路，具有較強的放大能力。在圖1所示電路中，若信號源部分與輸出回路部分采用獨立電源且分別接不同的“地”，則即使是遠距離信號傳輸，也可以避免受到各種電干擾。 變壓器耦合方式1、電路將放大電路前級的輸出端通過變壓器接到后級的輸入端或負載電阻上，稱為變壓器耦合。圖1所示為變壓器耦合共射放大電路，RL既可以是實際的負載電阻，也可以代表后級放大電路，圖（b）是它的交

12、流等效電路。(a) 電路(b) 交流等效電路圖1 變壓器耦合共射放大電路圖22、特點1）由于變壓器是靠磁路耦合，所以它的各級放大電路的靜態(tài)工作點相互獨立。2）它的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號。3）不能集成化。4）可以實現(xiàn)阻抗變換，因而在分立元件功率放大電路中得到廣泛應用。在圖2電路中，設(shè)負載為RL折合到原邊的等效電阻為R¢L，變壓器原邊線圈匝數(shù)N1,副邊線匝數(shù)N2，于是有對于圖1（a) 所示電路，可得電壓放大倍數(shù) 上式表明，只要適當選擇匝數(shù)比，就能得到所需的電壓放大倍數(shù)。并在匹配得當時，負載可以獲得足夠大的功率。在集成功率放大電路產(chǎn)生之前，幾乎所有的功率放大電路都采用變壓器耦合

13、的形式。而目前，只有在集成功率放大電路無法滿足需要的情況下，例如需要輸出特大功率或?qū)崿F(xiàn)高頻功率放大時，才考慮用分立元件構(gòu)成變壓器耦合放大電路。 多級放大電路的動態(tài)分析1、多級放大器的級間關(guān)系：在多級放大器中，后級電路相當于前級的負載，前級負載是后級放大器的輸入電阻；前級相當后級的信號源，后級信號源內(nèi)阻為前級的輸出電阻。2、n 級放大器的動態(tài)指標a、總電壓放大倍數(shù) ：可見， n 級放大器的總電壓放大倍數(shù)為各級電壓放大倍數(shù)的乘積。b、多級放大器的輸入電阻：多級放大器的輸入電阻就是第一級的輸入電阻Ri1，在計算Ri1時應將后級的輸入電阻Ri2作為其負載電阻。c、多級放大器的輸出電阻：多級放大器的輸出

14、電阻就是最末級的輸出電阻Ron。不過在計算Ron時應將前級的輸出電阻Ro(n1)作為其信號源內(nèi)阻，即多級放大電路的頻率響應定性分析設(shè)一個n 級放大電路各級的電壓放大倍數(shù)分別 、 、 ，則該電路的電壓放大倍數(shù)對數(shù)幅頻特性和相頻特性表達式為設(shè)組成兩級放大電路的兩個單管放大電路具有相同的頻率響應， ；即它們的中頻電壓增益 ，下限頻率 ，上限頻率 ；故整個電路的中頻電壓增益當 時，   ，且 ，所以圖1說明增益下降6dB，并且由于 和 均產(chǎn)生+45°的附加相移，所以 產(chǎn)生90°附加相移。根據(jù)同樣的分析可得，當f =fH1時，增益也下降6dB，且所產(chǎn)生的附加相移為90

15、76;。因此，兩級放大電路和組成它的單級放大電路的波特圖如圖1所示。根據(jù)截止頻率的定義，在幅頻特性中找到使增益下降3dB的頻率就是兩級放大電路的下限頻率fL和上限頻率fH，如圖中所標注。顯然，fL> fL1(fL2)，fH< fH1(fH2)。因此，兩級放大電路的通頻帶比組成它的單級放大電路的通頻帶要窄。以上結(jié)論具有普遍意義。對于一個n 級放大電路，設(shè)組成它的各級放大電路的下限頻率為fL1、fL2、fLn，上限頻率為fH1、fH2、fHn，通頻帶為fbw1、fbw2、fbwn；設(shè)該多級放大電路的下際頻率為fL，上限頻率為fH，通頻帶為fbw，則本章小結(jié)· 半導體三極管是由

16、兩個PN結(jié)組成的三端有源器件。有NPN型和PNP型兩大類，兩者電壓、電流的實際方向相反，但具有相同的結(jié)構(gòu)特點，即基區(qū)寬度薄且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電區(qū)面積大，這一結(jié)構(gòu)上的特點是三極管具有電流放大作用的內(nèi)部條件。 · 三極管是一種電流控制器件，即用基極電流或發(fā)射極電流來控制集電極電流，故所謂放大作用，實質(zhì)上是一種能量控制作用。放大作用只有在三極管發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，以及靜態(tài)工作點的合理設(shè)置時才能實現(xiàn)。 · 三極管的特性曲線是指各極間電壓與各極電流間的關(guān)系曲線，最常用的是輸出特性曲線和輸入特性曲線。它們是三極管內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，因而也稱外部特性。 · 器件的參數(shù)直觀地表明了器件性能的好壞和適應的工作范圍，是人們選擇和正確使用器件的依據(jù)。在三極管的眾多參數(shù)中，電流放大系數(shù)、極間反向飽和電流和幾個極限參數(shù)是三極管的主要參數(shù)，使用中應予以重視。 · 圖解法和小信號模型分析方法是分析放大電路的兩種基本方法。圖解法的要領(lǐng)是：先根據(jù)放大電路直流通路的直流負載線方程作出直流負載線，并確定靜態(tài)工作點Q，再根據(jù)交流負載線的斜率為1/R¢L及過Q點的特點，作出交流負載線，并對應畫出輸入信號、輸出信號（電壓、電流）的波形，分析動態(tài)工作情況。 · 小信號模型分析方法的要領(lǐng)是：小信號工作是該方