基本放大電路的分析與研究

基本放大電路的分析與研究

0基本放大電路的分析方法重疊原理通常用于分析和計(jì)算線性電路問(wèn)題。所謂疊加定理,就是線性電路中的任何一條支路中的電流響應(yīng),等于電路中各個(gè)獨(dú)立電源(電壓源或電流源)分別作用時(shí),在此支路中所產(chǎn)生電流的代數(shù)和。運(yùn)用疊加定理計(jì)算復(fù)雜電路,就是把一個(gè)多電源的復(fù)雜電路化為幾個(gè)電源單獨(dú)作用的簡(jiǎn)單電路來(lái)進(jìn)行。所謂電源的單獨(dú)作用,就是電路中只有一個(gè)電源單獨(dú)作用,將其余電源均去除,電壓源短路,電流源開(kāi)路。在基本放大電路中,晶體管是非線性元件,所以它是非線性電路。晶體管有三個(gè)工作區(qū):飽和區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)。當(dāng)放大電路能夠放大電壓信號(hào)時(shí),晶體管處于放大區(qū)?；痉糯箅娐返囊话惴治龇椒?主要有估算法和圖解分析法,其中估算法是主要的定量分析方法。在估算法中,對(duì)放大電路分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況來(lái)分析。靜態(tài)是當(dāng)放大電路沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài);動(dòng)態(tài)則是只有輸入信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài)。這種教學(xué)方法容易使學(xué)生誤認(rèn)為放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)是分開(kāi)進(jìn)行的,搞不清靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的聯(lián)系,較難從整體上把握基本放大電路的分析方法。在動(dòng)態(tài)分析畫放大電路的交流通路時(shí),指出一般直流電源的內(nèi)阻很小,可以忽略不計(jì),對(duì)交流來(lái)講直流電源可以認(rèn)為是短路的,學(xué)生學(xué)習(xí)這點(diǎn)時(shí)也很困惑。在圖解分析法中,雖然一定程度上直觀地體現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的疊加情況,但只是一種定性的分析。本文從基本放大電路的線性化著手,指出基本放大電路的分析過(guò)程主要是電路的線性化過(guò)程。電路中有直流電源和交流信號(hào)源兩個(gè)獨(dú)立電源。對(duì)滿足線性化條件的小信號(hào)放大電路,用疊加定理分析是可行的。以典型的共發(fā)射極放大電路為例,利用疊加定理對(duì)放大電路進(jìn)行了分析。1力學(xué)性能中微變信號(hào)的模擬圖1是共發(fā)射極基本交流放大電路。假設(shè)放大電路中的直流電源和交流信號(hào)源分別單獨(dú)作用。先討論直流電源單獨(dú)作用的情況。晶體管的特性曲線是用來(lái)表示晶體管各極電壓和電流之間關(guān)系的,它反映晶體管的性能,是分析放大電路的重要依據(jù)。最常用的是共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性曲線和輸出特性曲線。晶體管的輸入特性曲線如圖2所示,通常情況下硅管的正向壓降為0.6V。輸入信號(hào)很小時(shí),輸入回路中的基極電流與基射極電壓之間的關(guān)系曲線IB=f(UBE)|UCE為常數(shù)可以近似認(rèn)為是線性的。晶體管的輸出特性曲線如圖3所示。晶體管基極電流為IB=UCC?UBERB≈UCCRB(1)ΙB=UCC-UBERB≈UCCRB(1)當(dāng)基極偏置電阻RB確定后,基極電流IB的大小就不變了。晶體管輸出特性IC=f(UCE)|IB為常數(shù)就是具體的一條曲線。從圖3可以看出,在放大區(qū)晶體管的輸出特性近似是線性的。交流信號(hào)源單獨(dú)作用時(shí),把晶體管線性化,等效為線性元件,這樣就把非線性晶體管所組成的放大電路等效為一個(gè)線性電路。圖4是微變信號(hào)作用下晶體管的微變等效電路。把晶體管的輸出電路看作電流源,rce就是電流源的內(nèi)阻,與受控源βib并聯(lián)。因?yàn)閞ce的阻值很高,約為幾十到幾百kΩ,可以忽略不計(jì)。這樣,晶體管用一個(gè)輸入電阻和一個(gè)受控電流源來(lái)等效,這兩個(gè)元件都是線性的。既然放大電路在直流電源和交流信號(hào)源單獨(dú)作用時(shí)都能近似成線性電路,那么根據(jù)疊加定理可以得出直流電源和交流信號(hào)源共同作用下的總體響應(yīng)情況。同時(shí)要注意到,應(yīng)用疊加定理分析放大電路是有條件的,晶體管在小信號(hào)情況下工作,其輸出電壓和電流大小不能超出輸出特性曲線的放大區(qū)。2交流線路的動(dòng)態(tài)分析對(duì)于放大電路中晶體管的各極電壓和電流,根據(jù)上面的分析,可以利用疊加定理來(lái)分析。當(dāng)直流電源單獨(dú)作用時(shí),交流信號(hào)源相當(dāng)于一個(gè)電壓源將其短路。耦合電容起到隔直作用。放大電路的直流通路如圖5所示。這種情況就是放大電路的靜態(tài)分析,利用基爾霍夫電壓定律和晶體管的電流分配原理計(jì)算靜態(tài)值。其基極電流大小如公式(1)。集電極電流和集射極電壓分別為當(dāng)交流信號(hào)源單獨(dú)作用時(shí),直流電源是電壓源將其短路。這種情況就是放大電路的動(dòng)態(tài)分析。圖6(a)所示是放大電路的交流通路,圖6(b)所示為放大電路的微變等效電路。設(shè)輸入的是正弦信號(hào),微變等效電路中的響應(yīng)可用相量表示。根據(jù)歐姆定律計(jì)算動(dòng)態(tài)值。根據(jù)疊加定理,直流電源和交流信號(hào)源共同作用下,晶體管各極的電流和電壓為i˙B=IB+ib(7)i˙C=IC+iC(8)uCE=UCE+uce(9)i˙B=ΙB+ib(7)i˙C=ΙC+iC(8)uCE=UCE+uce(9)因?yàn)殡娙軨2的隔直作用,uCE的直流分量不能到達(dá)輸出端,只有交流分量uce能通過(guò)C2構(gòu)成輸出電壓uo。在疊加定理分析放大電路結(jié)果的基礎(chǔ)上,再對(duì)放大電路的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的關(guān)系進(jìn)一步總結(jié)。靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析是放大電路分析的兩個(gè)重要方面。靜態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ),動(dòng)態(tài)分析是靜態(tài)分析的目的,兩者統(tǒng)一于放大電路的分析。晶體管各極的電壓和電流響應(yīng)是其靜態(tài)值和動(dòng)態(tài)值的代數(shù)和。3出特性曲線上線性范圍放大電路的一基本要求就是輸出信號(hào)盡可能不失真。引起失真的原因很多,其中最基本的是靜態(tài)工作點(diǎn)不合適或信號(hào)太大,使放大電路工作范圍超出了晶體管輸出特性曲線上的線性范圍。當(dāng)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)工作時(shí),放大電路是非線性的,疊加定理不再適用于分析放大電路。現(xiàn)在我們考慮靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不合適的情形。在輸出特性曲線上,如果靜態(tài)工作點(diǎn)太低,則靜態(tài)值集射極電壓UCE的大小接近于電源電壓UCC,集電極電流IC很小,可能會(huì)產(chǎn)生截止失真;如果靜態(tài)工作點(diǎn)太高,則靜態(tài)值集射極電壓UCE很小,集電極電流IC接近于其飽和電流,可能會(huì)產(chǎn)生飽和失真。若信號(hào)太大,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生截止失真和飽和失真。4從觀察內(nèi)進(jìn)行分析,并進(jìn)行系統(tǒng)分析基本放大電路中,在小信號(hào)條件下,如果晶體管始終工作在放大區(qū),可以利用疊加定理對(duì)放大電路進(jìn)