《模擬電子技術(shù)-》課件2.3 放大電路的動態(tài)分析

1

當(dāng)輸入端加入信號ui時，輸入電流iB不會靜止不動，而是變化的。這樣三極管的工作狀態(tài)將來回移動，故將加進輸入交流信號時的狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)分析的對象是交流通路，分析的關(guān)鍵是作交流負載線。2.3放大電路的動態(tài)分析

交流圖解分析是在輸入信號作用下，通過作圖來確定放大管各級電流和極間電壓的變化量。由于交流信號的加入，此時應(yīng)按交流通路來考慮，三極管工作點的移動不再沿直流負載線，而是按交流負載線移動。2.3.1、圖解法分析動態(tài)特性21）交流負載線RbRCRLuiuoicuce其中：uce=-ic（RC//RL）=-icRL交流量ic和uce有如下關(guān)系：uce=-icRL或：ic=（-1/RL）uce這就是說，交流負載線的斜率為：3

根據(jù)靜態(tài)分析方法，求出靜態(tài)工作點Q。過輸出特性曲線上的Q點做一條斜率為-1/R‘L的直線，即為交流負載線

。其中：R'L=RL∥Rc，是交流負載電阻。

特點：交流負載線是有交流輸入信號時Q點的運動軌跡。斜率為-1/R‘L

。交流負載線與直流負載線相交Q點。交流負載線直流負載線交流負載線的作法：4首先作一條的輔助線(此線有無數(shù)條)?；蛘吒鶕?jù)uce=-icR’L來作交流負載線然后過Q點作一條平行于輔助線的線即為交流負載線,如圖所示。

由于,小于RC，故交流負載線比直流負載線

斜率大，直線陡。直流負載線交流負載線52）.輸入交流信號時的圖解分析

共射極放大電路通過圖解分析，可得如下結(jié)論：

1.ui

uBE

iB

iC

uCE

|-uo|

2.uo與ui相位相反；

3.可以測量出放大電路的電壓放大倍數(shù)；

4.可以確定最大不失真輸出幅度。假設(shè)在靜態(tài)工作點的基礎(chǔ)上，輸入一微小的正弦信號ui#

動態(tài)工作時，

iB、

iC的實際電流方向是否改變，uCE的實際電壓極性是否改變？6各點波形uo比ui幅度放大且相位相反Rb+VCCRCC1C2uiiBiCuCEuo7例硅管，ui

=10sint(mV)，RB=176k，RC=1k，UCC=UBB=6V，圖解分析各電壓、電流值。[解]令ui=0，求靜態(tài)電流IBQRL+–

iBiCRBUCCUBBRCC1ui+u–

+

–

+uCE

+uBE–

8當(dāng)ui=0

uBE=UBEQ

iB=IBQ

iC=ICQ

uCE=UCEQ

當(dāng)ui=Uimsintib=Ibmsintic=Icmsint

uce=–Ucemsint

uo=uce當(dāng)加入信號ui

=10sint時進行疊加：iB=

IBQ

+IbmsintiC=

ICQ

+IcmsintuCE=

UCEQ

–

Ucemsin

t=

UCEQ

+Ucemsin

(180°–

t)9uBE/ViB/

A0.7V30QuituBE/VtiBIBQ(交流負載線)uCE/ViC/mA4123iB=10

A20304050605Q6Q

Q

6tiCICQUCEQtuCE/VUcemibicuceOOOOOO10三極管放大電路在放大輸入信號時，基極電流受uBE控制，期間iB信號的方向（）隨著ube信號方向的改變而改變一直不變不確定與ube信號方向相反ABCD提交單選題2分11

在放大電路中，輸出信號應(yīng)該是成比例放大的輸入信號（即線性放大）；如果兩者不成比例，則輸出信號不能反映輸入信號的情況，放大電路產(chǎn)生非線性失真。因工作點不合適或者信號太大使放大電路的工作范圍超出了三極管特性曲線上的線性范圍，從而引起非線性失真。2.3.2放大電路的非線性失真12－－引起截止失真NPN管：頂部失真為截止失真。PNP管：底部失真為截止失真。不發(fā)生截止失真的條件：IBQ>Ibm。OQibOttOuBE/ViBuBE/ViBuiuCEiCictOOiCOtuCEQuce交流負載線1）Q點過低→信號進入截止區(qū)靜態(tài)工作電流IBQ偏小，引起截止失真13－－引起飽和失真ICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不發(fā)生飽和失真的條件：IBQ+Ibm

IBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC2）Q點過高→信號進入飽和區(qū)靜態(tài)工作電流IBQ偏大，引起飽和失真14飽和失真的本質(zhì)：負載開路時：接負載時：受RC的限制，iB增大，iC不可能超過

VCC/RC。受R

L的限制，iB增大，iC不可能超過V

CC/R

L。C1+

RCRB+VCCC2RL+uo

++iBiCVui(R

L=RC//RL)15基本共發(fā)射極放大電路中，NPN型三極管放大電路的頂部失真屬于

[填空1]

失真，為了消除該失真可以

[填空2]RB電阻的阻值;PNP型三極管放大電路的頂部失真屬于

[填空3]

失真,為了消除該失真可以

[填空4]RB電阻的阻值或

[填空5]RC電阻的阻值。作答正常使用填空題需3.0以上版本雨課堂填空題10分16選擇工作點的原則：當(dāng)ui較小時，為減少功耗和噪聲，“Q”

可設(shè)得低一些；為提高電壓放大倍數(shù)，“Q”可以設(shè)得高一些；為獲得最大輸出，“Q”可設(shè)在交流負載線中點。為了得到盡量大的輸出信號，要把Q設(shè)置在交流負載線的中間部分。如果Q設(shè)置不合適，信號進入截止區(qū)或飽和區(qū)，造成非線性失真。17iCuCEuo可輸出的最大不失真信號ic靜態(tài)工作點Q最大不失真電流ICm幅度最大不失真輸出幅度18

關(guān)于圖解法分析動態(tài)特性的步驟歸納如下:(1)首先作出直流負載線,求出靜態(tài)工作點Q。

(2)作出交流負載線。

(3)根據(jù)要求從交流負載線上可畫出輸出電流、電壓波形,或求出最大不失真輸出電壓值。3、單管共射放大電路、三極管的輸出特性曲線、直流和交流負載線如下圖所示。根據(jù)圖填空回答下列問題：（1）電源電壓VCC=

[填空1]

V；（2）靜態(tài)集電極電流ICQ=

[填空2]

mA；靜態(tài)管壓降VCEQ=

[填空3]

V；（3）集電極負載電阻RC=

[填空4]

KΩ，負載電阻RL=

[填空5]

KΩ；（4）放大電路輸出最大不失真正弦電壓有效值約為

[填空6]

V(小數(shù)點后兩位)；（5）當(dāng)輸入信號幅度逐漸增大時，將首先出現(xiàn)

[填空7]

失真現(xiàn)象；（6）要使放大電路不出現(xiàn)失真，基極正弦電流的振幅應(yīng)小于

[填空8]

uA正常使用填空題需3.0以上版本雨課堂作答填空題16分20圖解法——針對大信號、晶體管非線性，方法直觀，但使用不方便,存在一定的局限性:如信號很小時,作圖很難準(zhǔn)確;如果負載為電抗時,交流負載線不再是一條直線;當(dāng)電路復(fù)雜時,圖解法甚至無法進行等。

這就使得非線性放大電路的分析非常困難。

建立小信號模型，就是就是在一定的條件下（工作點附近），將非線性器件做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設(shè)計。2.3.3微變等效電路法一．建立小信號模型的意義和思路建立小信號模型的意義21

由于研究對象的多樣性和復(fù)雜性，往往把對象的某些特征提取出來，用已知的、相對明了的單元組合來說明，并作為進一步研究的基礎(chǔ)，這種研究方法稱為建模。建模：22

當(dāng)放大電路的輸入信號電壓很小時，只要Q點位置選得合適,這時各極電流、電壓之間就有相應(yīng)的線性關(guān)系，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。建立小信號模型的思路23二.H參數(shù)的引出

對處于共發(fā)射極狀態(tài)時的三極管，其輸入輸出特性曲線（輸入回路和輸出回路各變量之間的關(guān)系）由以下形式表示

：iB=f(uBE)

uCE=constiC=f(uCE)

iB=const可以寫成：uBEuCEiBcebiCBJT雙口網(wǎng)絡(luò)式中iB、

iC、

uBE、uCE代表各電量的總瞬時值（即實際的物理信號）,為直流分量和交流瞬時值之和,即：24

由于輸入了低頻正弦小信號，故以上兩式表示的是微變量之間的關(guān)系。對兩式取全微分，得：

瞬時值＝直流分量＋交流瞬時值，瞬時值的微分（即變化量）即為交流分量。用交流分量表示diB、diC、duBE和duCE，

vbe=h11ib+h12uceic=h21ib+h22uce并用系數(shù)h11、h12、h21和h22為代替偏導(dǎo)項，這樣，上述兩式成為:

25

當(dāng)輸入交流分量為正弦量并用有限的正弦有效值Ube、Ib、Uce和Ic代替時，上述兩式成為:vbe=h11ib+h12uceic=h21ib+h22uce其中四個偏導(dǎo)數(shù)量綱各不相同，故被稱為BJT共射接法下的H參數(shù)（混合參數(shù)）。26根據(jù)

可得低頻小信號H參數(shù)電路模型（完整的H參數(shù)等效電路模型）:BJT的H參數(shù)模型h21IbIcUceIbUbeh12Uceh11h22vBEvCEiBcebiCBJT雙口網(wǎng)絡(luò)

H參數(shù)都是小信號參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。

H參數(shù)與工作點有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。

H參數(shù)都是微變參數(shù)，所以只適合對交流信號的分析。三．H參數(shù)小信號模型27四.H參數(shù)的定義和物理意義（1）物理意義：rbe為輸出端交流短路時Q點處管子b與e極間的輸入電阻；（2）物理意義：μr為輸入端交流開路時Q點處管子的內(nèi)部電壓反饋系數(shù)；（4）物理意義：1rce表示輸入端交流開路時Q點處管子的輸出電導(dǎo)。（3）物理意義：β為輸出端交流短路時Q點處BJT的共射電流放大系數(shù)，28五.從特性曲線上求出H參數(shù)29

由于h12、h22是uCE變化通過基區(qū)寬度變化對iC及uBE的影響,一般這個影響很小,所以:h21IbIcUceIbUbeh12Uceh11h22即rbe=h11

=h21

uT=h12

rce=1/h22一般采用習(xí)慣符號則BJT的H參數(shù)模型為：

IbIcUceIbUbeuT

Ucerberce

uT很小，一般為10-310-4，

rce很大，約為100k。故一般可忽略它們的影響，得到簡化電路

ib

是受控源

，且為電流控制電流源(CCCS)。

電流方向與ib的方向是關(guān)聯(lián)的。

六．H參數(shù)模型的簡化30七.H參數(shù)的確定

一般用測試儀測出；

rbe

與Q點有關(guān)，可用圖示儀測出。一般也用公式估算rbe

rbe=rb+(1+

)re其中對于低頻小功率管rb≈200

則

而

(T=300K)

31圖2–16rbe估算等效電路32對于低頻小功率管rbb’≈200

則

33八.使用H參數(shù)模型時應(yīng)注意的問題

（1）模型中各參數(shù)都是針對交流量的，因此它們只能用來求解器件各交流量之間的關(guān)系。

（2）各H參數(shù)都是在Q點處定義的。故H參數(shù)值于Q點的靜態(tài)值有關(guān)（例如rbe值就與IEQ值有關(guān)）。

（3）模型中受控電流源代表BJT的電流控制作用，其大小及方向均從屬于Ib，即Ib流入基極時，βIb應(yīng)從集電極流向發(fā)射極。只有這樣，Ib、Ic及Ie三者才滿足電流分配關(guān)系。1、微變等效電路法適用于()。放大電路的靜態(tài)分析放大電路的動態(tài)分析放大電路的靜態(tài)和動態(tài)分析ABC提交單選題2分352.3.4三種基本組態(tài)放大電路的分析

微變等效電路，主要用于放大電路動態(tài)特性分析。

三極管有三種接法，故放大電路也有三種基本組態(tài)，各種實際放大電路都是這三種基本放大電路的變型及組合。

放大電路的動態(tài)特性分析目的，主要是獲取放大電路的相關(guān)性能指標(biāo)參數(shù)。

放大電路的性能指標(biāo)參數(shù)主要包括：放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及通頻帶等。36一、放大電路的性能指標(biāo)電壓放大倍數(shù)，是衡量放大電路的電壓放大能力的指標(biāo)。它定義為輸出電壓Uo的幅值或有效值與輸入電壓Ui幅值或有效值之比，有時也稱為增益。

1.放大倍數(shù)(1)電壓放大倍數(shù)Au。(2)源電壓放大倍數(shù)Aus。源電壓放大倍數(shù)Aus，它表示輸出電壓與信號源電壓幅值或有效值之比。顯然，當(dāng)信號源內(nèi)阻Rs=0時，Aus=Au，Aus就是考慮了信號源內(nèi)阻Rs影響時的電壓放大倍數(shù)。37(4)功率放大倍數(shù)Ap。Au和Ai為無量綱的數(shù)值，有時為了方便，Au和Ai可取分貝(dB)為單位，即：(3)電流放大倍數(shù)Ai。輸出電流Io與輸入電流Ii之比稱為電流放大倍數(shù)Ai。功率放大倍數(shù)定義為輸出功率與輸入功率之比。382.輸入電阻ri

輸入電阻是從放大器輸入端看進去的電阻，它定義為輸入電壓與輸入電流之比。

放大電路一定要有前級（信號源）為其提供信號，那么就要從前級取電流。對前級來說，放大器相當(dāng)于它的負載，輸入電阻的大小表明了放大器對前級的影響程度,也是衡量放大器向前級索取電流多少的一個指標(biāo)。

輸入電阻越大，從其前級取得的電流越小，對前級的影響越小。AuIi~USUi39根據(jù)輸入電阻和信號源的內(nèi)阻，可求出Au與Aus的關(guān)系式：403.輸出電阻ro放大器輸出電阻也叫放大器內(nèi)阻，它是從負載電阻RL左邊向放大器視入的等效電阻。Au~US~roUS'對負載來說，放大器相當(dāng)于它的信號源，而Ro正是該信號源的內(nèi)阻。Ro是一個表征放大器帶負載能力的參數(shù)。放大器輸出電阻Ro的大小,反映了放大器帶負載能力的強弱。輸出電阻越小,帶負載能力越強。

我們可以將放大電路等效為戴維南等效電路，這個戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻。41如何確定電路的輸出電阻ro

？步驟：1.所有的電源置零(將獨立源置零，保留受控源)。2.加壓求流法。UI方法一：計算。由微變等效電路求輸出電阻的方法，一般是將輸入信號源Us短路（電流源開路），注意應(yīng)保留信號源內(nèi)阻。然后在輸出端外接電源U，并計算出該電壓源供給的電流I，則輸出電阻由下式算出。42方法二：測量。Uo1.測量開路電壓。U0＝Us'~roUs'2.測量接入負載后的輸出電壓。~roUs'RLUo'步驟：3.計算。43由于放大器中含有電抗元件,所以放大倍數(shù)將隨信號頻率而變化。共射電路的電壓放大倍數(shù)|Au|與頻率的關(guān)系可用下圖所示的曲線表示。一般情況下,在中間頻段,電抗影響可以忽略,放大倍數(shù)基本不變,記作|Aum|。在低頻段和高頻段|Au|都要下降。當(dāng)下降到|Aum|/時的低端頻率和高端頻率稱為放大器的下限頻率和上限頻率,分別記作fL和fH。4.通頻帶（通過信號的頻率范圍）定義上、下限頻率之差為放大器的通頻帶：fAuAum0.7AumfL下限截止頻率fH上限截止頻率放大倍數(shù)隨頻率變化曲線fbw=fH–fL放大器所需的通頻帶是由傳送信號的頻帶(帶寬)來確定的,為了不失真地放大,要求放大器通頻帶必須大于信號的頻帶。44二.微變等效電路法分析步驟（1）畫出放大電路的微變等效電路圖

第二步：在交流通路上定出BJT的三個電極（b、c和e）后，用簡化H參數(shù)模型代替晶體管。

第一步：畫出放大電路的交流通路。

第三步：在所畫出的等效電路中，標(biāo)注各電壓、電流相量的符號及極性（或方向），例如Ui、Ib、βIb、Uo等。

等效電路法得先畫圖，只有圖畫對，推導(dǎo)性能指標(biāo)才不會錯。（2）由圖求出放大電路的電壓放大倍數(shù)Au

（3）由圖求取放大電路的輸入電阻Ri及輸出電阻Ro

45三.用H參數(shù)模型分析共發(fā)射極基本放大電路1.畫出放大器的微變等效電路（1）畫出放大器的交流通路（2）將交流通路中的三極管用h參數(shù)等效電路代替462、電壓放大倍數(shù)的計算：負載電阻越小，放大倍數(shù)越小。rbeRbRCRL47電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小，因此一般總是希望得到較大的的輸入電阻。rbeRbRCRL3、輸入電阻的計算：根據(jù)輸入電阻的定義：Ri48當(dāng)信號源有內(nèi)阻時：49用加壓求流法求輸出電阻：3、輸出電阻的計算：根據(jù)定義：由于當(dāng)Us=0時,Ib=0,從而受控源βIb=0,因此可直接得出ro=Rc。rbeRbRC00Ro注意,因Ro常用來考慮帶負載RL的能力,所以,求Ro時不應(yīng)含RL,應(yīng)將其斷開。50求：1.靜態(tài)工作點。

2.電壓增益AU、輸入電阻Ri、輸出電阻R0

。

3.若輸出電壓的波形出現(xiàn)如下失真，是截止還是飽和失真？應(yīng)調(diào)節(jié)哪個元件？如何調(diào)節(jié)？51解：1.IcVCE2.思路：微變等效電路AU、Ri

、R05253－－引起飽和失真ICS集電極臨界飽和電流NPN管：

底部失真為飽和失真。PNP管：頂部失真為飽和失真。IBS—基極臨界飽和電流。不接負載時，交、直流負載線重合，V

CC=VCC不發(fā)生飽和失真的條件：IBQ+Ibm

IBSuCEiCtOOiCO

tuCEQV

CC2）Q點過高→信號進入飽和區(qū)54飽和失真圖ICQIC0tUCEUCEQ0最大電流范圍ic靜態(tài)工作電流ICQ偏大，引起飽和失真最大電壓范圍uceVcc-UceQRcIcm=Ucm=UCEQ-UceS55（1）RL接入和斷開兩種情況下電路的電壓放大倍數(shù)（2）輸入電阻Ri和輸出電阻Ro；（3）輸出端開路時的源電壓放大倍數(shù)565758例2.4.2

=100，uS

=10sint(mV)，求疊加在

“Q”

點上的各交流量。+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

12V12V510470k

2.7k

3.6k

59[解]令ui=0，求靜態(tài)電流IBQ①求“Q”，計算rbeICQ=

IBQ=2.4mAUCEQ=12

2.4

2.7=5.5(V)60uce②交流通路+uo

+–

iBiCRBVCCVBBRCRLC1C2uS+–

+–

RS+uCE

+uBE–

ube③小信號等效+uo

+–

RBRLRSrbe

Eibic

icBCusRC+ube

61④分析各極交流量⑤

分析各極總電量uBE=(0.7+0.0072sin

t

)ViB=(24+5.5sin

t)

AiC=(2.4+0.55sin

t

)

mAuCE=(5.5–

0.85sin

t

)V62

共集電極放大電路的原理圖如左圖所示，它的交流通路如右圖所示。由交流通路可知，三極管的負載電阻是接在發(fā)射極上，輸入電壓Ui加在基極和集電極之間，而輸出電壓Uo從發(fā)射極和集電極兩端取出，所以集電極是輸入、輸出電路的共同端點-----共集電極放大電路。電路分析包括：電路的靜態(tài)工作點，放大倍數(shù)，輸入、輸出電阻。IBQIEQ+C1RS+ui

–RERB+VCCC2RL+–+uo–+us交流通路RsRB+

+uo

RLibiciiRE四.共集電極基本放大電路分析631.

靜態(tài)分析直流通道由直流通路可列出基極回路方程：

UCC=IBQRb+UBE+UE又UE=IEQRe=(1+β)IBQRe折算642.動態(tài)分析交流通道及微變等效電路RB+ECC1C2RERLuiuo65交流通道及微變等效電路rbeReRLEBCRbReRLuiuoBCE66LbbebLbRI)1(rIRI)1(￠b++￠b+=···（1）電壓放大倍數(shù)rbeRERLRLIeuA=UoUi67(2)電流放大倍數(shù)

即：Ii≈Ib；Io≈-Ie。

電路中，通常Rb、Re為幾十K歐姆以上，rbe、RL為幾十～幾百歐姆，故可忽略Rb、Re

對輸入電流Ii、Io的分流作用。顯然，共集電極放大電路有電流放大作用681、所以2、輸入輸出同相，輸出電壓跟隨輸入電壓，故稱電壓跟隨器。討論輸出電壓與輸入電壓近似相等，電壓未被放大，但是電流放大了，即輸出功率被放大了。Au69（3）輸入電阻rbeReRLIRBRi=UiIbrbe+(1+)RL=Ri=UiIi=Rb//[rbe+(1+)RL]RiRi共集電極放大電路輸入電阻高這是共c極電路的特點之一輸入電阻較大，作為前一級的負載，對前一級的放大倍數(shù)影響較小。70(4)、輸出電阻用加壓求流法求輸出電阻。rbeRERsro置0保留71RsrbeRe輸出電阻ro=Re//rbe1+

當(dāng)RS=0時（加壓求流法