基本放大电路的分析与研究

基本放大电路的分析与研究

0基本放大电路的分析方法重叠原理通常用于分析和计算线性电路问题。所谓叠加定理,就是线性电路中的任何一条支路中的电流响应,等于电路中各个独立电源(电压源或电流源)分别作用时,在此支路中所产生电流的代数和。运用叠加定理计算复杂电路,就是把一个多电源的复杂电路化为几个电源单独作用的简单电路来进行。所谓电源的单独作用,就是电路中只有一个电源单独作用,将其余电源均去除,电压源短路,电流源开路。在基本放大电路中,晶体管是非线性元件,所以它是非线性电路。晶体管有三个工作区:饱和区、放大区和截止区。当放大电路能够放大电压信号时,晶体管处于放大区。基本放大电路的一般分析方法,主要有估算法和图解分析法,其中估算法是主要的定量分析方法。在估算法中,对放大电路分静态和动态两种情况来分析。静态是当放大电路没有输入信号时的工作状态;动态则是只有输入信号时的工作状态。这种教学方法容易使学生误认为放大电路的静态和动态是分开进行的,搞不清静态分析和动态分析的联系,较难从整体上把握基本放大电路的分析方法。在动态分析画放大电路的交流通路时,指出一般直流电源的内阻很小,可以忽略不计,对交流来讲直流电源可以认为是短路的,学生学习这点时也很困惑。在图解分析法中,虽然一定程度上直观地体现了静态和动态响应的叠加情况,但只是一种定性的分析。本文从基本放大电路的线性化着手,指出基本放大电路的分析过程主要是电路的线性化过程。电路中有直流电源和交流信号源两个独立电源。对满足线性化条件的小信号放大电路,用叠加定理分析是可行的。以典型的共发射极放大电路为例,利用叠加定理对放大电路进行了分析。1力学性能中微变信号的模拟图1是共发射极基本交流放大电路。假设放大电路中的直流电源和交流信号源分别单独作用。先讨论直流电源单独作用的情况。晶体管的特性曲线是用来表示晶体管各极电压和电流之间关系的,它反映晶体管的性能,是分析放大电路的重要依据。最常用的是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线。晶体管的输入特性曲线如图2所示,通常情况下硅管的正向压降为0.6V。输入信号很小时,输入回路中的基极电流与基射极电压之间的关系曲线IB=f(UBE)|UCE为常数可以近似认为是线性的。晶体管的输出特性曲线如图3所示。晶体管基极电流为IB=UCC−UBERB≈UCCRB(1)ΙB=UCC-UBERB≈UCCRB(1)当基极偏置电阻RB确定后,基极电流IB的大小就不变了。晶体管输出特性IC=f(UCE)|IB为常数就是具体的一条曲线。从图3可以看出,在放大区晶体管的输出特性近似是线性的。交流信号源单独作用时,把晶体管线性化,等效为线性元件,这样就把非线性晶体管所组成的放大电路等效为一个线性电路。图4是微变信号作用下晶体管的微变等效电路。把晶体管的输出电路看作电流源,rce就是电流源的内阻,与受控源βib并联。因为rce的阻值很高,约为几十到几百kΩ,可以忽略不计。这样,晶体管用一个输入电阻和一个受控电流源来等效,这两个元件都是线性的。既然放大电路在直流电源和交流信号源单独作用时都能近似成线性电路,那么根据叠加定理可以得出直流电源和交流信号源共同作用下的总体响应情况。同时要注意到,应用叠加定理分析放大电路是有条件的,晶体管在小信号情况下工作,其输出电压和电流大小不能超出输出特性曲线的放大区。2交流线路的动态分析对于放大电路中晶体管的各极电压和电流,根据上面的分析,可以利用叠加定理来分析。当直流电源单独作用时,交流信号源相当于一个电压源将其短路。耦合电容起到隔直作用。放大电路的直流通路如图5所示。这种情况就是放大电路的静态分析,利用基尔霍夫电压定律和晶体管的电流分配原理计算静态值。其基极电流大小如公式(1)。集电极电流和集射极电压分别为当交流信号源单独作用时,直流电源是电压源将其短路。这种情况就是放大电路的动态分析。图6(a)所示是放大电路的交流通路,图6(b)所示为放大电路的微变等效电路。设输入的是正弦信号,微变等效电路中的响应可用相量表示。根据欧姆定律计算动态值。根据叠加定理,直流电源和交流信号源共同作用下,晶体管各极的电流和电压为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)因为电容C2的隔直作用,uCE的直流分量不能到达输出端,只有交流分量uce能通过C2构成输出电压uo。在叠加定理分析放大电路结果的基础上,再对放大电路的静态分析和动态分析的关系进一步总结。静态分析和动态分析是放大电路分析的两个重要方面。静态分析是动态分析的基础,动态分析是静态分析的目的,两者统一于放大电路的分析。晶体管各极的电压和电流响应是其静态值和动态值的代数和。3出特性曲线上线性范围放大电路的一基本要求就是输出信号尽可能不失真。引起失真的原因很多,其中最基本的是静态工作点不合适或信号太大,使放大电路工作范围超出了晶体管输出特性曲线上的线性范围。当晶体管进入饱和区和截止区工作时,放大电路是非线性的,叠加定理不再适用于分析放大电路。现在我们考虑静态工作点设置不合适的情形。在输出特性曲线上,如果静态工作点太低,则静态值集射极电压UCE的大小接近于电源电压UCC,集电极电流IC很小,可能会产生截止失真;如果静态工作点太高,则静态值集射极电压UCE很小,集电极电流IC接近于其饱和电流,可能会产生饱和失真。若信号太大,同时会产生截止失真和饱和失真。4从观察内进行分析,并进行系统分析基本放大电路中,在小信号条件下,如果晶体管始终工作在放大区,可以利用叠加定理对放大电路进