动态分析及其在放大电路中的应用

1.放大电路的动态工作情况

在上述静态的基础上，放大电路接入交流输入信号ui，这时放大电路的工作状态称为动态.

动态分析就是在静态值确定后，分析交流信号在放大电路中的传输情况，即分析电路中各个电压、电流随输入信号变化的情况.

交流信号在放大电路中的传输通道称为交流通路.

画交流通路的原则是：在交流信号频率范围内，电路中耦合电容的容抗很小，对交流电可视为短路；直流电源的内阻很小，可以忽略，视为短路.按此原则画出如图4-36（a）所示电路的交流通路，如图4-36（b）所示.

图4-36　放大电路的交流通路

设输入信号电压是正弦交流电压ui=Uim sinωt，如图4-37（a）所示.这时用示波器可观察到放大电路各个电压、电流波形，如图4-37所示.

图4-37　电压、电流波形

由于耦合电容的隔直作用，放大电路的输出电压为

综上所述可知：

①放大电路在动态时各个总电流和电压是直流分量和交流分量的线性叠加.

②电路中的ib、ic、ube与ui同相位，而uo的波形与ui反相.输出电压uo与输入电压ui相位相反，这是单管共发射极放大电路的重要特点.

需要说明的是：第一，输入电压ui与输出电压uo也是存在一定大小关系的，这可以通过下面的微变等效电路法或图解法求出，本书中主要讲解微变等效电路法，对于图解法读者请自行参考相关资料；第二，在放大过程中可能会引起输出电压波形与输入信号波形不同，这种情况称为放大电路的非线性失真，引起失真的原因主要是静态工作点选择不合理，由于静态工作点不合适造成的失真可分为饱和失真和截止失真.

在图4-38中，静态工作点Q2的位置太低，放大电路进入截止区，iC1的负半周电流不随ib1而变化，形成放大电路的截止失真.消除截止失真的方法是减小偏置电阻RB，将IB增大，使静态工作点上移.

在图4-38中，静态工作点Q1的位置太高，放大电路进入饱和区，iC2的正半周电流不随ib2而变化，形成放大电路的饱和失真.消除饱和失真的方法是适当增大偏置电阻RB，将IB减小，使静态工作点下移.

图4-38　工作点选择不当引起的失真

此外，如果输入信号ui的幅值太大，虽然静态工作点的位置合适，放大电路也会因工作范围超过特性曲线的放大区而同时产生截止失真和饱和失真.

因此，为了避免非线性失真，放大电路必须有一个合适的静态工作点，输入信号的幅值也不能过大.

2.微变等效电路

放大电路的主要作用是将微弱的输入信号放大到较大的输出信号.有时要计算输出电压与输入电压的比值，即放大倍数Au，这时用微变等效电路求解比较方便.

所谓微变等效电路，就是把由非线性元件晶体管组成的放大电路等效为线性电路，其中主要是把晶体管用一个线性元件的组合来等效，即晶体管的线性化.

只有在小输入信号的情况下才能采用微变等效电路.微变等效电路是在交流通路的基础上建立的，只能用来分析交流动态、计算交流分量.（1）晶体管微变等效电路.①输入端等效.

图4-39（a）是三极管的输入特性曲线，是非线性的.如果输入信号很小，在静态工作点Q附近的工作段可近似地认为是直线，即是线性的.当uBE有一微小变化ΔUBE时，基极电流变化ΔIB，两者的比值称为三极管的动态输入电阻，用rbe表示.即

也可认为，在小输入信号时，基-射极间的电压与电流成正比，这个比值称为晶体管的输入电阻，即

同一个晶体管，静态工作点不同，rbe值也不同.低频小功率管的输入电阻常用下式估算：

式中，IE为发射极静态电流，单位为m A，rbe的值一般为几百欧到几千欧.它是一个动态电阻.

图4-39　三极管线性化变换

②输出端等效.

图4-39（b）是三极管的输出特性曲线族，当输入信号很小时，输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线，集电极电流的微小变化ΔIC仅与基极电流的微小变化ΔIB有关，而与电压uCE无关，故集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源，即

即可认为，ic的大小主要与ib的大小有关，二者呈线性关系，即ic=βib.

因此晶体管的输出回路可用一个受控电流源ic=βib来等效代替.

由上述方法得到的如图4-40（a）所示的晶体管的微变等效电路如图4-40（b）所示.

图4-40　晶体管的微变等效电路

（2）放大电路微变等效电路的画法.

对小信号输入放大电路进行动态分析时，要画出放大电路的微变等效电路.方法是：首先画出放大电路的交流通路图，再将晶体管用其微变等效电路代替，即得到放大电路微变等效电路.图4-41（a）是固定偏置放大电路，图4-41（b）是放大电路的微变等效电路图（电流、电压为相量形式）.

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图4-41　放大电路的微变等效电路

（3）电压放大倍数的计算.

下面以图4-36（a）所示交流放大电路为例，用它的微变等效电路图4-41（b）来进行电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算.

放大电路的电压放大倍数Au是输出电压与输入电压的相量之比，即

由图4-41（b）输入回路可得

其中RL′=.

所以电压放大倍数

式中，RL′称为等效负载电阻，rbe为晶体管的输入电阻.式中负号表示输入电压与输出电压相位相反.

若RL=∞，即不接RL时，RL′=RC，此时电压放大倍数

不接RL比接RL时的电压放大倍数要高，RL愈小，电压放大倍数Au愈低.

（4）放大电路输入电阻的计算.

放大电路对信号源来说，是一个负载，故可用一个等效电阻来代替.这个电阻就是从放大电路输入端看过去的放大电路本身的电阻，称为放大电路的输入电阻ri，即

一般RB为几十到几百千欧，rbe为几百到几千欧，故RB≫rre，所以ri近似等于rbe，即ri≈rbe.

（5）放大电路输出电阻的计算.

放大电路总是要带负载的，对负载而言，放大电路可看成一个信号源（实际电压源或实际电流源），其内阻即为放大电路的输出电阻ro（从输出端看过去的等效电阻）.

例4-4　在如图4-42所示放大电路中，已知UCC=12 V，RC=4 kΩ，RB=300 kΩ，β=37.5，RL=4 kΩ，试求放大电路的电压放大倍数.

由式（4-10）可知：

图4-42　例4-4图

故放大电路的电压放大倍数为77.6倍.

例4-5　试计算如图4-43所示放大电路的输入电压、输入电流及输入电阻.元件参数已在图中标明.

解　根据图中给出的参数，可计算静态基极电流为

图4-43　例4-5图

静态发射极电流为

三极管输入电阻为

放大电路的输入电阻为

放大电路的输入电压为

放大电路的输入电流为

注意：本例中虽然放大电路的输入电阻近似等于三极管的输入电阻，但是两个电阻的概念是不同的，不能混淆.