放大电路动态分析技巧

只在输入信号ui的作用下,交流电流流经的路径,称为放大电路的交流通路。在交流通路中,只针对交流量进行的电路分析,称为动态分析。

画交流通路时,电容应视为短路,直流电压源VCC应对地短路,如图8.3.5所示。

动态分析的目的是确定电路的电压放大倍数,以及输入电阻与输出电阻等性能指标。放大电路的动态分析方法有微变等效法和图解法。

(1)微变等效法

当静态工作点在放大区合适的位置,输入小信号时,三极管的输入、输出特性可近似视为线性,即可用线性模型来等效非线性的三极管模型,此时放大电路为线性电路,可用线性电路的分析法定量分析放大电路,这种分析法称为微变等效法。

图8.3.6　三极管在放大区局部线性化

1)三极管的微变等效线性模型

在输入特性曲线如图8.3.6(a)所示的区域,三极管的输入特性可用线性电阻等效,等效电阻rbe定义为

低频小功率三极管的rbe的常用估算公式为

在输出特性曲线如图8.3.6(b)所示的区域,三极管的输出特性可用受控电流源等效,在β为恒定值的条件下为线性的电流控制电流源,控制关系为

三极管非线性模型和线性模型如图8.3.7所示。

图8.3.7　三极管的电路模型

2)放大电路的微变等效电路

将交流通路中的三极管用线性模型替换,如图8.3.8所示为基本共射放大电路(见图8.3.1的电路)的微变等效电路,电路为线性电路。

3)放大电路的动态指标计算

①电压放大倍数

在放大电路的输入端加上正弦电压,由如图8.3.8所示的微变等效电路分析可得

式中,R′L=Rc∥RL。

图8.3.8　基本共射放大电路的微变等效电路

因此,基本共射放大电路的电压放大倍数为

②输入电阻

从图8.3.8的输入端看,输入电阻Ri是Rb和rbe两只电阻的并联,即放大电路的输入电阻为

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由于rbe通常只有1 kΩ左右,因此,基本共射放大电路的输入电阻不够大。

③输出电阻

在图8.3.8中,将输入短路(ui=0),负载开路,可得ib=0,ic=βib=0,微变等效电路中受控电流源开路。此时,从输出端看,放大电路的输出电阻为

Rc一般为几千欧,即基本共射放大电路输出电阻不够小。

【例8.3.2】　在例8.3.1中,若RL=3 kΩ,UBE忽略,试用微变等效法估算Au、Ri、Ro。

解　(1)首先估算rbe,由前面例8.3.1已完成静态工作点的计算可得到

(2)分别由式(8.3.7)—式(8.3.9)计算

(2)图解法

1)图解法的概念

微变等效法只适用于在输入正弦信号很小的条件下,放大电路的动态分析。图解法既可用于小信号输入时的动态分析,也可用于大信号输入时的动态分析。

在静态分析中已完成静态工作点Q的设置,三极管已工作在放大状态。输入正弦电压ui通过耦合电容C1叠加到静态基射电压UBEQ之上,基射间有电压uBE=UBEQ+ui,同时基极电流相应为iB=IBQ+ib,如图8.3.9所示。

输出回路带有负载时,电路的负载线是过静态工作点、斜率为-1/R′L(R′L=Rc∥RL)的一条直线,称为交流负载线,如图8.3.9所示。

放大电路ic=βib,故输入回路ib的变化将带来ic的较大变化,电流在输出回路得到了放大,同理也带来了uce的放大,在电路中有uCE=UCEQ+uce,通过电路中电容C2滤去其中的直流成分UCEQ,得到输出电压uo=uce,如图8.3.9所示。

图8.3.9　交流动态分析的图解法

由此可知,输入一个很小的正弦量ui,经由放大电路放大后,获得一个较大的正弦量uo输出,且输出电压与输入电压反相。

2)图解法的应用

通过在三极管特性曲线上作图,能形象、直观地判断三极管的工作状态,可用于对放大电路输出波形的失真情况等进行分析。所谓失真,是指输出波形与输入波形不相似。

若静态工作点设置在靠近饱和区的Q1点,输入正弦信号ui,在它的正半周有部分信号进入饱和区,使得uo负半周波形出现失真,这种失真称为饱和失真,如图8.3.10所示。

若静态工作点设置在靠近截止区的Q2点,输入正弦信号ui,在它的负半周有部分信号进入截止区,使得uo正半周波形出现失真,这种失真称为截止失真,如图8.3.11所示。

图8.3.10　输出波形的饱和失真

图8.3.11　输出波形的截止失真

饱和失真和截止失真都是因三极管的非线性特性产生的,故称非线性失真。为了避免非线性失真,静态工作点Q应设置在放大区的中部,这样就可增大输出信号的动态范围,有效消除产生失真的可能性。如图8.3.1所示的电路可通过调节Rb消除失真。

【思考与练习】

8.3.1　直流VCC在放大电路起什么作用?

8.3.2　如何画放大电路的直流通路和交流通路?