放大电路分析方法.ppt

1 2 3放大电路的分析方法 放大电路分析 静态分析 动态分析 图解法 微变等效电路法 图解法 计算机仿真 估算法 2020 3 20 2 一 直流通道和交流通道 在放大电路中直流信号和交流信号是同时存在的 为了分析研究方便 将两种信号对电路的作用分开讨论 即分为直流通路和交流通路 直流通路 在直流电源作用下直流电流流过的通路 即静态电流通路 主要用于求解静态工作点 直流通路的确定方法 a 将电容开路 b 将电感短路 忽略内阻 c 信号源短路 保留内阻 2020 3 20 3 交流通路 在输入信号作用下交流电流流过的通路 即动态电流通路 主要用于确定放大电路的动态参数 交流通路的确定方法 a 将电容视为短路 b 将电感视为开路 c 将直流电源视为短路 小内阻 信号的不同分量可以分别在不同的通路中分析 在分析放大电路时 应遵循 先静态 后动态 的原则 求解静态工作点Q时应用直流通路 求解动态参数时应用交流通路 两种通路必须分清 不可混淆 2020 3 20 4 利用上述原则 直接耦合和阻容耦合共射放大电路的直 交流通路分别为 2020 3 20 5 RC耦合共射放大电路 2020 3 20 6 对交流信号 输入信号ui 2020 3 20 7 二 图解分析法 在已知放大管的输入 输出特性曲线和元件其他参数条件下 采用作图方法对放大电路进行分析的方法称为图解分析法 在静态工作情况下 可以用估算法进行Q点估算 也可用图解法确定 2020 3 20 8 1 用图解法确定Q点 以基本共射放大电路为例 用虚线将图分为三部分 输入回路 放大回路和输出回路 2020 3 20 9 采用作图方法在iB uBE坐标系内分别作出曲线 其交点即为IBQ UBEQ 电路静态时 ui 0 输入回路电路方程为 显然方程 1 为一直线方程 称为输入负载线 方程 2 为指数曲线 2020 3 20 10 应用同样方法在输出回路可以写出回路方程为 VCC ICRC UCE在放大回路中可测量出iC uCE座标系中在不同IB下的关系曲线 上述直线方程与输出关系曲线在IB IBQ时的交点值即为ICQ UCEQ 上述直线方程对应的直线即为输出负载线 也称直流负载线 2020 3 20 11 2 用图解法进行动态分析 当加入输入信号 i 0时 输入回路方程为 UBB ui IBRb UBE该直线与横轴交点为 VBB ui 与纵轴交点为 VBB ui Rb 斜率仍为 1 Rb 根据给定的 ui作输入负载线 其与输入特性曲线交点便是在 ui作用下IB的变化量 ib 2020 3 20 12 在输出回路中找到IB IBQ ib的一条特性曲线 输出负载线与该曲线的交点为 UCEQ uCE ICQ ic 由此得到的 uCE即为输出电压变化量 则电压放大倍数Au应为 2020 3 20 13 由图解分析可看出 当 ui 时 ib ic 而 uCE 当 ui 时 ib ic 而 uCE 由此得知输出电压的变化与输入电压的变化是反相的 另外可从图中看出 改变Rb可使Q点产生移动 使 ib ic uCE及Au发生改变 同样改变RC也可使Au改变 但不改变Q点的位置 2020 3 20 14 如果输入信号 ui为正弦信号vi时 在输出回路得到一幅值放大 变化反相的正弦信号vo 2020 3 20 15 根据定义 式中负号示表示输出信号电压与输入信号电压的相位相反 动态分析步骤如下 1 根据vi的波形在三极管输入特性曲线上求iB 求IB 在输入特性曲线上找到Q点 vBE VBE vi iB IB ib 根据vi的波形对应画出vBE和iB的波形图 2 在输出特性曲线上作输出负载线 求iC及vCE的波形 根据iB的波形可画出对应的iC和vCE的波形 交流量vce的波形就是输出电压vo的波形 3 求电压增益 2020 3 20 16 a 直流负载线 直流通路下负载的VAR关系曲线 1 三极管的输出特性 2 UCE VCC ICRC 直流负载线 与输出特性的交点就是Q点 IB 3 直流负载线和交流负载线 2020 3 20 17 b 交流负载线 其中 交流通路下负载的VAR关系曲线 2020 3 20 18 该直线具有两个特征 当 i 0时 BJT的ic应为ICQ uce应为UCEQ 即该直线必定经过Q点 动态条件下ic对uce的斜率为 1 RL 满足关系式 这样在输出回路特性曲线中通过Q点和所作的一条斜率为 1 RC RL 的直线就为交流负载线 2020 3 20 19 交流负载线的作法 IB 交流负载线 对直接耦合放大电路 直流负载线和交流负载线重合 斜率均为 1 RC RL 而阻容耦合放大电路只有在空载时两条负载线才重合 直流负载线 过Q点作一条直线 与横坐标交点为 UCEQ ICQRL 0 该直线即为交流负载线 斜率为 2020 3 20 20 在放大电路中 输出信号应该成比例地放大输入信号 即线性放大 如果两者不成比例 则输出信号不能反映输入信号的情况 放大电路产生非线性失真 为了得到尽量大的输出信号 要把Q设置在交流负载线的中间部分 如果Q设置不合适 信号进入截止区或饱和区 则造成非线性失真 下面将分析失真的原因 为简化分析 假设负载为空载 RL 4 用图解法分析放大电路的非线性失真 2020 3 20 21 uo 可输出的最大不失真信号 a 选择合适静态工作点 2020 3 20 22 BJT临界饱和电压UCES Si管为0 3V Ge管为0 1V Uom的取值方法为 以Q点为基准 取 UCEQ UCES 和 ICQ RC RL 中较小值 为获得最大Uom 一般将Q点取在交流负载线的中点 最大不失真输出电压Uom 2020 3 20 23 uo b Q点过低 信号进入截止区 放大电路产生截止失真 2020 3 20 24 b Q点过高 信号进入饱和区 放大电路产生饱和失真 2020 3 20 25 5 图解法实用范围 图解法的特点是直观形象的反映晶体管的工作情况 但是必须实测所用管的特性曲线 而且用图解法进行定量分析时误差较大 此外 晶体管的特性曲线只能反映信号频率较低时的电压 电流关系 而不反映信号频率较高时 极间电容产生的影响 因此 图解法一般多适用于分析输出幅值比较大而工作频率不太高时的情况 实用中多用于分析Q点位置 最大不失真输出电压Uom和失真情况 2020 3 20 26 思考题 1 试分析下列问题 共射极放大电路 1 增大Rc时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 2 增大Rb时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 3 减小VCC时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 4 减小RL时 负载线将如何变化 Q点怎样变化 2020 3 20 27 共射极放大电路 思考题 2 放大电路如图所示 当测得BJT的VCE接近VCC的值时 问管子处于什么工作状态 可能的故障原因有哪些 截止状态 答 故障原因可能有 Rb支路可能开路 IB 0 IC 0 VCE VCC ICRc VCC C1可能对地短路 VBE 0 IB 0 IC 0 VCE VCC ICRc VCC 2020 3 20 28 作业 看懂 图解分析法 预习 等效电路分析法 2020 3 20 29 三 微变等效电路分析法 由于放大电路中BJT是一个非线性器件 电路的分析不能运用我们在电路分析中已掌握的公式和定律 如能在一定条件下 建立BJT的线性化模型 将BJT非线性器件线性化 那么 对放大电路的分析就迎刃而解了 从实际的BJT特性曲线可见 在小范围内可将其非线性作线性化处理 此时 BJT的电流 电压有线性关系存在 这样 在小信号范围可建立BJT的线性模型了 下面介绍常用的线性等效模型 使我们能简化对放大电路的分析 应注意各种模型的使用范围和条件 2020 3 20 30 1 直流模型 在对共射极放大电路求解Q点时 一般将UBEQ取固定值0 7V或0 2V 即认为UBE可等效为一个直流恒压源 这样就可将输入特性折线化 如图 a 而在输出特性中 由于IC IB 说明仅决定于IB 而与UCEQ无关 所以其特性曲线可近似看成一平行于UCEQ的直线 如图 b 该模型的使用条件为 BJT工作在直流静态的放大状态 且 UBE UonUCE UBE 这样就可以将BJT等效为直流模型如图 c 理想二极管规定了电流的方向 2020 3 20 31 用直流模型估算Q点 1 根据输入回路估算IBQ RB称为偏置电阻 IB称为偏置电流 2020 3 20 32 2 根据输出回路估算UCEQ ICQ IC UCE 2020 3 20 33 2 小信号模型 如果放大电路的输入信号电压很小 就可以把BJT在小范围内的特性曲线近似用直线代替 从而把BJT当成线性元件来处理 这就是小信号建模的指导思想 BJT可以看成一个有源双口网络 该网络有输入和输出两个端口 一般用ui uo和i1 i2来表示网络的特性 以这些参数为基础产生了如Z参数法 Y参数法 H参数法等不同的分析方法 其中H参数法是在低频分析中应用较广的分析方法 2020 3 20 34 1 BJT的H参数小信号模型 BJT在共射极电路的输入回路和输出回路有关系式 uBE iB uCE iC iB uCE 设BJT在小信号下工作 对上两式取全微分 得 1 2 2020 3 20 35 两式中duBE duCE diB diC表示无限小的信号增量 假定在小信号作用下电流 电压的变化没有超过特性曲线的线性区 无限小信号增量可以用有限增量代替 即可用电压 电流的交流分量代替 则上式可写为 h11e h12e h21e h22e 输出端交流短路时的输入电阻 单位为欧姆 输出端交流短路时的正向电流传输比或电流放大系数 无量纲 输入端交流开路时的反向电压传输比 无量纲 输入端交流开路时的输出电导 单位为西门子 S 2020 3 20 36 hie hre hfe hoe称为BJT在共射极接法下的H参数 由于四个h参数的单位量纲各不相同 故称该参数为混合参数 等效模型图如下 以上所得电路就是把BJT线性化后的线性模型 在分析计算时 可以利用这个模型来代替BJT 从而 可以把BJT当作线性电路来处理 使非线性复杂电路的计算得以解决 2020 3 20 37 2 h参数的意义 hoe 称1 hoe为ce结动态电阻rce hoe iC uCE hie 称为小信号作用下be结动态电阻rbe hie uBE iB hre 称为内反馈系数hre uBE uCE hfe 即放大倍数 hfe iC iB 2020 3 20 38 3 简化的h参数模型图 忽略低频工作状态下对BJT影响较小的因素 h参数模型可简化如图形式 在输入回路中hreuce比ube小得多 而输出回路中负载电阻Rc 或RL 比BJT输出电阻1 hoe小得多 所以在模型中常常可以把hre和hoe忽略掉 用rbe代替hie 并且用 代替hfe 2020 3 20 39 4 h参数的确定 按照简化的h参数模型 hre 0 hfe hoe 0实际需要确定的参数只有hie 即rbe 由于BJT的h参数与Q点有关 因此在电路动态分析前 必须首先确定电路的Q点 其中 rbb为基区体电阻 re为发射区体电阻 对低频小功率管rbb 200 常温下UT 26mV h参数模型称为BJT低频小信号模型 或称微变等效模型 主要用于研究BJT的动态参数 2020 3 20 40 4 根据放大电路的小信号模型等效电路计算放大电路的交流指标Au Ri Ro 5 放大电路小信号模型分析法的一般步骤 1 根据直流通路估算静态工作点 并确定H参数 2 画出放大电路的交流通路 3 根据交流通路用BJT的H参数小信号模型代替电路中的BJT 画出放大电路的小信号模型等效电路 注意 由于输入信号常用正弦电压 所以 小信号等效电路中的电压 电流均用相量表示 2020 3 20 41 四 共射电路的动态参数分析 放大电路的动态参数主要有Au Ri Ro等 利用h参数模型可以方便的求解出这些参数 以RC耦合共射放大电路为例求解动态参数 2020 3 20 42 利用静态模型求出Q点参数 画出交流通路下h参数等效模型图 2020 3 20 43 电压放大倍数Au的计算 注意 求解Au时必须考虑负载电阻 2020 3 20 44 输入电阻Ri的计算 对于为放大电路提供信号的信号源来说 放大电路是负载 这个负载的大小可以用输入电阻来表示 电路的输入电阻越大 从信号源取得的电流越小 因此电压放大器一般总是希望得到较大的的输入电阻 2020 3 20 45 输出电阻RO的计算 对于负载而言 放大电路相当于信号源 可以将它进行戴维南等效 戴维南等效电路的内阻就是输出电阻 计算输出电阻的方法 1 所有电源置零 然后计算电阻 对有受控源的电路不适用 2 所有独立电源置零 保留受控源 加压求流法 注意求解RO时不包含负载RL 2020 3 20 46 所以 用加压求流法求输出电阻 2020 3 20 47 例1 阻容耦合共射放大电路 已知UBE 0 7V 50 Rb 377k RC 6k Rs 100 RL 3k Vcc 12V 计算 1 电路的静态工作点Q 2 电压放大倍数Au Aus 3 输入 输出电阻Ri Ro 解 1 静态工作点Q根据直流通路可得 IBQ Vcc UBE Rb 12 0 7 377 3