常用使用模拟电子线路分析

模拟电子线路分析 基本放大电路 一个放大器一般是由多个单级放大电路所组成 着重讨论双极型半导体三极管放大电路的三种组态 即共发射极 共集电极和共基极三种基本放大电路 从共发射极电路入手 推及其他二种电路 其中将图解分析法和微变等效电路分析法 作为分析基础来介绍 分析的步骤 首先是电路的静态工作点 然后分析其动态技术指标 对于放大器来说 主要的动态技术指标有电压放大倍数 输入阻抗和输出阻抗 一 共射极基本放大电路的组成及放大作用在实践中 放大器的用途是非常广泛的 它能够利用三极管的电流控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值 为了了解放大器的工作原理 先从最基本的放大电路 图1 在上图称为单管放大电路 要保证发射结正偏 集电极反偏IB VBB VBE Rb 硅管VBE约为0 7V左右 锗管约为0 2V左右 IB VBB Rb这个电路的偏流IB决定于VBB和Rb的大小 VBB和Rb一经确定后 偏流IB就固定了 所以这种电路称为固定偏流电路 Rb又称为基极偏置电阻 电容Cb1和Cb2为隔直电容或耦合电容 在电路中的作用是 传送交流 隔离直流 放大作用的实质是利用三极管的基极对集电极的控制作用来实现的 如下图 图2上图是共射极放大电路 它在实际中用得比较多的一种电路组态 放大电路的主要性能指标 常用的有放大倍数 输入阻抗 输出阻抗 非线性失真 频率失真以及输出功率和效率等 对于不同的用途的电路 其指标各有侧重 初步了解放大电路的组成及简单工作原理后 就可以对放大电路进行分析 主要方法有图解法和微变等效法 二 图解分析法1 静态工作情况分析当放大电路没有输入信号时 电路中各处的电压 电流都是不变的直流 称为直流工作状态简称静态 在静态工作情况下 三极管各电极的直流电压和直流电流的数值 将在管子的特性曲线上确定一点 这点称为静态工作点 下面通过例题来说明怎样估算静态工作点 图3 解 Cb1与Cb2的隔直作用 对于静态下的直流通路 相当于开路 计算静态工作点时 只需考左图中的Vcc Rb Rc及三极管所组成的直流通路就可以了 IB Vcc RbIC BIB ICEOIC BIB VCE VCC ICRe如已知B 利用上式可近似估算放大电路的静态工作点 2 用图解法确定静态工作点在分析静态工作情况时 只需研究由VCC RC VBB Rb及半导体三极管所组成的直流通路就可以了 图解步骤如下 a 把放大电路分成非线性和线性两个部分b 作出电路非线性部分的伏安特性 三极管的输出特性C 作出线性部分的伏安特性 直流负载线ic f Vce ib 40uA作直流负载线由VCE VCC iCRC 找出二个特殊坐标点连接M N两点就是部分的伏安特性 d 由电路的线性与非线性两部分伏安特性的交点确定静态工作点Q 3 动态工作情况分析当接入正弦信号 电路将处在动态工作情况 我们可以根据输入信号电压Vi 通过图解确定输出电压V0 从而可以得出V0与VI之间的相位关系和动态范围 图解的步骤是先根据输入信号电压VI 在输入特性上画出IB的波形 然后根据IB的变化在输出特性上画出IC和VCE的波形 如下图 图4a 根据VI在输入特性上求IB 设VI 0 02SINNTb 根据IB在输出特性上求IC和VCE4 交流负载线放大器在工作时 输出端总要按上一定的负载 如下图所示这时同于负载电阻RL 4K的接入而受到影响 下面将要讲这种影响的 图5 静态时由于CB2的隔直作用 RL的接入没有影响 在动态情况 情况就不同了 RL的接入 动态工作情况发生了变化 画出交流通路如图5的右图 画交流通路的原则是 图中的隔直电容看成短路 VCC电源的内阻很小 也看成短路 从图中可以看成iC电流不仅流RC也流过RL这样在输出回路中RC和RL是并联的 它们的并联值叫做放大器的交流负载电阻即 RL1 RC RL RCRL RC RL 根据作直流负载线的步骤 作出交流负载线 它的斜率为 1 RL1 由于直流负载线与交流负载线必定交于Q点 过Q点作一斜率为 1 RL1的直线就是交流负载线 5 三极管的三个工作区域半导体三极管的基本特点是通过电汉控制实现放大作用 放大作用并不是在任何情况下都能实现的 Q点过高 从放大转为饱和 Q点过低时 三极管从放大转为截止这时三极管的工作性质也就发生了变化 饱和 放大 截止称为三极管的三种工作状态 可把三极管的输出特性分成三个区域 即 饱和区 放大区 和截止区 图6 例题 共射极单管放大电路 如下图所示B 30 其输出特性如下图所示图求画出直流负载线和决定静态工作点画出交流负载线 该放大电路在信号不失真的条件下 能获得的最大输出电压Vom是多少 解 IB VCC Rb 12V 200K 60uA 由vce VCC icRc 12V ic 4K得M 12V 0mA N 0V 3mA 两点 MN线与IB 60uA的输出特性的交点即为静态工作点Q Q点对应的电压 电流为 Ic 1 5mA Vce 6V IB 60uA画出交流负载线根据ic vce 1 RL1的关系 取ic IC 1 5mA 相应地有vce ICRL 1 5mA 2 4K 3 6V 其中RL RC RL 2 4K 于是得到A点的坐标为 9 6 0mA 连QA并延长至B 则AB为所求的 交流负载线 由交流负载线与输出特性的交点可知 在输入电压的正半周 三极管由Q点工作到Q1点 IB降到0uA 输出电压vce从1 6V到9V 变化范围为3V 在输入电压的负半周 三极管由Q点工作到Q2点 IB上升到120uA 输出电压Vce从6V到2 5V 变化的范围为3 5V 综合考虑 在信号不失真的条件下 能获得的最大输出的电压为Vom为3V 图解分析法的特点是可以直观 全面了解放大器的工作情况 能在特性曲线上合理地安排工作点 并能帮助我们理解电路参数对工作点的影响 从而正确地选择电路参数 三 微变等效电路分析法如果放大电路的输入信号电压很小 就可以设想把三极管小范围内的特性曲线近似用直线来代替 从而可以把三极管这个非线性的元件所组成的电路作为线性来处理 这就是微变等效电路的指导思想 三极管的线性电路模型很多 这里讨论的是适用于低频放大电路h参数的微变等效电路 在工程计算中 三极管的线性电路模型是采用简化微变等效 即输入 输出各用一个h参数表示 如下图 顾名思义 微变等效电路法分析的对象是微小的变化量即交流量 因此 只能用这种方法来分析放大电路的各项动态性能 而不能用来分析放大电路的静态 即不能用来计算直流量 但动态与静态是有联系的 微变等效电路中的参数是在Q点求出是与IB IE VCE等静态值有关系的例题 1 H参数的确定应用H参数等效电路分析放大器时 首先必须得到三极管在静态工作点处的H参数 由于半导体本身参数的分散性以及参数会随工作点而变化 实际上在计算时不能直接采用手册上提供的数据 因此计算电路之前 首先 必须确定所用三极管在给定的工作点上的H参数 获得H参数的方法可采用H参数测试仪 或利用晶体管特性图示仪测量和rbe rbe也可以借助下面的公式进行估算 rbe rb 1 re式中rb为基区体电阻 对于低频小功率rb约为200OHM左右 Re为发射结电阻 1 re是折算到基极回路的等效电阻 根据PN结的伏安特性表达式 可以导出re的值为26 mv IE mA 这样上式可改写为rbe 200OHM 1 26mV IE mA 2 用H参数等效电路分析共射基本放大电路 现在我们应用微变等效电路分析上图所示的基本放大电路 a 画出微变等效电路第一步 在原理图上定出三极管的三个电极 c b e 后 用H参数线性模型表示三极管 第二步 由于在微变等效电路中所考虑的是变化量 因此在输入和输出回路中 任何固定不变的电压源都可认为是是交流短路的 而任何固定不变的电流都不予考虑 因此它们都可从电路中除去 其他元件都是按照原来相对位置画出 这样就可得到整个放大电路的微变等效电路 如上图左图所示 第三步 由于分析和测试时经常采用正弦波作为输入信号电压 所以等交电路中采用复数符号标出各电压和电流3 求电压放大倍数画出微变等效电路后 就可用解线性电路的方法求解 同图解法一样 我们也是先从放大电路的输入回路入手 在已知输入电压Vi的条件下求出基极电流Ib 然后又落实到输出回路上 利用Ib求出Ic及Vo 从而最后求出电压放大倍数Av Ib Vi rbeIc IbVo IcRL1式中RL1 Rc RL由此可得放大电压倍数为Av Vo Vi IcRL1 Ibrbe IbRL1 Ibrbe RL1 rbe例题 如上图所示已知在工作点处的 40 计算放大倍数Av 假设信号源内阻Rs 0 解 a 确定静态工作点Q因已知 故可用简单计算法确定Q点IB Vcc Rb 12V 300K 40uAIC IB 40 40uA 1 6mA IEVCE VCC ICRC 12V 1 6mA 4K 5 6Vb 求rbe 利用上面所用的式子 得rbe 200OHM 1 26 mV IE mA 200OHM 1 40 26 mV 1 6 mA 866OHMC 求Av 利用上式 得Av RL1 rbe Rc RL rbe 40 2 0 866 924 计算输入电阻及输出电阻放大电路总是和其他电路联系在一起的 例如它的输入端一定要连接信号源 而它的输出端常与下级电路连在一起或是接上负载 这样就要考虑它们之间的相互影响了 提出放大器的输入电阻和输出电阻的概念 可以帮助我们解决放大器同信号源之间 放大器同负载之间以及放大器级与级之间的连接问题 a 输入电阻和输出电阻的概念当输入信号电压加到放大器的输入端时 放大器就相当于信号源一个负载电阻 这个负载电阻也就是放大器本身的输入电阻 如下图所示 它相当于从放大器输入端1 1 二点向右边看进去的等效电阻 即Ri Vi Ii Ri的大小影响到实际加于放大器输入端信号的大小 上图中 把一信号源内阻为Rs 大小为Vs的正弦电压加到放器的输入端 由于输入电阻Ri的存在 致使用实际加到放大器的信号Vi的幅度比Vs要小 即 Vi RiVs Rs Ri 输入电压受到一定的衰减 因此 输入电阻Ri是衡量放大器对输入电压的衰减程度的重要指标 另一方面 放大器的输出端在空载和带负载RL时 其输出的电压将有所改变 放大器带负载时的输出电压将比空载时的输出电压有所下降 如空载时的输出电压为Vo 而带负载时的输出电压为Vo 则有Vo RLVo Ro RL 因此从放大器的输出端2 2 往左看 整个放大器可看成是一个内阻为Ro 大小为Vo 的电压源 如上图所示 这个等效电源的内阻Ro就是放大器的输出电阻 Vo Vo 是因为输出电流Io在Ro上产生压降的结果 这是说明Ro越小 带负载前后输出电压的相差越小 亦即放大器受负载影响的程度越小 所以一般用输出电阻Ro来衡量放大器带负载的能力 Ro越小 则放大器带负载的能力越强 求放大器输出电阻的一种方法 在信号源短路 Vs 0但保留Rs 和负载开路的条件下 在放大器的输出端加入一电压V 代替 在V的作用下 输出端将产生一相应的电流I 则输出电阻为Ro V IVs 0根据这个关系 我们就可以计算各种放大电路的输出电阻 必须指出 以上所讨论的放大器的输入电阻和输出电阻的概念 都是就静态工作点的附近的变化信号而言的 属于动态电阻 用符号R带有小字母下标I和O来表示 由于它们不是静态 或直流 电阻 所以不能用Ri和Ro来计算放大器的静态工作点 例题 四 放大器的工作点稳定问