放大电路的瞬态分析与稳态分析

放大电路的瞬态分析与稳态分析放大电路的瞬态分析与稳态分析 对放大电路的研究 目前有稳态分析法和瞬态分析法两种不同的分析方法 稳态分析法 也就是已讨论过的频率响应分析法 该方法以正弦波为放大电路 的基本信号 研究放大电路对不同频率信号的幅值和相位的响应 或叫做放大 电路的频域响应 其优点是分析简单 便于测试 缺点是不能直观地确定放 大电路的波形失真 瞬态分析法 是以单位阶跃信号为放大电路的输入信号 研究放大电路的输出 波形随时间变化的情况 它又称为放大电路的阶跃响应或时域响应 此方法常 以上升时间和平顶降落的大小作为波形的失真标志 其优点是可以很直观地判 断放大电路的波形失真 并可利用脉冲示波器直接观测放大电路瞬态响应 在工程实际中 这两种方法可以互相结合 根据具体情况取长补短地运用 单级放大电路的瞬态响应的上升时间单级放大电路的瞬态响应的上升时间 放大电路的阶跃响应分析以阶跃电压作为放 大电路的基本信号 图 1 表示一个阶跃电压 它 表示为 放大电路的阶跃响应主要由上升时间 tr和平顶降落来表示 阶跃响应分析 其目的是求出这两个参数 并可将它与稳态分析中参数相联系 分析单级共射放大电路的阶跃响应时 可采用小信号等效电路 将阶跃电 压可分为上升阶段和平顶阶段并按其特点对电路进行简化 图 1 图 2 阶跃电压中上 升较快的部分 与 稳态分析中的高频 区相对应 可用 RC 低通电路来模 拟 如图 2 a 所示 由图可知 式中 VS是阶 跃信号平顶部分电 压值 与时间的关系如图 2 b 所示 上式表示在上升阶段时输出电压 vO随时间变化的关系 输入电压 vS在 t 0 时是突然上升到最终值的 而输出电压是按指数规律上升的 需要经过一定时 间 才能到达最终值 这种现象称为前沿失真 一般用输出电压从最终值的 10 上 升至 90 所需的时间 tr来表示前沿失真 tr称为上升时间 由图 2 b 经推导可得 已知 可得 或 可见 上升时间 tr与上限频率 fH成反比 fH越高 则上升时间愈短 前沿 失真越小 单级放大电路的瞬态响应的平顶降落单级放大电路的瞬态响应的平顶降落 阶跃电压的平顶阶段与稳态分析中的低频区相对应 所以可用如图 1 a 所示 RC 高通电路来模拟 图 1 由图可得 vO与时间 t 的关系如图 1 b 所示 由于电容 C 的影响 但输出电压是按指数规律下降的 这种现象称为平顶 降落 下面计算在某一时间间隔 tp时的平项降落值 在平顶阶段 时间常数 可得 考虑到 可得 由此可见 平顶降落与低频下限频率成正比 fL越低 平顶降落越小 放大电路的瞬态分析与稳态分析方法比较放大电路的瞬态分析与稳态分析方法比较 瞬态分析法和稳态分析法虽然是两种不同的方法 但它们是有内在联系的 当放大电路的输入信号为阶跃电压时 在阶跃电压的上升阶段 放大电路的瞬 态响应 上升时间 决定于放大电路的高频响应 fH 而在阶跃电压的平顶 阶段 放大电路的瞬态响应 平顶降落 又决定于放大电路的低频响应 fL 因此 一个频带很宽的放大电路 同时也是一个很好的方波信号放大电路 在 实用上常用一定频率的方波信号去测试宽频带放大电路的频率响应 如它的方 波响应很好 则说明它的频带较宽 必须指出 稳态分析法在放大电路的分析中仍占主导地位 这是因为 任何周期性的信号都可分解为一系列的正弦波 因此放大电路分析的重点是正 弦信号 关于电路的分析和综合方法 在频域中比在时域中一般要成熟得多 在瞬态计算极其复杂时 往往可根据稳态响应的研究来间接地对电路的瞬态 响应得到一个定性的了解 在反馈放大电路中 消除自激的补偿网络也是以 频率响应为基础的 多级放大电路及其耦合方式多级放大电路及其耦合方式 在许多应用场合 要求放大器有较高的放大倍数及合适的输入电阻 输出 电阻 如用单级放大器很难达到要求 因此 需要将多个不同组态的基本放大 器级联起来 充分利用它们的特点 合理组合构成多级放大器 用尽可能少的 级数 满足系统对放大倍数 输入电阻 输出电阻等动态指标的要求 多级放大器中各级之间连接方式称为耦合方式 级间耦合时 一方面要确 保各级放大器有合适的直流工作点 另一方面应使前级输出信号尽可能不衰减 地加到后级的输入 常用的耦合方式有阻容耦合 直接耦合 变压器耦合和光 电耦合等 阻容耦合方式阻容耦合方式 连接方式框图 阻容耦合的连接方框图如图 1 所示 特点 1 由于电容器隔直流而通交流 所以各 级的直流工作点相互独立 而且 只要耦合 电容选得足够大 则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级 实现 逐级放大 2 阻容耦合放大电路的低频特性差 不能放大变化缓慢的信号 这是因为 耦合电容对这类信号呈现出很大的容抗 信号的一部分甚至全部几乎衰减在耦 合电容上 3 由于集成电路中制造大容量电容很困难 所以这种耦合方式不便于集成 化 直接耦合方式直接耦合方式 连接方式 直接耦合是把前级的输出端直接或通过恒压器件接到下级输入端 特点 1 这种耦合方式不仅可放大缓变信号 而且便于集成 2 由于前后级之间的直流连通 使各级工作点互相影响 不能独立 因此 必须考虑各级间直流电平的配置问题 以使每一级都有合适的工作点 图 1 给出 了几种电平配置的实例 图 1 图 1 直接耦合电平配置方式实例 a 垫高后级的发射极电位 b 稳压管电平移位 c 电阻和恒流源电平移位 d NPN PNP 管级联 3 存在零点漂移 即前级工作点随温度的变化会被后级传递并逐级放大 使得输出端产生很大的漂移电压 显然 级数越多 放大倍数越大 则零点漂 移现象就越严重 因此 在直接耦合电路中 如何稳定前级工作点 克服其漂 移 将成为至关重要的问题 4 具有良好的低频特性 可以放大变化缓慢的信号 光电耦合及光电耦合器光电耦合及光电耦合器 光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的 因其抗干扰能 力强而得到越来越广泛的应用 实现光电耦合的基本器件是光电耦合器 光电耦合器 光电耦合器将发 光元件 发光二极管 与光敏元件 光电三 极管 相互绝缘地组 合在一起 如图 1 a 所示 发光元 件为输入回路 它将 电能转换成光能 光敏元件为输出回路 它将光能再转换成电能 实现了两部 分电路的电气隔离 从而可有效地抑制电干扰 在输出回路常采用复合管 也 称达林顿结构 形式以增大放大倍数 光电耦合器的传输特性如图 1 b 所示 它描述当发光二极管的电流为一 个常量 ID时 集电极电流 iC与管压降 vCE之间的函数关系 即 1 在 c e 之间电压一定的情况下 iC的变化量与 iD的变化量之比称为传输比 CTR 即 2 不过 CTR 的数值比 小得多 只有 0 1 0 5 光电耦合放大电路光电耦合放大电路 光电耦合放大电路如图 1 所示 图中信号源部分可以是真实的信号源 也 可以是前级放大电路 当动态信号为零时 输入回路有静态电流 ID 输出回路 有静态电流 IC 从而确定出静态管压降 VCE 当有动态信号时 随着 iD的变化 iC将产生线性变化 电阻 Rc将电流的变化转换成电压的变化 当然 vCE也将 产生相应的变化 由于传输比的数值较小 所以一般情况下 输出电压还需进 一步放大 实际上 目前已有集成光电耦合放大电路 具有较强的放大能力 图 1 光电耦合器及其传输特性 a 内部组成 b 传输特性 在图 1 所示电路中 若信号源部分与输出回路部分采用独立电源且分别接 不同的 地 则即使是远距离信号传输 也可以避免受到各种电干扰 变压器耦合方式变压器耦合方式 1 电路 将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上 称 为变压器耦合 图 1 所示为变压器耦合共射放大电路 RL既可以是实际的负载 电阻 也可以代表后级放大电路 图 b 是它的交流等效电路 2 特点 1 由于变 压器是靠磁路耦 合 所以它的各 级放大电路的静 态工作点相互独 立 2 它的低 频特性差 不能 放大变化缓慢的 信号 3 不能集 成化 a 电路 b 交流等效电路 图 1 变压器耦合共射放大电路 图 2 4 可以实现阻抗变换 因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用 在图 2 电路中 设负载为 RL折合到原边的等效电阻为 R L 变压器原边线 圈匝数 N1 副边线匝数 N2 于是有 对于图 1 a 所示电路 可得电压放大倍数 上式表明 只要适当选择匝数比 就能得到所需的电压放大倍数 并在匹 配得当时 负载可以获得足够大的功率 在集成功率放大电路产生之前 几乎 所有的功率放大电路都采用变压器耦合的形式 而目前 只有在集成功率放大 电路无法满足需要的情况下 例如需要输出特大功率或实现高频功率放大时 才考虑用分立元件构成变压器耦合放大电路 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 1 多级放大器的级间关系 在多级放大器中 后级电路相当于前级的负载 前级负载是后级放大器的 输入电阻 前级相当后级的信号源 后级信号源内阻为前级的输出电阻 2 n 级放大器的动态指标 a 总电压放大倍数 可见 n 级放大器的总电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积 b 多级放大器的输入电阻 多级放大器的输入电阻就是第一级的输入电阻 Ri1 在计算 Ri1时应将后级 的输入电阻 Ri2作为其负载电阻 c 多级放大器的输出电阻 多级放大器的输出电阻就是最末级的输出电阻 Ron 不过在计算 Ron时应将 前级的输出电阻 Ro n 1 作为其信号源内阻 即 多级放大电路的频率响应定性分析多级放大电路的频率响应定性分析 设一个 n 级放大电路各级的电压放大倍数分别 则 该电路的电压放大倍数 对数幅频特性和相频特性表达式为 设组成两级放大电路的两个单管放大电路具有相同的频率响应 即它们的中频电压增益 下限频率 上限频率 故整个电路的中频电压增益 当 时 且 所以 图 1 说明增益下降 6dB 并且由 于 和 均产生 45 的附加 相移 所以 产生 90 附加相移 根据同样的分析可得 当 f fH1时 增益也下降 6dB 且所 产生的附加相移为 90 因此 两级放大电路和组成它的单级放 大电路的波特图如图 1 所示 根据截止频率的定义 在幅频特性中找到使增益 下降 3dB 的频率就是两级放大电路的下限频率 fL和上限频率 fH 如图中所标注 显然 fL fL1 fL2 fH fH1 fH2 因此 两级放大电路的通频带比组成它的单级 放大电路的通频带要窄 以上结论具有普遍意义 对于一个 n 级放大电路 设组成它的各级放大电路的下限频率为 fL1 fL2 fLn 上限频率为 fH1 fH2 fHn 通频带为 fbw1 fbw2 fbwn 设该多级放大电路的下际频率为 fL 上限频率为 fH 通频 带为 fbw 则 本章小结本章小结 半导体三极管是由两个 PN 结组成的三端有源器件 有 NPN 型 和 PNP 型两大类 两者电压 电流的实际方向相反 但具有相同的结构 特点 即基区宽度薄且掺杂浓度低 发射区掺杂浓度高 集电区面积大 这一结构上的特点是三极管具有电流放大作用的内部条件 三极管是一种电流控制器件 即用基极电流或发射极电流来控 制集电极电流 故所谓放大作用 实质上是一种能量控制作用 放大作 用只有在三极管发射结正向偏置 集电结反向偏置 以及静态工作点的 合理设置时才能实现 三极管的特性曲线是指各极间电压与各极电流间的关系曲线 最常用的是输出特性曲线和输入特性曲线 它们是三极管内部载流子运 动的外部表现 因而也称外部特性 器件的参数直观地表明了器件性能的好坏和适应的工作范围 是人们选择和正确使用器件的依据 在三极管的众多参数中 电流放大 系数 极间反向饱和电流和几个极限参数是三极管的主要参数 使用中 应予以重视 图解法和小信号模型分析方法是分析放大电路的两种基本方法 图解法的要领是 先根据放大电路直流通路的直流负载线方程作出直流 负载线 并确定静态工作点 Q 再根据交流负载线的斜率为 1 R L及过 Q 点的特点 作出交流负载线 并对应画出输入信号 输出信号 电压 电流 的波形 分析动态工作情况 小信号模型分析方法的要领是 小信号工作是该方法的应用条 件 它