2.5 放大电路的动态分析_电子技术基础.模电部分-QQ阅读男生武侠网

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2.5　放大电路的动态分析

当放大电路的输入端有信号输入，即ui≠ 0时，三极管各个电极的电流及电极之间的电压将在静态值的基础上，叠加有交流分量，放大电路处于动态工作状态。放大电路的动态分析是在已经进行过的静态分析基础上，对放大电路有关电流、电压的交流分量之间关系再作分析。常用的分析方法有图解法和微变等效电路法。下面以图2.13所示的共发射极放大电路为例进行动态分析，在分析前应先画出该电路的交流通路，其交流通路如图2.16所示。

图2.16　共射放大电路的交流通路

2.5.1　图解法

1.放大电路中负载开路（RL=∞）

当输入信号ui为正弦波电压时，uBE将在静态时的上叠加正弦输入电压ui。随着uBE瞬时值的改变，工作点将在静态工作点Q上、下沿三极管输入特性曲线移动，使iB在静态时的IBQ基础上叠加一个交流分量（ib），如图2.17（a）所示。

如果图2.13所示电路中RL=∞，电路在信号输入后，三极管集电极电流中的直流分量ICQ及交流分量ic均流过RC。因此在动态时，工作点将在静态工作点Q上、下沿静态分析时作的直流负载线移动，其iB、iC、uCE一一对应的数值，由这一条负载线与不同iB时的输出特性曲线的交点决定，iC、uCE的波形如图2.17（b）所示，其中uCE的波形如图中的波形①。由图可见，iC及uCE均在静态工作点值ICQ、UCEQ上叠加有交流分量，其中uCE的交流分量uce就是uCE经电容C2隔直后的输出电压uo。通过作图，可得电压放大倍数Au。

图2.17　用图解法进行动态分析（RL=∞）

提示

从图2.17可见，当ui为正半周时，uce为负半周，uo也为负半周，这说明了共射极放大电路的uo与ui的相位相反。

若ui的幅度过大，当ui为正半周时，ui的瞬时值增大到使iB达到一定值后，工作点从Q点沿负载线上移与输出特性曲线交于M点处，进入饱和区，iC几乎不再随ui瞬时值的增大而增大，uCE的瞬时值为UCES，也不再减小，输出电压uo（等于uCE的交流分量）负半周的底部被削平，产生波形失真，称为饱和失真；当ui为负半周时，ui的瞬时值使uBE小于死区电压后，有一段时间管子工作于截止区，iB、iC的瞬时值近似为零，uCE≈VCC，uo波形的正半周顶部被削平，产生波形失真，称为截止失真。饱和失真和截止失真均是管子工作点进入非线性工作区引起的，故统称为非线性失真。为了使放大电路的输出不产生非线性失真，必须使管子始终工作于线性工作区，即放大区。为此应该满足两个条件：一是要有合适的静态工作点；二是输入信号不能太大，否则电路输出失真，使放大电路失去放大信号的意义。

放大电路的静态工作点随电路参数确定而确定，放大电路的最大不失真输出电压，即动态范围也就确定了。在理想的情况下，忽略和UCES，静态工作点的设置会有以下3种情况。

归纳

（1）Q点在负载线的中点，即UCEQ=VCC/2，这种情况下放大电路的饱和失真与截止失真将随ui的瞬时值增大而同时开始出现，此时动态范围最大，UOPP=2UCEQ或UOPP=2ICQRC。

（2）Q点在负载线中点下方，即UCEQ>VCC/2，这种情况下放大电路首先出现的将是截止失真，这时的动态范围UOPP=2ICQRC。

（3）Q点在负载线中点上方，即UCEQ<VCC/2，这种情况下放大电路首先出现的将是饱和失真，这时的动态范围UOPP=2UCEQ。

综上分析可见，当忽略管子的ICEO和UCES时，放大电路动态范围等于2UCEQ与2ICQRC中较小的那个值。

2.放大电路中接入负载（RL≠∞）

如果图2.13所示电路中RL≠∞，此时：

　　（2.19）

因此，在动态时工作点应沿另一条负载线，即输出回路交流负载线移动，而不是沿输出回路直流负载线移动。输出回路交流负载线的斜率为，输出回路直流负载线的斜率为-1/RC。同时，当放大电路无非线性失真，且ui→0时，工作点应该就在Q点处。这说明输出回路交流负载线是一条过Q点的斜率为的直线，如图2.18所示。

图2.18　用图解法进行动态分析（RL≠∞）

当ui输入后，由于工作点是沿交流负载线在静态工作点（Q点）的上、下移动，故ui仍为原来的输入电压时，uo的波形，即uCE的交流分量波形是图2.18中的波形②，而不是RL=∞时图2.18所示的波形①。由此可见，RL接入后，并没有改变uo与ui的相位关系。但当RL接入后，uo的幅值减小，即放大倍数变小。又因为RL接入后工作点是沿交流负载线，而不是沿直流负载线移动，因此在负载接入后，放大电路的动态范围UOPP为2UCEQ与中较小的那个值。由于三极管的伏安特性非线性，严格讲三极管放大电路是一个非线性电路，因此常用图解法进行分析。

3.图解法的应用

利用图解法，除了可以分析放大电路的静态和动态工作情况外，在实际工作中还有其他应用。

（1）用图解法分析非线性失真

对放大电路有一个基本要求，就是输出信号尽可能不失真。所谓失真，是指输出信号的波形不像输入信号的波形。引起失真的原因有多种，其中最基本的一点，就是由于静态工作点不合适或输入信号过大，使放大电路的工作范围超出了放大管特性曲线的线性范围。这种失真通常称为非线性失真。

如果静态工作点设置过低，在输入信号的负半周，工作点进入截止区，使iB、iC等于零，从而引起iB、iC和uCE的波形发生失真，iB、iC的负半周和uCE的正半周都被削平。这种失真是由于放大管进入截止区而引起的，故称为截止失真。当放大电路产生截止失真时，输出电压uCE的波形出现顶部失真。

如果静态工作点设置过高，则在输入信号的正半周，工作点进入饱和区，即iC不再随着iB的增大而增大。此时，iB波形可以不失真，但是iC和uCE的波形发生了失真。这种失真是由于放大管进入饱和区而引起的，故称为饱和失真。当放大电路产生饱和失真时，输出电压uCE的波形出现底部失真。

注意

对于PNP型三极管，当发生截止失真或饱和失真时，输出电压波形的失真情况将与NPN型三极管相反，读者可利用图解法自行分析。

归纳

可见，要使放大电路不产生非线性失真，必须有一个合适的静态工作点，工作点应大致选在交流负载线的中点。此外，输入信号的幅度不能太大，以避免放大电路的工作范围超过特性曲线的线性范围。在小信号放大电路中，这一条件一般都能满足。

（2）用图解法分析电路参数对静态工作点的影响

通过前面的讨论可以看出，对一个放大电路来说，正确设置静态工作点的位置至关重要，如果静态工作点的设置不合理，不仅不能充分利用三极管的动态工作范围，致使最大输出幅度减小，而且输出波形可能产生严重的非线性失真。那么静态工作点的位置究竟与哪些因素有关呢？

在单管共射放大电路中，当各种电路参数，如集电极电源电压VCC、基极电阻RB、集电极电阻RC以及三极管共射电流放大系数β 等的数值发生变化时，静态工作点的位置也将随之改变。

如果电路中其他参数保持不变，而使集电极电源电压VCC升高，则直流负载线将平行右移，静态工作点Q将移向右上方。反之，若VCC降低，则Q点向左下方移动。

如果其他电路参数保持不变，增大基极电阻RB，则输出回路直流负载线的位置不变，但由于静态基极电流IBQ减小，故Q点将沿直流负载线下移，靠近截止区，使输出波形易于产生截止失真。相反，若RB减小，则Q点沿输出回路直流负载线上移，靠近饱和区，输出波形将容易产生饱和失真。

如果保持电路其他参数不变，增大集电极电阻RC，则VCC/RC减小，于是输出回路直流负载线与纵坐标轴的交点降低，但它与横坐标轴的交点不变，输出回路直流负载线比原来更加平坦。因IBQ不变，故Q点将移近饱和区。结果将使动态范围变小，输出波形易于发生饱和失真。相反，若RC减小，则VCC/RC增大，直流负载线将变陡，Q点右移。动态工作范围有可能增大，但由于UCEQ增大，因而使静态功耗升高。

如果电路中其他参数保持不变，增大三极管的共射电流放大系数β，Q点将沿着直流负载线上移，则ICQ增大，UCEQ减小，Q点靠近饱和区。若β 减小，则ICQ减小，Q点远离饱和区，但单管共射放大电路的电压放大倍数可能下降。

4.图解法的一般步骤

①在三极管的输出特性曲线上画出直流负载线。

②用图解法或近似估算法，确定静态基流IBQ。iB=IBQ的一条输出特性曲线与直流负载线的交点即为静态工作点Q。由Q点的位置可从输出特性曲线上得到ICQ、UCEQ。

③根据放大电路的交流通路求出集电极等效交流负载电阻，然后在输出特性上通过Q点作一条斜率为-1/R'L的直线，即交流负载线。

④求电压放大倍数Au，可在输入特性曲线上和输出特性曲线上，在Q附近取一个适当的ΔiB值，从交流负载线上查出相应的ΔuCE值，然后根据所取的ΔiB值查出ΔuBE，两者之比就是电压放大倍数Au，即Au=ΔuCE/ΔuBE。如输出电压不失真时，电压放大倍数可用输入与输出电压的有效值来计算。

5.图解法的主要优缺点

优点：利用图解法既能分析放大电路的静态工作状况，又能分析动态工作状况。图解的结果比较直观、形象，可以在输出特性曲线上直接看出静态工作点的位置是否合适，分析输出波形是否产生非线性失真，以及何种性质的非线性失真，大致估算放大电路的最大不失真输出幅度，定性分析电路参数变化对静态工作点位置的影响等。图解法尤其适用于分析放大电路工作在大信号情况下的工作状态，例如分析功率放大电路等。

缺点：作图的过程比较烦琐，而且容易产生作图误差，利用图解法不易得到准确的定量结果。另外，图解法的使用也有局限性，例如对于某些放大电路，比如发射极接有电阻RE的电路，无法利用图解法直接求得电压放大倍数。

归纳

从上面分析过程可见，通过图解法分析，可以了解放大电路中三极管各电极电流、极间电压的实际波形，可以帮助我们掌握放大电路是如何放大信号的；还可以求得放大倍数、UOPP、uo与ui的相位关系；通过图解法分析，也可以熟悉放大电路的非线性失真。但是，图解法需要烦琐的作图过程；ui很小时也难以作图；另一些反映放大电路性能指标也无法由图解法求得。微变等效电路法可以弥补图解法的这些不足之处。

2.5.2　微变等效电路法

微变等效电路法是解决放大器件特性非线性问题的另一种常用的方法。微变等效电路法可用于放大电路在小信号情况下的动态工作情况的分析。它的实质是在信号变化范围很小（微变）的前提下，认为三极管电压、电流之间的关系基本上是线性的。也就是说，在一个很小的变化范围内，可将三极管的输入、输出特性曲线近似地看作直线，这样，就可以用一个线性等效电路来代替非线性的三极管。相应的电路称为三极管的微变等效电路。用微变等效电路代替三极管后，含有非线性器件的放大电路也就转化为线性电路。然后就可以用电路原理中学到的方法来处理、分析放大电路了。

下面将从物理概念出发，引出简化的三极管的微变等效电路。

1.三极管的微变等效电路

如何用一个线性的等效电路来代替非线性的三极管？

注意

所谓等效，就是从线性等效电路的输入端和输出端往里看，其电压、电流之间的关系与原来三极管的输入端、输出端的电压、电流关系相同。而三极管的输入端、输出端的电压、电流之间的关系用其输入、输出特性曲线来描述。

下面从共发射极接法三极管的输入特性和输出特性两方面来分析讨论。

首先来研究三极管的输入特性。从图2.19（a）可以看出，在Q点附近的小范围内，输入特性曲线基本上是一段直线，也就是说，可以认为基极电流的变化量ΔiB与发射结电压的变化量ΔuBE成正比，因而，三极管的输入回路即基极B、发射极E之间可用一个等效电阻来代替。这表示输入电压ΔuBE与输入电流ΔiB之间存在以下关系：

　　（2.20）

rbe称为三极管的输入电阻。它是对信号变化量而言的，因此它是一个动态电阻，对于低频小功率管常用下式估算：

　　（2.21）

rbe的值与IEQ发射极电流有关，式中通常取300Ω。当Q点越高，IEQ越大，则rbe越小。上式适用的范围IEQ为0.1～5mA，否则将产生较大的误差。

再从图2.19（b）所示的输出特性进行研究。在Q点附近的小范围内，输出曲线基本上是水平的，也就是说，集电极电流的变化量ΔiC与集电极电压的变化量ΔuCE无关，而只决定于基极电流变化量ΔiB。而且，由于三极管的电流放大作用，ΔiC大于ΔiB，二者之间存在放大关系：

ΔiC≈βΔiB　　

图2.19　三极管特性曲线的局部线性化

所以，从三极管的输出端看进去，可以用一个大小为βΔiB的电流源来等效。但这个电流源是一个受控电流源而不是独立电流源，它实质上体现了基极电流对集电极电流的控制作用。换句话说，三极管的输出回路，可以用一个受控电流源βΔiB来代替。

根据以上的分析，得到了图2.20所示的微变等效电路。在这个等效电路中，忽略了uCE对iC、iB的影响，所以称之为简化的h参数微变等效电路。

图2.20　三极管简化的H参数微变等效电路

归纳

在实际工作中，忽略uCE对iC、iB的影响所造成的误差比较小，因此，在大多数情况下，采用简化的微变等效电路能够满足工程计算的要求。

2.放大电路的微变等效电路

由三极管的微变等效电路和放大电路的交流通路图可得出放大电路的微变等效电路。在图2.16所示的共射放大电路交流通路中，只要把三极管用它的微变等效电路来替代，并把微变的信号改为正弦交流信号，就得到单管共射放大电路的微变等效电路，如图2.21所示。

图2.21　共射放大电路的微变等效电路

由图2.21计算放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻时，可在输入端加上一个中频正弦交流电压，则图中的电压和电流的数值大小都可用相应的有效值表示。如考虑附加相移时，则电路中电压和电流参数用相量表示。电路中正弦输入电压有效值为Ui，基极和集电极电流的有效值分别为Ib、Ic，电路输出电压有效值为Uo。

由图2.21可得：Ui=Ibrbe，，其中，而Ic=βIb，所以。而电压放大倍数Au为Uo与Ui之比，即可得到：

　　（2.22）

从图2.21的输入端往里看，其等效电阻为RB与rbe这两个电阻的并联，因此，该共射放大电路的输入电阻为

Ri=RB∥rbe　　（2.23）

而放大电路的输出电阻Ro是当输入信号源短路、输出端开路时，从放大电路的输出端看进去的等效电阻。等效电路如图2.22所示。由图可见，当Ui=0时，Ib=0，Ic=0，所以该共射放大电路的输出电阻为

Ro=RC　　（2.24）

从以上的分析可知，Au、Ri均与三极管的输入电阻rbe有关。

图2.22　求Ro的等效电路

【例2.2】　在图2.13所示电路中，已知三极管的β=50，VCC=12V，RB=300kΩ，RC=3kΩ，RL=3kΩ。试用微变等效电路法求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

解：其微变等效电路如图2.21所示，在例2.1中已求出ICQ=2mA≈IEQ，所以

请用实验来测试图2.13所示电路的动态指标（或用Multisim软件仿真）。

提示

由上例分析可知，微变等效电路法求解时按以下步骤进行：

①利用近似估算法确定放大电路的静态工作点；

②求出三极管输入等效电阻rbe；

③画出放大电路的微变等效电路；

④根据微变等效电路列出相应方程，求解得到Au、Ri、Ro等各项技术指标。

归纳

微变等效电路法既能分析简单的共射放大电路，也能分析较为复杂的电路，分析的过程比较简单、方便，可以利用有关线性电路的各种方法、定理求解，不需要烦琐的作图。但由于微变等效电路研究的对象是变化量，因此只能用以分析放大电路的动态工作情况，不能用微变等效电路法确定静态工作点。另外，微变等效电路法也不如图解法形象、直观，不能分析输出波形的非线性失真、最大输出幅度等。

在实际工作中，常常根据具体情况将微变等效电路法和图解法这两种基本分析方法结合起来使用。

3.微变等效电路法的应用

微变等效电路法可用于放大电路在小信号情况下的动态工作情况的分析。有些放大电路不能用图解法直接得到其电压放大倍数，例如三极管发射极接有电阻的电路，但可以利用微变等效电路法求解。

在图2.23（a）所示的放大电路中，三极管的发射极通过一个电阻RE接地。当放大电路的输入端加上交流正弦信号时，发射极电流的交流量流过RE，产生一个电压降，因此不能用图解法求解。对于这样的电路可以用微变等效电路法进行分析求解。