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放大电路的动态分析(引用)

(2009-09-15 20:30:43)
标签:

杂谈

分类: protel
第六章  晶体三极管与交流放大电路
http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/right/px.jpg
第四节  放大电路的动态分析
二、微变等效电路法
    用图解法分析放大电路的动态,能形象直观地反映出电路中各处电压和电流的变化情况。若能对工作点的正确设置及饱和失真、截止失真的情况加深认识,有利于我们对放大电路工作原理的认识。但作图过程烦琐,容易出现误差,且不适用于较为复杂的电路。所以一般情况下都采用微变等效电路的方法来分析放大电路的动态。这种方法既简便,也适用于较为复杂的电路。
    微变等效电路法的实质是在小信号(微变量)的情况下,将非线性元件晶体管线性化,即把晶体管等效为一个线性电路。这样,就可以采用计算线性电路的方法来计算放大电路的输入电阻、输出电阻及电压放大倍数等。
    1.晶体管的微变等效电路
    从图6-15(a)所示的晶体管电路的输入端看,ib与ube之间应该遵循晶体管的输入特性曲线,是非线性的。但当输入信号很小时,在静态工作点Q附近的工作段可认为是直线,如图6-16所示。因此,在这一小段直线范围内, UBE与 IB之比为常数,称为晶体管的输入电阻,用rbe表示,即                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.44.gif
 
图6-15 晶体管及其微变等效电路

    因此,在小信号的情况下,晶体管的输入电路可用电阻rbe来代替,如图6-15(b)所示。低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算。

图6-16 从输入特性曲线求rbe

                       http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.46.gif            (6-9)
    式中IE是发射极电流的静态值。rbe一般为几百欧到几千欧。必须注意,rbe是晶体管输入电路对交流(动态)信号所呈现的一个动态电阻,它不等于静态值UBE与IB之比值,即
                       http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.47.gif
    从晶体管的输出特性曲线可以看出,当晶体管工作在放大区时,如图6-6所示,输出特性为一组近似与横轴平行的直线,因此uce对ic的影响不大,ic只由ib决定,即
                        ic = βib
    所以,晶体管的输出电路可用一个电流源ic = βib等效,如图6-15(b)所示。必须注意,这个电流源ic是受基极电流ib控制的,这就体现了晶体管的电流控制作用。当ib=0时,ic=βib也不复存在。
    由以上分析可知,在小信号的情况下,一个晶体管就可用图6-15(b)所示的电路去代替,这样就将含有晶体管这种非线性元件的电路变成了一个线性电路。
    2.放大电路的微变等效电路
    在进行放大电路的分析计算时,通常采用的方法是将放大电路的静态计算与动态计算分开进行。在进行静态分析时,先画出放大电流的直流通路,利用直流通路采用估算法或图解法求静态值(静态工作点)。进行动态分析时,先画出放大电路的交流通路。图6-17(a)是图6-9(b)所示基本交流放大电路的交流通路。对于交流信号而言,电容C1和C2可视作短路;因一般直流电源的内阻很小,交流信号在电源内阻上的压降可以忽略不计,所以对交流而言,直流电源也可认为是短路的。根据以上原则就可以画出放大电路的交流通路。然后,再将交流通路中的晶体管用它的微变等效电路代替,这样就得到了放大电路的微变等效电路,如图6-17(b)所示。必须注意,交流通路或微变等效电路,只能用来分析计算放大电路的交流量,图中所示的各电量均为交流量的参考正方向(可用瞬时值或有效值表示)。

图6-17 放大电路的交流通路和微变等效电路

    3.电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的计算
    利用放大电路的微变等效电路,可以很方便地计算电压放大倍数Au,输入电阻ri和输出电阻ro。设输入的是正弦信号,则微变等效电路中的电压和电流均可用相量表示,如图6-18所示。

图6-18 微变等效电路

    由图可得
                            http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.50.gif
                            http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.51.gif
    式中 ,是放大器总的等效交流负载。故放大电路的电压放大倍数为
                             http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.52.gif           (6-10)
    式中的负号表示输出电压与输入电压相位相反。
    当放大电路不接负载(输出端开路)时
                             http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.53.gif                         (6-11)
     可见接上负载RL后,电压放大倍数要下降。
     放大电路的输入电阻是从放大电路的输入端看进去的等效电阻,其表达式为
                                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.54.gif                          (6-12)
    放大电路的输入电阻就是信号源的负载电阻,如图6-19所示。由图可知,如果放大电路的输入电阻较小,将对电路有以下几种影响。

图6-19 放大器的输入电阻
   ① 信号源输出的电流http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.56.gif将较大,这就相应增加了信号源的负担;
    ② 实际加在放大器输入端的电压http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.58.gif将变小;
    ③ 在多级放大电路中,后一级的输入电阻,就是前一级的负载电阻,这样会降低前一级的电压放大倍数。因此,总是希望放大电路的输入电阻大一些好。
    图6-19所示放大电路的输入电阻为
                                  http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.59.gif               (6-13)
    因RBhttp://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.60.gifrbe,所以这种放大器的输入电阻不高。
    注意,式(6-13)中只表示ri的值约等于rbe,但ri和rbe的意义是不同的,ri是指放大电路的输入电阻,rbe是晶体管的输入电阻,二者不能混淆。
    放大电路的输出电阻是从放大电路的输出端看进去的一个电阻。图6-17(b)所示电路的输出电阻为
                                    ro = RC                    (6-14)
    这表明共射接法的放大电路的输出电阻就等于集电极负载电阻RC,一般为几千欧到十几千欧,比较大。通常希望放大电路的输出电阻小一点好,这样可提高放大器带负载的能力。
  【例6-3】 在图6-9(b)所示的放大电路中,已知UCC = 12 V,RC = 4 kΩ,RB = 300 kΩ,RL = 4 kΩ,β = 37.5,试求不带负载与带负载两种情况下的电压放大倍数及放大电路的输入电阻和输出电阻。
    解:在例6-1中已求出
                                IC = 1.5 mA≈IE
    则晶体管的输入电阻为
                                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.61.gif
    不带负载时的电压放大倍数为
                                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.62.gif
    带负载时,等效负载电阻为
                                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.63.gif
    电压放大倍数为
                                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.64.gif
    可见放大器带负载后电压放大倍数降低了。
    放大电路的输入电阻为
                                http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/dfye9911/dzdgwlkc/images/chap6/6.4.2.65.gif
    输出电阻为
                                ro = RC = 4 kΩ

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