雙極型三極管或場(chǎng)效應(yīng)管是組成放大電路的主要器件,而它們的特性曲線都是非線性的,因此,對(duì)放大電路進(jìn)行定量分析時(shí),主要矛盾在于如何處理放大器件的非線性問題。對(duì)此問題,常用的解決辦法有兩個(gè):第一是圖解法,這是在承認(rèn)放大器件特性曲線為非線性的前提下,在放大管的特性曲線上用作圖的方法求解。第二是微變等效電路法,其實(shí)質(zhì)是在一個(gè)比較小的變化范圍內(nèi),近似認(rèn)為雙極型三極管和場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線是線性的,由此導(dǎo)出放大器件的等效電路以及相應(yīng)的微變等效參數(shù),從而將非線性的總是轉(zhuǎn)化為線性問題,于是就可以利用電路原理中介紹的適用于線性電路的各種定律、定理等來(lái)對(duì)放大電路進(jìn)行求解。因此,放大電路最常用的基本分析方法,就是圖解法和微變等效電路法。
對(duì)一個(gè)放大電路進(jìn)行定量分析時(shí),首先要進(jìn)行靜態(tài)分析,即分析未加輸入信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài),估算電路中各處的直流電壓和直流電流。然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,即分析加上交流輸入信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài),估算放大電路的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo),如電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶、最大輸出功率等等。分析的過程一般是先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)。
靜態(tài)分析討論的對(duì)象是直流成分,動(dòng)態(tài)分析討論的對(duì)象則是交流成分。由于放大電路中存在著電抗性元件,所以直流成分的通路和交流成分的通路是不一樣的。為了分別進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析,首先來(lái)分析放大電路的直流通路和交流通路有何不同。
1、直流通路和交流通路
放大電路中的電抗性元件對(duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)呈現(xiàn)的阻抗是不同的。例如,電容對(duì)直流信號(hào)的阻抗是無(wú)窮大,故不允許直流信號(hào)通過;但以交流信號(hào)而言,電容容抗的大小為,當(dāng)電容值足夠大,交流信號(hào)在電容上的壓降可以忽略時(shí),可視為短路。電感對(duì)直流信號(hào)的阻抗為零,相當(dāng)于短路;而對(duì)交流信號(hào)而言,感抗的大小為ωl。此外,對(duì)于理想電壓源,如vcc等,由于其電壓恒定不變,即電壓的變化量等于零,故在交流通路中相當(dāng)于短路。而理想電流源,由于其電流恒定不變,即電流的變化量等于零,故在交流通路中相當(dāng)于開路,等等。
在直流通路中,隔直電容c1、c2相當(dāng)于開路。在交流通路中,c1、c2相當(dāng)于短路,此外,集電極直流電源vcc也被短路。于是可得單管共射放大電路的直流通路和交流通路分別如下圖(a)和(b)所示。
根據(jù)放大電路的直流通路和交流通路,即可分別進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。分析時(shí),除了圖解法和微變等效電路法以外,有時(shí)也采用一些簡(jiǎn)單實(shí)用的近似估算法。例如,常常根據(jù)直流通路,對(duì)放大電路的靜態(tài)工作情況進(jìn)行近似估算。
2、靜態(tài)工作點(diǎn)的近似估算
當(dāng)外加輸入信號(hào)為零,在直流電源vcc的作用下,三極管的基極回路和集電極回路均存在直流電流和直流電壓,這些直流電流和電壓在三極管的輸入、輸出特性上各自對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn),稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)處的基極電流、基極與發(fā)射極之間的電壓分別用符號(hào)ibq、ubeq表示,集電極電流、集電極與發(fā)射極之間的電壓則用icq、uceq表示。
可求得單管共射放大電路的靜態(tài)基極電流為
(1)
由三極管的輸入特性可知,ubeq的變化范圍很小,可近似認(rèn)為
硅管ubeq=(0.6~0.8)v
鍺管ubeq=(0.1~0.3)v
根據(jù)以上近似值,若給定vcc和rb,即可由式(1)估算ibq。
已知三極管的集電極電流與基極電流之間存在關(guān)系ic≈βib,且β≈ ,故可得靜態(tài)集電極電流為
(3)
然后由圖1(a)的直流通路可得
ceq=vcc-icqrc (4)
至此,靜態(tài)工作點(diǎn)的有關(guān)電流、電壓均已估算得到
3、圖解法
圖解分析動(dòng)態(tài)
以下根據(jù)放大電路的交流通路,來(lái)分析它的動(dòng)態(tài)工作情況?,F(xiàn)將上圖(b)中交流通路的輸出回路重畫于下圖中。因?yàn)橛懻摰氖莿?dòng)態(tài),故圖中的集電極電流和集電極電壓分別用變化量△ic和△uce表示。
交流通路外電路的伏安特性稱為交流負(fù)載線。由圖可見,交流通路的外電路包括兩個(gè)電阻rc和rl的并聯(lián)?,F(xiàn)用r‘l表示rc與rl并聯(lián)后得到的阻值,即
r‘l=rc‖rl。因此,交流負(fù)載線的斜率將與直流負(fù)載線不同,不是-1/rc,而是-1/rl’。由于r‘l小于rc,因此,通常交流負(fù)載線比直流負(fù)載線更陡。
通過分析還可以知道,交流負(fù)載線一定通過靜態(tài)工作點(diǎn)q。因?yàn)楫?dāng)外加輸入電壓ui的瞬時(shí)值等于零時(shí),如果不考慮電容c1和c2的作用,可認(rèn)為放大電路相當(dāng)于靜態(tài)的情況,則此時(shí)放大電路的工作點(diǎn)既在交流負(fù)載線上,又在靜態(tài)工作點(diǎn)q上,即交流負(fù)載必定經(jīng)過q點(diǎn)。因此,只要通過q點(diǎn)作一條斜率為-1/rl’的直線,即可得到交流負(fù)載線,
4、微變等效電路法
單管共射放大電路的微變等效電路圖
等效電路法的步驟
根據(jù)以上介紹,可以歸納出利用等效電路法分析放大電路的步驟如下:
1.首先利用圖解法或近似估算確定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)q。
2.求出靜態(tài)工作點(diǎn)處的微變等效電路參數(shù)β和rbe。
3.畫出放大電路的微變等效電路。可先畫出三極管的等效電路,然后畫出放大其余,部分的交流通路。
4、列出電路方程并求解。