放大電路分析方法PPT

1、1,2-3 放大電路的分析方法,放大電路分析,靜態(tài)分析,動態(tài)分析,圖解法,微變等效電路法,圖解法,計算機仿真*,估算法,2,一. 直流通道和交流通道,在放大電路中直流信號和交流信號是同時存在的，為了分析研究方便，將兩種信號對電路的作用分開討論，即分為直流通路和交流通路。,直流通路:在直流電源作用下直流電流流過的通路，即靜態(tài)電流通路。主要用于求解靜態(tài)工作點。,直流通路的確定方法: (a)將電容開路； (b)將電感短路，忽略內(nèi)阻； (c)信號源短路，保留內(nèi)阻。,3,交流通路:在輸入信號作用下交流電流流過的通路，即動態(tài)電流通路。主要用于確定放大電路的動態(tài)參數(shù)。,交流通路的確定方法: (a)將電容視為

2、短路； (b)將電感視為開路； (c)將直流電源視為短路。(小內(nèi)阻),信號的不同分量可以分別在不同的通路中分析。,在分析放大電路時，應(yīng)遵循“先靜態(tài)，后動態(tài)”的原則，求解靜態(tài)工作點Q時應(yīng)用直流通路，求解動態(tài)參數(shù)時應(yīng)用交流通路，兩種通路必須分清，不可混淆。,4,利用上述原則，直接耦合和阻容耦合共射放大電路的直、交流通路分別為:,5,RC耦合共射放大電路,6,對交流信號(輸入信號ui),7,二. 圖解分析法,在已知放大管的輸入、輸出特性曲線和元件其他參數(shù)條件下，采用作圖方法對放大電路進行分析的方法稱為圖解分析法。,在靜態(tài)工作情況下，可以用估算法進行Q點估算，也可用圖解法確定。,8,1、用圖解法確定Q

3、點,以基本共射放大電路為例，用虛線將圖分為三部分，輸入回路、放大回路和輸出回路。,9,采用作圖方法在iB / uBE 坐標系內(nèi)分別作出曲線，其交點即為IBQ、UBEQ。,電路靜態(tài)時，ui=0，輸入回路電路方程為：,顯然方程(1)為一直線方程，稱為輸入負載線；方程(2)為指數(shù)曲線。,10,應(yīng)用同樣方法在輸出回路可以寫出回路方程為： VCC- IC RC = UCE 在放大回路中可測量出iC/uCE座標系中在不同IB下的關(guān)系曲線, 上述直線方程與輸出關(guān)系曲線在IB = IBQ時的交點值即為ICQ、UCEQ。,上述直線方程對應(yīng)的直線即為輸出負載線，也稱直流負載線。,11,2、用圖解法進行動態(tài)分析,當

4、加入輸入信號i0時，輸入回路方程為： UBBui-IBRb =UBE 該直線與橫軸交點為(VBBui,),與縱軸交點為( , VBBui/Rb ),斜率仍為-1/Rb。,根據(jù)給定的ui作輸入負載線，其與輸入特性曲線交點便是在ui作用下IB的變化量ib,12,在輸出回路中找到IB = IBQ + ib的一條特性曲線，輸出負載線與該曲線的交點為(UCEQ- uCE， ICQ ic)，由此得到的uCE即為輸出電壓變化量。,則電壓放大倍數(shù)Au應(yīng)為,13,由圖解分析可看出： 當ui時,ib, ic,而uCE; 當ui時, ib, ic,而uCE; 由此得知輸出電壓的變化與輸入電壓的變化是反相的。,另外可

5、從圖中看出，改變Rb可使Q點產(chǎn)生移動，使ib 、ic、uCE及Au發(fā)生改變。同樣改變RC也可使Au改變，但不改變Q點的位置。,14,如果輸入信號ui為正弦信號vi時，在輸出回路得到一幅值放大、變化反相的正弦信號vo 。,15,根據(jù)定義， 式中負號示表示輸出信號電壓與輸入信號電壓的相位相反。,動態(tài)分析步驟如下：,（1）根據(jù)vi的波形在三極管輸入特性曲線上求iB,求IB，在輸入特性曲線上找到Q點，vBE=VBE+vi，iB= IB+ib， 根據(jù)vi的波形對應(yīng)畫出vBE和iB的波形圖。,（2）在輸出特性曲線上作輸出負載線，求iC及vCE的波形,根據(jù)iB的波形可畫出對應(yīng)的iC和vCE的波形。交流量vc

6、e的波形 就是輸出電壓vo的波形。,（3）求電壓增益,16,a)、直流負載線,直流通路下負載的VAR關(guān)系曲線。,1. 三極管的輸出特性。,2. UCE=VCCICRC 。,直流 負載線,與輸出特性的交點就是Q點,IB,3. 直流負載線和交流負載線,17,b)、交流負載線,其中：,交流通路下負載的VAR關(guān)系曲線。,18,該直線具有兩個特征： 當i=0時，BJT的ic應(yīng)為ICQ , uce應(yīng)為UCEQ ，即該直線必定經(jīng)過Q點； 動態(tài)條件下ic對uce的斜率為-1/RL，滿足關(guān)系式,這樣在輸出回路特性曲線中通過Q點和所作的一條斜率為1/ (RC/ RL)的直線就為交流負載線。,19,交流負載線的作法

7、,IB,交流負載線,對直接耦合放大電路，直流負載線和交流負載線重合斜率均為1/ (RC/ RL )，而阻容耦合放大電路只有在空載時兩條負載線才重合。,直流負載線,過Q點作一條直線，與橫坐標交點為（UCEQ+ICQRL，0），該直線即為交流負載線，斜率為：,20,在放大電路中，輸出信號應(yīng)該成比例地放大輸入信號（即線性放大）；如果兩者不成比例，則輸出信號不能反映輸入信號的情況，放大電路產(chǎn)生非線性失真。,為了得到盡量大的輸出信號，要把Q設(shè)置在交流負載線的中間部分。如果Q設(shè)置不合適，信號進入截止區(qū)或飽和區(qū)，則造成非線性失真。,下面將分析失真的原因。為簡化分析，假設(shè)負載為空載(RL=)。,4、用圖解法分

8、析放大電路的非線性失真,21,uo,可輸出的最大不失真信號,a).選擇合適靜態(tài)工作點,22,BJT臨界飽和電壓UCES :Si管為0.3V, Ge管為0.1V。 Uom的取值方法為：以Q點為基準，取(UCEQ UCES)和 (ICQRC/ RL )中較小值。為獲得最大Uom ，一般將 Q點取在交流負載線的中點。,最大不失真輸出電壓Uom ：,23,uo,b). Q點過低，信號進入截止區(qū),放大電路產(chǎn)生 截止失真,24,b). Q點過高，信號進入飽和區(qū),放大電路產(chǎn)生 飽和失真,25,5.圖解法實用范圍,圖解法的特點是直觀形象的反映晶體管 的工作情況，但是必須實測所用管的特性曲 線，而且用圖解法進行

9、定量分析時誤差較大 。此外，晶體管的特性曲線只能反映信號頻 率較低時的電壓、電流關(guān)系，而不反映信號 頻率較高時，極間電容產(chǎn)生的影響。因此， 圖解法一般多適用于分析輸出幅值比較大而 工作頻率不太高時的情況。實用中多用于分 析Q點位置、最大不失真輸出電壓Uom 和失真 情況。,26,？,思 考 題,1. 試分析下列問題：,共射極放大電路,（1）增大Rc時，負載線將如何變化？Q點怎樣變化？,（2）增大Rb時，負載線將如何變化？Q點怎樣變化？,（3）減小VCC時，負載線將如何變化？Q點怎樣變化？,（4）減小RL時，負載線將如何變化？Q點怎樣變化？,27,共射極放大電路,？,思 考 題,2. 放大電路如

10、圖所示。當測得BJT的VCE 接近VCC的值時，問管子處于什么工作狀態(tài)？可能的故障原因有哪些？,截止狀態(tài),答：,故障原因可能有：, Rb支路可能開路，IB=0， IC=0， VCE= VCC - IC Rc= VCC 。, C1可能對地短路，VBE=0， IB=0， IC=0， VCE= VCC - IC Rc= VCC 。,28,作業(yè)：看懂“圖解分析法” 預(yù)習(xí)“等效電路分析法”,29,三. 微變等效電路分析法,由于放大電路中BJT是一個非線性器件，電路的分析不能運用我們在電路分析中已掌握的公式和定律。如能在一定條件下，建立BJT的線性化模型，將BJT非線性器件線性化，那么，對放大電路的分析就

11、迎刃而解了。從實際的BJT特性曲線可見，在小范圍內(nèi)可將其非線性作線性化處理，此時，BJT的電流、電壓有線性關(guān)系存在。這樣，在小信號范圍可建立BJT的線性模型了。,下面介紹常用的線性等效模型，使我們能簡化對放大電路的分析，應(yīng)注意各種模型的使用范圍和條件。,30,1.直流模型,在對共射極放大電路求解Q點時，一般將UBEQ取固定值0.7V或0.2V，即認為UBE可等效為一個直流恒壓源，這樣就可將輸入特性折線化，如圖(a)；,而在輸出特性中，由于ICIB，說明僅決定于IB，而與UCEQ無關(guān)，所以其特性曲線可近似看成一平行于UCEQ的直線，如圖 (b)；,該模型的使用條件為：BJT工作在直流靜態(tài)的放大狀

12、態(tài)，且: UBEUon UCEUBE,這樣就可以將BJT等效為直流模型如圖(c) ，理想二極管規(guī)定了電流的方向。,31,用直流模型估算Q點,（1）根據(jù)輸入回路估算IBQ,RB稱為偏置電阻，IB稱為偏置電流。,32,（2）根據(jù)輸出回路估算UCEQ、ICQ,IC,UCE,33,2.小信號模型,如果放大電路的輸入信號電壓很小，就可以把BJT在小范圍內(nèi)的特性曲線近似用直線代替，從而把BJT當成線性元件來處理，這就是小信號建模的指導(dǎo)思想。,BJT可以看成一個有源雙口網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)有輸入和輸出兩個端口，一般用ui、uo和i1、i2來表示網(wǎng)絡(luò)的特性，以這些參數(shù)為基礎(chǔ)產(chǎn)生了如Z參數(shù)法、Y參數(shù)法、H參數(shù)法等不同的

13、分析方法；,其中H參數(shù)法是在低頻分析中應(yīng)用較廣的分析方法。,34,（1）BJT的H參數(shù)小信號模型,BJT在共射極電路的輸入回路和輸出回路有關(guān)系式：,uBE (iB, uCE) iC (iB, uCE) ,設(shè)BJT在小信號下工作，對上兩式取全微分，得 （1） （2）,35,兩式中duBE, duCE, diB, diC表示無限小的信號增量，假定在小信號作用下電流、電壓的變化沒有超過特性曲線的線性區(qū)，無限小信號增量可以用有限增量代替，即可用電壓、電流的交流分量代替，則上式可寫為：,(h11e,h12e),(h21e,h22e),輸出端交流短路時的輸入電阻，單位為歐姆（）；,輸出端交流短路時的正向電

14、流傳輸比或電流放大系數(shù)（無量綱）；,輸入端交流開路時的反向電壓傳輸比（無量綱）；,輸入端交流開路時的輸出電導(dǎo)，單位為西門子（S）；,36,hie，hre，hfe，hoe稱為BJT在共射極接法下的H參數(shù)， 由于四個h參數(shù)的單位量綱各不相同，故稱該參數(shù)為混合參數(shù)。,等效模型圖如下：,以上所得電路就是把BJT線性化后的線性模型。在分析計算時，可以利用這個模型來代替BJT，從而,可以把BJT當作線性電路來處理，使非線性復(fù)雜電路的計算得以解決。,37,(2)h參數(shù)的意義,hoe:稱1/ hoe為ce結(jié)動態(tài) 電阻rce, hoe iC / u CE,hie:稱為小信號作用下be結(jié)動態(tài)電阻rbe； hie

15、uBE/iB,hre:稱為內(nèi)反饋系數(shù) hre u BE/ u CE,hfe:即放大倍數(shù) hfe iC /iB,38,(3)簡化的h參數(shù)模型圖,忽略低頻工作狀態(tài)下對BJT影響較小的因素， h參數(shù)模型可簡化如圖形式。,在輸入回路中hreuce比ube小得多，而輸出回路中負載電阻Rc（或RL）比BJT輸出電阻1/hoe小得多，所以在模型中常?？梢园裩re和hoe忽略掉。用rbe代替hie，并且用代替hfe。,39,(4) h參數(shù)的確定,按照簡化的h參數(shù)模型： hre 0；hfe ； hoe 0 實際需要確定的參數(shù)只有hie(即rbe),由于BJT的h參數(shù)與Q點有關(guān)，因此在電路動態(tài)分析前，必須首先確定

16、電路的Q點。,其中：rbb 為基區(qū)體電阻 ；re 為發(fā)射區(qū)體電阻；對低頻小功率管 rbb 200，常溫下UT 26mV,h參數(shù)模型稱為BJT低頻小信號模型，或稱微變等效模型。主要用于研究BJT的動態(tài)參數(shù)。,40,4根據(jù)放大電路的小信號模型等效電路計算放大電路的交流指標 Au、Ri、Ro。,(5)放大電路小信號模型分析法的一般步驟,1根據(jù)直流通路估算靜態(tài)工作點，并確定H參數(shù)；,2畫出放大電路的交流通路；,3根據(jù)交流通路用BJT的H參數(shù)小信號模型代替電路中的BJT，畫出放大電路的小信號模型等效電路。 （注意：由于輸入信號常用正弦電壓,所以,小信號等效電路中的電壓、電流均用相量表示。）,41,四.共

17、射電路的動態(tài)參數(shù)分析,放大電路的動態(tài)參數(shù)主要有Au 、Ri、Ro等，利用h參數(shù)模型可以方便的求解出這些參數(shù)。,以RC耦合共射放大電路為例求解動態(tài)參數(shù)。,42,利用靜態(tài)模型求出Q點參數(shù)；,畫出交流通路下h參數(shù)等效模型圖；,43,電壓放大倍數(shù)Au的計算,注意：求解Au時必須考慮負載電阻。,44,輸入電阻Ri的計算,對于為放大電路提供信號的信號源來說，放大電路是負載，這個負載的大小可以用輸入電阻來表示。,電路的輸入電阻越大，從信號源取得的電流越小， 因此電壓放大器一般總是希望得到較大的的輸入電阻。,45,輸出電阻RO的計算,對于負載而言，放大電路相當于信號源，可以將它進行戴維南等效，戴維南等效電路的

18、內(nèi)阻就是輸出電阻。,計算輸出電阻的方法：,(1) 所有電源置零，然后計算電阻（對有受控源的電路不適用）。,(2) 所有獨立電源置零，保留受控源，加壓求流法。,*：注意求解RO時不包含負載RL,46,所以：,用加壓求流法求輸出電阻：,47,例1:,阻容耦合共射放大電路，已知UBE=0.7V =50,Rb=377k,RC=6k,Rs=100,RL=3k,Vcc=12V ，計算: 1.電路的靜態(tài)工作點Q ; 2.電壓放大倍數(shù)Au、Aus ; 3.輸入、輸出電阻Ri、Ro。,解：1.靜態(tài)工作點Q 根據(jù)直流通路可得： IBQ=(Vcc UBE)/ Rb =(120.7)/377=30(uA) ICQ= IBQ =500.03=1.5(mA) UCEQ= Vcc ICQ RC