晶体管基本放大电路
放大电路
晶体管基本放大电路
对于电信号,一般是直流和交流的混合,在分析时我们要将他们分开来分析,因此包括直流分析(静态分析)和交流分析(动态分析)。
直流通路
直流电流流经的通路。分析时遵循以下规则:
- 电容视为开路,即电容断开
- 电感视为短路,即用导线代替
- 电压源短路,电流源开路,内阻保留
交流通路
交流电流流经的通路。分析时遵循以下规则:
- 大容量电容视为短路
- 无内阻的直流电源视为短路
- 直流电压变化量为0,视为短路
静态分析
图解法
将上述直流通路改画,得到iC与uCE的关系
根据上式,确定两点即可得到直流负载线,将直流负载线放入输出特性曲线
通常我们通过直流通路基极回路求出IBQ,从而得知确定的特性曲线
IBQ=(UCC-UBE)/Rb。Si管的UBE为0.6V0.7V,Ge管的UBE为0.2V0.3V;通常为0.7V。
解析法
第一步还是画出直流通路,如下
计算顺序为:IB→IC→UCE
- IB相当于IBQ,但在解析法中我们通常省略UBE,即IBQ=(UCC-UBE)/Rb=UCC/Rb
- 求IC:IC=βIB
- 求UCE:UCE=UCC-IC*RC
电路参数对静态工作点的影响
以共射极电路图为参考,探究Rb,Rc,UCC对静态工作点的影响。当一个参数变化时,另两个不变
- Rb增大,沿负载线下移,反之沿负载线上移
由于Rb变化影响IBQ而不影响负载线,因此实际上负载线保持不变,而输出特征曲线中的IBQ上移或下移。Rb增大,IBQ减小,则工作点下移,反之上移 - Rc减小,右移,反之左移
从直流负载线的公式中我们可以看到,Rc实际上是他的斜率。Rc减小,负载线更陡,于是工作点右移,反之左移 - Ucc增大,直流负载线平行上移,工作点向右上方移动。反之,向左下方移动
Ucc的改变既影响直流负载线,又影响特征曲线中的IBQ。当UCC增大,IBQ增大,曲线上移;而在直流负载线的截距中都有Ucc,因此直流负载线平行上移,因此工作点向右上方移动;反之向左下方移动
动态分析
输入交流信号,晶体管的工作状态来回移动
图解法
类似静态分析,晶体管的工作状态按交流负载线移动。于是我们首要的任务就是作出交流负载线。
交流负载线的两个特点:
- 必然通过静态工作点。当交流信号为0时,此时的输入信号仅为直流信号,此时为静态工作点。
- 斜率由-1/RL’表示,其中RL’=Rc//RL(Rc与RL并联)
于是,可以通过以下方法作出交流负载线:
- 根据斜率做一条辅助线
- 求出静态工作点Q
- 过Q作一条平行于辅助线的直线,其为交流负载线
- 利用交流负载线画出电流、电压波形,或求最大不失真输出电压
在确定了静态工作点Q后,也可以通过交流负载线在uCE轴上的截距确定交流负载线:截距Ucc’=UCEQ-ICQ*RL’
接下来,我们来确定交流波形
由于电信号含有直流信号和交流信号,我们得出以下式子:
基极电流ib、集电极电流ic和集电极电压ube的相位相同,而uce与它们相位相反,即输出电压与输入电压相位相反。
由此即上式可知,从外部进入的信号,到b后基本不变,从c进入的信号基本不变。但从e流出的信号变为反向,而最终这个反向信号放大后被输出
非线性失真
主要分为以下三种类型:
- 饱和失真:工作点达到了饱和区
- 截止失真:工作点达到了截止区
- 双向失真:工作点位置何时,但信号过大导致波峰波谷被截掉
由于特性曲线非线性引起的失真
输入特性曲线其实弯曲,之后呈线性增长趋势。但如果输入的uBE过小,则一部分IB在弯曲的区间,另一部分在线性区间,导致失真
通常输出特性曲线的间隔相同,但当其不相同时,比如上疏下密,也会产生失真。
由于静态工作点不合适引起的失真
主要是饱和失真和截止失真
饱和失真是由于静态工作点设置过高,当ib增大时,ic不会随之增大,而输出电压uCE出现底部失真
截止失真时由于静态工作点设置过低,输入信号负半周进入截止区,输出电压uCE出现顶部失真
为了避免上述失真的出现,我们引入最大不失真输出电压Umax,即峰-峰电压Up-p:当静态工作点确定后,逐步增大输入信号,晶体管既不进入饱和区,也不进入截止区时所获得最大输出电压
微变等效电路
基本思想:当信号变化范围很小,认为晶体管电压、电流的变化量呈线性关系,即输入特性、输出特性可以看作直线。于是用一个线性模型代替晶体管放入电路,构成微变等效电路
我们用iB,uCE表示uBE,iC,然后进行求微分,注意这里每个量都是交流分量和直流分量的和,但是直流分量的变化量为0,因此进行微分后仍然是0。然后用h11,h12,h21,h22代替微分量,有以下式子
我们从单位对每个h进行分析
- h11为输出交流短路的电阻,用rbe表示
rbe估算如下
- h12为常数,称为输入交流开路时的电压反馈系数μr
- h21为常数,称为输出交流短路时的电流放大系数β,通常直接给出(现实中查晶体管手册可得)
- h22为输入交流开路时的导纳,用1/rce表示
需要注意的是:
- 等效只对**微变量(交流小信号)**而言。外部直流电源应置零(电压源短路、电流源开路),与微变量有关的部分应保留
- 等效电路中的受控电流源βib的数值和方向都取决于基极电流ib,假设ib的电流方向后不可随意改动。若ib流入基极,则βib从集电极流向发射极(如图);反之则从发射极流向集电极
- 微变等效电路只适合低频、小信号的晶体管