单级放大电路静态分析及微变等效电路分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：静态分析的任务就是求出IB、IC、UCE，看放大电路是否工作在放大区，是否取得合适的静态工作点。但这种信号可以看成是由许多不同幅值、不同频率的正弦波叠加而成的，所以在调试或测试放大电路时通常都用正弦信号作为输入信号。在实际应用中常用放大电路的微变等效电路分析如图5-15所示。这时要考虑放大电路本身对前后级的影响。

1.基本交流电压放大电路的结构与原理

如图5-13所示的电路是由晶体管构成的共发射极接法的基本交流放大电路。放大电路的输入端与信号源相连，输出端接负载R_L。在电子电路中，常把公共端接地（用符号或┻表示），电路中各点的电位都以它作为参考点。

图5-13 单级放大电路

a）原理图 b）直流通道

电源电压V_CC为+12V，即该点与参考点之间的电位差为12V。

基本放大电路中各元器件的作用如下：

1）晶体管VT起电流放大作用，当微弱的信号引起晶体管基极电流微小变化时，通过其电流放大作用，可以使集电极电流有较大变化。

2）直流电源V_CC为晶体管的发射结提供正向偏压，为集电结提供反向偏压，保证晶体管工作在放大状态；V_CC还是整个放大电路的能源，放大电路向负载提供的输出功率比信号源给放大电路的功率要大得多，能量不能放大，负载所得到的较大的能量是由直流电源V_CC提供的。

3）偏置电阻R_B的作用是与V_CC配合使晶体管有合适的静态基极电流。集电极电阻R_C的作用是将集电极电流的变化转换成电压的变化。R_C的数值一般为几千欧到几十千欧。

4）耦合电容C₁、C₂的作用是传输交流信号，隔断直流通路。因此要求电容量较大，在信号频率下的容抗尽可能的小，以便顺利地传输信号。C₁、C₂的电容量一般为几微法到几十微法。这样大容量的电容器常常选用电解电容器，电解电容器是有极性的，连接时应注意极性。

2.静态分析

在图5-13a中，输入信号u_i=0时的工作状态称为静态。这时在直流电源V_CC的作用下，晶体管各极间电压和各极电流都是直流量，其值称为静态值。静态分析的任务就是求出I_B、I_C、U_CE，看放大电路是否工作在放大区，是否取得合适的静态工作点。

由于C₁、C₂的隔直作用，直流电源V_CC提供的直流电流不能流到信号电路（R_S、U_S构成的支路）和负载电阻R_L上去的，因此可得到交流电压放大电路的直流通路，如图5-13b所示。静态电路的分析方法有两种，即图解法和估算法，在这里只介绍估算法。

利用估算法分析静态电路的条件是已知电路中各元器件的参数值以及晶体管的β值。求出I_B、I_C、U_CE的值，即静态值。

由图5-13b放大电路的直流通路的输入回路可见，晶体管发射结正向导通后，其正向压降U_BE的变化范围不大，一般可认为总等于它的导通电压，即硅管为0.6V，锗管为0.2V，I_C=βI_B，再由输出回路可求出U_CE=V_CC-I_CR_C。

例：在图5-13所示电路中，已知V_CC=12V，R_C=4kΩ，R_B=300kΩ，电流放大系数β=50，用估算法求其静态值。

解：

I_C=βI_B=（50×38）μA=1900μA=1.9mA

U_CE=V_CC-I_CR_C=12V-1.9mA×4kΩ=4.4V

3.动态分析

在放大电路的输入端加上输入信号后，就需要知道经过放大电路后信号被放大了多少倍，以及这个电路对前面的信号源产生了什么影响，对后面的负载又有什么要求，这些量的分析称为放大电路的动态分析。

放大电路的实际输入信号并非是单一频率的正弦波，往往没有特定的规律。但这种信号可以看成是由许多不同幅值、不同频率的正弦波叠加而成的，所以在调试或测试放大电路时通常都用正弦信号作为输入信号。

在放大电路的输入端加入正弦输入信号后，电路中的各电压和电流都会在原来静态值的基础上叠加一个交流量。为了区分电压、电流中的直流分量、交流分量和交直流总量，需要用不同的符号表示，表5-1给出了放大电路中电压和电流的符号约定。

表5-1 放大电路中电压和电流的符号

动态分析的任务是要求出放大电路的电压放大倍数、放大电路的输入电阻和输出电阻。一般也有两种方法，即图解法和估算法（微变等效电路分析法）。

图5-14 交流通路

用估算法对放大电路进行动态分析的前提是输入信号比较小，放大电路一定工作在放大区，只有在放大区，输出电流与输入电流成线性关系，所以可以用线性电路的分析方法，估算各电压、电流值。在分析电路之前，首先做出放大电路的交流通路。画交流通路的原则是C₁、C₂对交流分量可视为短路，直流电源V_CC的内阻很小，对交流也可视为短路。据此画出放大电路的交流通路如图5-14所示。

对交流信号来说，从输入端看进去，晶体管的发射结可等效为一个电阻r_be（Ω），称作晶体管的输入电阻，它的值在选定了合适的静态值以后，可以用以下的经验公式进行估算，即

式中，I_B、I_E（单位均为mA）都是静态值。由上式可见，r_be和I_B、I_E及β有密切关系。如果已知I_B、I_E（I_E≈I_C）和β就可以计算出的r_be的值。一般r_be的值约为几百欧到几千欧。常用的小功率晶体管，当I_E=1～2mA时，r_be约为1kΩ。

必须指出的是，r_be是动态电阻，是对变化的信号表现的电阻，所以又称为交流电阻，只能用它对变化的信号进行计算，而绝不能用它来计算直流值。

由晶体管的输出特性曲线可知，在放大区中集电极电流几乎与U_CE无关，而只受基极电流的控制。因此，在放大电路的输出回路中，晶体管可以看成是一个受控电流源，其中输出电流i_c由输入电流i_b决定，并与其成线性关系，即i_c=βi_b。

在实际应用中常用放大电路的微变等效电路分析如图5-15所示。根据放大电路的微变等效电路，可求出放大电路的电压放大倍数A_u、输入电阻的r_i和输出电阻r_o。

图5-15 微变等效电路

（1）电压放大倍数A_u的计算

当输入信号为正弦量时，微变等效电路图中各电压、电流量均为正弦量，计算时一般用其有效值相量来表示。根据微变等效电路，电压放大倍数就很容易求出。

如图5-15b，输入电压可用I_b流过r_be的电压降来表示，即

输出电压u_o为电流源I_C在R′_L=R_C∥R_L上的电压降，即

因此，放大电路的电压放大倍数为

式中，负号表示输出电压与输入电压反相。

当输出端不接负载R_L时，R′_L=R_C，则

由于R_C>R′_L，所以接入负载电阻后，电压放大倍数将减小，R_L越小，放大倍数越小。

（2）输入电阻r_i的计算

一个放大电路的输入端与信号源（或前级放大电路）相连，输出端与负载（或后级放大电路）相连接。这时要考虑放大电路本身对前后级的影响。当信号电压加到放大电路的输入端时，放大电路就是信号源的负载，负载的等效电阻也就是放大电路的输入电阻r_i（也就是从输入端看进去的交流等效电阻），即

从微变等效电路图中可以求得r_i=R_B∥r_be≈r_be。

输入电阻的大小会影响放大电路接收信号的能力，如果放大电路的输入电阻较小，一方面将从信号源索取较大的电流，从而增加信号源的负担；另一方面，经过信号源内阻和输入电阻的分压，实际加到放大电路的输入电压就较小。所以，通常希望放大电路有较高的输入电阻。

（3）输出电阻r_o的计算

放大电路对负载（或后级放大电路）来说是一个信号源，其电源电动势为放大电路的开路端电压，其内阻就是放大电路的输出电阻r_o，即从放大电路输出端看进去（不包括负载电阻r_i）的等效电阻。

由微变等效电路可见r_o≈R_C。显然，r_o越大，带负载时的电压降也越大，输出电压降低，也就是放大电路带负载的能力差。因此，希望放大电路有较小的输出电阻，以得到稳定的输出电压。

单级放大电路静态分析及微变等效电路分析

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