晶体管基本放大电路动态参数折算分析法_廖素引.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家级一流课程“模拟电子技术”专项（）；高校发展专业课程专项（年度国家级一流专业自动化）（）第一作者：廖素引，女（），博士，讲师，主要从事检测技术的研究工作，：晶体管基本放大电路动态参数折算分析法廖素引 李国丽 张道信 娄天玲 鞠鲁峰（安徽大学 电气工程与自动化学院，合肥）摘要：“模拟电子技术”课程是电气自动化类专业的重要专业基础课之一，难理解、实践性强是该课程的重要特点。对放大电路的基本工作原理及性能指标的估算分析是课程核心内容，基本放大电路性能指标分析特别是动态参数分析尤为重要，动态参数分析除了常规的微变等效电路法之外，还可以通过参数折算的方法进行分析，使得电路分析更为简单，高效，对于“模拟电子技术”课程初学者来说有一定的学习参考作用。关键词：模拟电子技术；性能指标估算；动态参数折算分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；放大电路根据实际需要，将微弱的电信号不失真地进行放大，是模拟电子系统的基本电路单元。放大电路的本质是不失真地实现功率放大，把直流稳压电源的能量按输入信号的形式传递给负载，负载得到的信号是放大的信号。放大电路的组成原则是：（）必须有晶体管或场效应管等控制器件。（）放大电路虽然只是放大交流信号，必须要有直流电源，给控制器件提供合适的静态工作点，只有当晶体管或场效应管的静态工作点处在放大区时，放大电路才可以进行信号的不失真放大，直流电源还担负向负载提供能量的任务。（）电路中的电阻与直流电源一起决定控制器件的静态工作点，各电阻的选取对静态工作点影响很大，一般称 为偏置电阻。（）输入、输出动态信号必须处在不同的回路，分别接控制器件除公共端以外的两个电极。依据以上原则，实际的共射极放大电路如果将直流电源 和 取得相同，并考虑前级信号源和后级负载，常见的电路形式有两种：）直接耦合的共射极放大电路图 所示为直接耦合的共射极放大电路，由和电阻、一起为晶体管提供合适的静态偏置。和 为信号源，可以是实际信号源，或者是前级放大电路的戴维南等效；是共射极放大电路的负载，可以是实际负载，或者是后级放大电路的输入电阻；是共射极放大电路的输入电压；是放大电路的输出电压（或负载电压）。由于本级放大电路与前级信号源和后级负载之间直接相连，所以称为直接耦合的放大电路。直接耦合放大电路的优点是低频特性好，能够放大缓慢变化的信号，可以集成化；缺点是各级放大电路的静态工作点相互影响，不能独立设置，解决办法是采用阻容耦合的放大电路。图 直接耦合共射放大电路）阻容耦合的共射极放大电路阻容耦合的共射极放大电路如图 所示。由于前级信号源通过 将输入电压加到本级放大电路的输入电阻上，负载 又通过 获得本级输出的电压，称这种电路为阻容耦合的放大电路。直流时，电容的容抗 ，可以把本级放大电路与前后级电路隔开，这样各级放大电路的静态工作点可以独立设置；交流时，一定频率范围内可以认为 交流信号通过短路的电容在前级与本级、本级与下级电路之间传递，因此，耦合电容具有“隔直传交”的作用。耦合电容一般使用容量较大的电解电容，它是有极性的，使用时其正极与电路的直流电源正端相连，如图 所示。图 阻容耦合共射放大电路这个电路是交直流混合系统，直、交流所走的通道是不一样的，这里只讨论放大电路增益，输入电阻，输出电阻动态参数计算。共射极放大电路微变等效分析法为分析图 的动态工作情况，首先根据画交流通路的原则画出电路的交流通路，如图 所示，再将交流通路中的晶体管用简化微变等效模型取代，得到共射极放大电路的微变等效电路，如图 所示，电路中所有耦合旁路电容短路，所有直流电压源视为交流地，所有电量写为相量形式，其余元器件按照相应位置画出。（）交流通路（）微变等效电路图 共射极放大电路的交流通路和微变等效电路图 输出电阻等效电阻）电压放大倍数 动态性能指标的计算电压放大倍数，图 的微变等效电路就是一个线性交流电路，用、定律进行求解，在输入端有 ，输出端有 又 ，根据电压放大倍数的定义，可得：（）电压放大倍数为负，说明输出电压与输入电压反相位，并且由于 一般较小，放大倍数的值较大，一般在几十倍到上百倍。）输入电阻 （）电气电子教学学报 第 卷即：（）输出电阻 由式，求解输出电阻的等效电路如图 所示，此时，由于，有：，（）图 输出电阻等效电阻以上动态分析方法都需要画出放大电路详细的微变等效电路进行逐一分析，对于后边章节的多级放大电路或集成电路内部分析尤为不利，因此可以对基本放大电路动参数的估算方法和规律进行总结，这些动态参数的估算只需简单的折算即可。放大电路动态参数折算分析法原理基本放大电路的分析表明，晶体管放大电路的动态分析中，有两个非常重要的电流关系：（）（）（）由于这个电流关系的存在，使晶体管各极的电阻可以向相关电流侧进行“折算”。例如，射极偏置电路的微变等效电路如图 所示。图 射极偏置电路的微变等效电路集电极电阻 和射极电阻 上的压降为（这里不考虑电流方向问题）：（）（）（）（）（）也就是说集电极电阻折算到 电流测，阻值要乘 倍；射极电阻折算到 电流测，阻值要乘（）倍。反过来，基极的电阻如果要折算到射极电流侧，阻值要除（）倍。各极电阻对自己的电流不需要折算，例如，对 不需要折算。例如，式（）中就是把流过 电流的发射结电阻折算到 电流侧，等效电阻乘了（）倍。因此，基本放大电路的动态参数求解公式可以归纳如下：（）电压增益等于 两端点间折算到 电流侧的总电阻两端点间折算到 电流侧的总电阻，的符号由电路的电流方向确定。（）输入电阻 是 两端点间折算到相应电流侧的总电阻。（）输出电阻 是 两端点间折算到相应电流侧的总电阻。其中：“相应电流”这样定义：动态信号从哪个极引入（出），哪个极的电流就是相应电流，例如 从基极引入，相应电流就是。例如射极跟随器如图 所示：图 射极跟随器）电压放大倍数 两端点间的电阻是，折算到 电流侧为（）；两端点间（虚线箭头所示）的电阻为 和，从基极引入，相应电流是，对无需折算，所以 是从 点看进去 两端点间折算到 电流侧的总电阻是（）第 期廖素引，等：晶体管基本放大电路动态参数折算分析法，再考虑电流方向有：（）（）（）输入电阻 再考虑，电路总输入电阻是：（）（）输出电阻 从射极输出，相应电流是，从 点看进去两端点间折算到 电流侧的总电阻是：并联一个折算到射极电流的从 点到交流地的等效电阻（如图中虚线所示），基极的电阻要折算到射极电流侧，阻值要除（）倍。注意这时电容近似处理为短路、为零、保留、直流电源为交流地，即 （）放大电路动态参数折算分析法应用放大电路如图 所示，求：电压放大倍数 、；输入电阻；输出电阻、。图 放大电路例图这是一个具有两输出的放大电路，当信号从输出时，为射极偏置共射电路；当信号从 输出时，为射极输出器即共集电路。动态指标可以用画出微变等效电路的方法求得，也可以由以上的折算方法得到：（）从集电极输出时，折算到 电流侧要乘 倍；射极电阻 折算到 电流侧要乘（）倍，从 点看进去两端点间折算到 电流侧的总电（），再考虑电流方向，所以 （）（）同理，从发射极输出时，射极电阻 折算到 电流侧要乘（）倍，从 点看进去 两端点间折算到 电流侧的总电阻是（），所以 （）（）（）（）从基极引入，相应电流是，从 点看进去，射极电阻 折算到 电流侧要乘（）倍，（）（）所以 （）（）（）从集电极输出时，相应电流是，从 点看进去 （）从射极输出时，相应电流是，从 点看进去，基极的电阻要折算到射极电流侧，阻值要除（）倍，折算之后和射极电阻 是并联关系：（）再以图（）共基极放大电路为例。其交流通路，如图（）所示，电压增益：（）输出侧 折算到 电流侧要乘 倍，输入侧 对 不需要折算，输出和输入相位相同。折算到输入电流侧发射极的电阻 ，输入电阻 ，很小，折算到输出电流侧集电极的输出电阻 ，共基放大电路的最大优点是频带宽，常用于宽带要求的场合。再比如，举一个 多级放大电路例子，如图 所示，第一级的输入信号从基极引入，输出信号从集电极引出，所以是共射放大电路；第二级输入信号从发射极引入，输出信号从集电极引出，基极是公共端（交流情况下对地短路），因此这是一个共射 共基组合的放大电路，交流通路如图 所示。根据前面的折算规则，两级都是从集电极输出，折算到 电流侧要乘 倍；两级输入端对 不需要折算，第二级的输入电阻 是前级负载，折算到本级的发射级，除以 倍：（）电气电子教学学报 第 卷（）原理图（）交通通路图 共基极放大电路图 共射 共基多级放大电路图 共射 共基放大电路交流通路 电压放大倍数 共射共基放大倍数之乘积：（）由于 所以（）（）同理，输入端 对 不需要折算，故输入电阻为：（）输出信号从集电极引出，折算到输出级就是，故输出电阻即为第二级的输出电阻为：（）结语放大电路动态参数是考察电路放大能力，输入输出电阻的重要参考，动态参数的估算用折算法在不画出微变等效电路的基础上也可以进行估算，该方法对于双极性晶体管 的计算尤为有效，易学易懂，以上对于 共射、共集、共基基本放大电路分析全面，结论对于 多级组合放大电路具有普遍性，对于“模拟电子技术”课程初学者来说有一定的学习参考作用。参考文献李国丽 模拟电子技术基础 版 北京：高等教育出版社 朱明，秦佳昕，宋文祥，等 差分放大电路原理分析 电气电子教学学报，（）：易映萍，侯文，谢明，等 差分式放大电路动态分析方法探讨 教育教学论坛，：第 期廖素引，等：晶体管基本放大电路动态参数折算分析法