放大电路动态分析

动态就是有输入信号时的工作状态，此时三极管的各个电流和电压不但含有直流分量，而且还有交流分量。动态分析是在静态值确定后分析信号的传输情况，考虑的是电压和电流的交流分量，以及放大电路的电压放大系数、输入电阻ri和输出电阻ro等。最常用的两种基本方法是微变等效电路法和图解法。

（1）微变等效电路法

微变等效电路法，就是当三极管放大电路的输入信号很小时，在工作点附近的小范围内用直线段来近似代替三极管的特性曲线，即把非线性元件三极管等效为一个线性元件，也就是把三极管放大电路等效为一个线性电路。

1）三极管的微变等效电路

如何把三极管线性化，可从三极管共发射极电路的输入和输出特性两方面来讨论。如图8.15（a）所示为三极管的输入特性曲线，它是非线性的。但是，当输入信号很小时，在静态工作点Q 附近的曲线可认为是直线。当UCE为常数时，ΔUBE与ΔIB之比可认为是常数，用rbe表示，称它为三极管的输入电阻，这里需要说明的是在线性化条件下，小信号的微变量可以用电压和电流的交流分量来代替，即ΔUBE=ube，ΔIB=ib，ΔUCE=uce，ΔIC=ic，即

在小信号情况下，若为低频小功率三极管，式中rbe可用下式来估算

式中IE为发射极电流的静态值，rbe是一个对交流而言的动态电阻。因此，三极管的输入电路可用rbe来等效，如图8.15 所示。

图8.15（b）所示为三极管的输出特性曲线，在放大区用一组近似等距离的平行直线来表示。当UCE为常数时，我们可认为ΔIC与ΔIB之比（也就是三极管的电流放大系数β）也为常数，

可由它确定ic受ib控制关系，即

从上式可看出，ic 相当于一个受控恒流源。

图8.15　从三极管的特性曲线求rbe、β 和rce

另一方面，从图8.15（b）中可看出，三极管的输出特性曲线不完全与横轴平行，当IB为常数时，我们把ΔUCE与ΔIC之比称三极管的输出电阻，用rce表示，即

在小信号的条件下，rce也是一个常数。它相当于受控恒流源ic 的内阻，由于它的阻值很大，所以在以后的微变等效电路中可把它忽略不计。从上面分析可知，三极管的输出电路可用一个恒流源ic 来近似等效。如图8.16 所示为三极管的微变等效电路。

图8.16　三极管的等效电路

2）放大电路的微变等效电路

交流通路就是交流分量流过的电路。画交流通路时应注意两个问题：一个是耦合电容C1和C2 可看成短路；再一个就是由于直流电源的内阻很小，可以忽略不计，所以直流电源可不画出，并可看成短路。图8.17（a）所示电路就是图8.12（b）所示电路的交流通路。再把交流通路中的三极管用它的等效电路代替就是微变等效电路，如图8.17（b）所示。这里要注意的问题是，微变等效电路中的电压和电流都是交流分量，标出的方向也都是参考方向。

图8.17　交流通路及其微变等效电路

图8.18　用相量表示的微变等效电路

3）电压放大倍数、输入电阻ri和输出电阻ro

①若图8.17（b）所示的交流放大电路的输入信号为正弦波，则它的微变等效电路中的电压和电流都可用相量来表示，于是可得如图8.18 所示电路。

从图8.18 所示电路可得

式中，=RC∥RL，所以，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的相位反相。当放大电路没接负载RL时，有

[例8.2]　在如图8.12（b）所示电路中，参数与例8.1 中的参数相同，试求放大电路的电压放大倍数。(www.zuozong.com)

解　在例8.1 中已求得

所以

式中　=RC∥RL=2 kΩ

②放大电路对信号源（或对前级放大电路）而言，是一个负载，可用一个电阻来等效代替，这个电阻称为放大电路的输入电阻，用ri 表示，对交流而言它是一个动态电阻，即

以图8.12（b）所示电路为例，其输入电阻可从它的微变等效电路（图8.18）求出，即

在实际电路中，通常希望放大电路的ri越大越好。

③放大电路对负载（或对后级放大电路）而言，相当于一个信号源，其内阻即为放大电路的输出电阻，用ro表示，图8.12（b）所示放大电路的输出电阻可在其信号源短路和输出端开路的情况下求得。从它的微变等效电路（图8.18）中可看出

（2）图解法

所谓图解法，就是利用三极管的特性曲线在静态分析的基础上，用作图的方法来分析各个电压和电流交流分量之间的传输情况和相互关系。

1）交流负载线的画法

前面已提过，直流负载线的斜率为tan α=-1/RC（此时RL 可不加考虑），它反映了静态电流IC 与电压UCE之间的变化关系。而交流负载线反映的是动态时电流iC 和电压uCE之间的变化关系，由于耦合电容对交流信号可看成短路，此时RL 与RC应并联，所以它的斜率为tan α′=-1/，因为RC ＞，所以直流负载线比交流负载线要平坦些；又当输入信号为零时，放大电路应工作在静态工作点Q 上。所以，交流负载线应为经过静态工作点Q，且斜率为tan α′=-1/ 的一条直线，如图8.19 所示。

图8.19　直流负载线和交流负载线

2）图解分析的步骤

如图8.20 所示为放大电路图解分析方法示意图，从图中可得出几个结论。

图8.20　放大电路动态时的图解分析法

①交流信号的传输顺序：

②电压和电流的成分（既有交流，又有直流，是一个交直流共存的电路）：

③输入信号ui和输出信号uo的相位关系：相位差为180°，相位反相，即变化相反。

④计算电压放大倍数：电压放大倍数等于输出正弦电压的幅值与输入正弦电压的幅值之比，RL 阻值越小，交流负载线越陡，输出正弦电压的幅值就越小，电压放大倍数就越小。

3）非线性失真

失真是指输出信号的波形和输入信号的波形不一样。引起失真的原因很多，最基本的有两个，即静态工作点不合适和输入信号太大。放大电路的工作范围超出了三极管特性曲线的线性范围所产生的失真叫非线性失真。非线性失真通常分为截止失真和饱和失真两类。

①截止失真：如图8.21（a）所示，由于静态工作点Q 的位置太低（靠近截止区），若输入信号为正弦波，在它的负半波，三极管进入了截止区。此时，iB、uCE和iC 都产生了严重失真，iB的负半波和uCE的正半波都被削去了一部分。由于这种失真是因为工作在三极管的截止区而引起的，所以称为截止失真。

图8.21　放大电路的非线性失真

②饱和失真：如图8.21（b）所示，由于静态工作点Q 的位置太高（靠近饱和区），若输入信号为正弦波，在它的正半周，三极管进入了饱和区。此时，uCE和iC 都产生了严重的失真，iC 的正半波和uCE的负半波都被削去了一部分。由于这种失真是因为工作在三极管的饱和区而引起的，所以称为饱和失真。

从上述分析可知，要使电路不产生非线性失真，必须使放大电路有一个合适的静态工作点Q，即Q 点应尽可能选在交流负载线的中点；再就是输入信号ui的幅值不能太大，否则放大电路的工作范围会超过特性曲线的线性范围。图解法的优点是直观、形象，但不适应电路的定量计算，而且作图比较麻烦，误差较大。