模擬放大電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論與圖解法解析
2012-04-12 00:00:00蘇變玲雷能芳
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年5期
摘 要：從影響放大電路性能的幾個主要因素入手，采用理論與圖解法結(jié)合的方法，解析了模擬放大電路實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的一些似乎無法解釋或跟理論相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，較直觀地使學(xué)生深入理解了放大電路的性能，有利于學(xué)生真正掌握模擬放大電路的原理與實(shí)質(zhì)。
關(guān)鍵詞：電子技術(shù); 實(shí)驗(yàn);圖解法; 電壓放大電路
中圖分類號：
TN710-34
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0175
-04
Theory and graphic method analysis about experimental
phenomenon of analog amplifying circuit
SU Bian-ling， LEI Neng-fang
(School of Physics and Electric Engineering， Weinan Teachers University， Weinan 714000， China)
Abstract：
Some unexplained experimental phenomenon existed in analog amplifying circuit are analyzed by using theory and graphic method. The performance of amplifying circuit can be understood directly by students， and the principle and essence of amplifying circuit can be mastered.
Keywords： electronic technique; experimentation; graphic method; voltage amplifier
收稿日期：2011-09-15
基金項(xiàng)目：渭南師范學(xué)院基金資助科研項(xiàng)目(09YKZ016)
0 引 言
《模擬電路技術(shù)實(shí)驗(yàn)》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，是對模擬電子技術(shù)理論知識的重要補(bǔ)充［1］。電壓放大電路是模擬電子技術(shù)這門課程的重要的基本的內(nèi)容，貫穿于整個模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中。電壓放大電路實(shí)驗(yàn)包括基本共射放大電路實(shí)驗(yàn)、射極電壓跟隨器實(shí)驗(yàn)、多級電壓放大電路實(shí)驗(yàn)、負(fù)反饋放大電路實(shí)驗(yàn)和差動放大電路實(shí)驗(yàn)等，是模擬電子電路課程實(shí)驗(yàn)的基本的也是重要的實(shí)驗(yàn)［2］。對于電壓放大電路實(shí)驗(yàn)，主要研究的是電壓放大電路的性能，即電壓放大能力、帶負(fù)載能力以及從信號源索取電流的能力。為了研究放大電路的性能，實(shí)驗(yàn)電路中往往通過靜態(tài)工作點(diǎn)(即調(diào)節(jié)基極偏置電阻)的改變，實(shí)現(xiàn)對放大性能的影響；負(fù)載電阻的阻值的改變，實(shí)現(xiàn)對放大性能的影響；單級放大電路的級聯(lián)提高電壓放大能力；引入負(fù)反饋改善放大電路的各性能參數(shù)。下面就從影響放大電路性能的幾個主要因素入手，對放大電路實(shí)驗(yàn)中常出現(xiàn)的、學(xué)生覺得無法解釋或與理論似乎又相悖的問題進(jìn)行理論分析與基于圖解法的解析，以期望使學(xué)生深入理解放大電路的性能，真正掌握模擬放大電路的原理與實(shí)質(zhì)。
1 靜態(tài)工作點(diǎn)對放大電路性能的影響?yīng)?/p>
如圖1為基本共射放大電路的實(shí)驗(yàn)原理圖與輸出特征曲線，理論上可通過調(diào)節(jié)Rb，Rc或更換三極管的方法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整，但在實(shí)驗(yàn)中一般只通過調(diào)節(jié)基極靜態(tài)偏置電阻(即Rb2)，研究靜態(tài)工作點(diǎn)的改變對放大電路性能的影響。
在電壓放大電路中既存在直流信號又存在交流信號，即既存在靜態(tài)工作點(diǎn)又存在動態(tài)的交流信號，且直流信號為放大動態(tài)的交流信號提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，保證放大電路能不失真且最大限度地放大交流信號，而交流信號在放大電路中的流動必須建立在靜態(tài)的基礎(chǔ)上［3］。由此可知：靜態(tài)工作點(diǎn)的改變必定對放大電路的性能產(chǎn)生影響。
首先分析調(diào)節(jié)Rb2時，靜態(tài)工作點(diǎn)的移動。由于IBQ≈VCC－UBERb1+Rb2，且VCC、Rc不變，即直流負(fù)載線不變［4］，則當(dāng)Rb2增大時，Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線下移，如圖1(b)中的Q1點(diǎn)；當(dāng)Rb2減小時，Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線上移，如圖1(b)中Q2點(diǎn)。
再通過理論分析可得動態(tài)參數(shù)，電壓放大倍數(shù)及輸入電阻：
從式(1)表面無法看出Rb2的調(diào)節(jié)對共射極放大電路的電壓放大能力的影響，但實(shí)驗(yàn)中卻明顯地得出：當(dāng)Rb2改變時，共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)在改變。對靜態(tài)工作點(diǎn)的改變必定對放大電路的性能產(chǎn)生影響的解析如下所述。
由此可知：當(dāng)Rb2增大時，Au減小，Ri增大；當(dāng)Rb2減小時，Au增大，Ri減小。
盡管理論上已經(jīng)獲得解析，但從圖1(b)中可知由于VCC、Rc不變，直流負(fù)載線不變，當(dāng)Rb2改變時，Q會沿直流負(fù)載線上下移動。那么就產(chǎn)生Rb2增大，Q點(diǎn)下移時，Au下降，Ri增大；而Rb2減小，Q上移時，Au增大，Ri減小的疑問。從圖1(b)所示共射放大電路的輸出特性曲線上可知，Rb2改變時直流負(fù)載線不變，交流負(fù)載線斜率不變，且為線性，在輸出信號不失真的條件下，只是Q點(diǎn)上下移而已，但是根據(jù)負(fù)載線的線性及輸出不失真的條件，即使Q點(diǎn)移動，Au，Ri也不應(yīng)發(fā)生變化。通過圖2所示圖解法對放大電路性能的分析，便可理解其中的原理。
從圖2可知，在輸出不失真的條件下，對于同樣大小的輸入信號，由于三極管輸入特性曲線的非線性，使得當(dāng)Rb2增大時，Q下移，對應(yīng)的輸入ib減小，ic減小，Uo減小，顯然Au隨之減小，Ri增大；當(dāng)Rb2減小時，Q上移，對應(yīng)的輸入ib增大，ic增大，Uo增大，Au隨之增大，Ri減小。
不過，在此應(yīng)注意：當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)移動至特性曲線近似線性的區(qū)域時，Au和Ri就幾乎不再發(fā)生改變，為一固定值。
2 負(fù)載對放大電路性能的影響?yīng)?/p>
2.1 對Au的影響?yīng)?/p>
理論上由式(1)可知：RL增大，Au增大；RL減小，Au減小。
用圖解法同樣可知：當(dāng)RL增大時，RL′增大，交流負(fù)載線［6］變平坦，輸出的動態(tài)范圍增大，即輸出信號增大，Au增大，如圖3所示。
圖3 負(fù)載電阻的改變對電壓放大倍數(shù)的影響示意圖
2.2 對非線性失真的影響?yīng)?/p>
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：固定Q點(diǎn)，帶負(fù)載RL，調(diào)節(jié)輸出為最大不失真的輸出；再斷開負(fù)載，發(fā)現(xiàn)又出現(xiàn)了失真現(xiàn)象；固定Q點(diǎn)與RL，且使Q點(diǎn)偏離放大區(qū)中心，調(diào)節(jié)輸入信號幅度，使輸出出現(xiàn)失真現(xiàn)象；然后調(diào)節(jié)RL，使RL減小，可發(fā)現(xiàn)失真減弱或消失。
理論上：如上節(jié)分析所知，由于RL增大時，Au增大，輸出信號增大，動態(tài)輸出范圍增大，使得原本剛好不失真的最大輸出由于動態(tài)輸出范圍的增大而產(chǎn)生失真現(xiàn)象［7］。
圖解法解析：如圖4(a)所示，假設(shè)Q點(diǎn)固定且偏離放大區(qū)的中心，靠近飽和區(qū)，那么，當(dāng)帶負(fù)載且輸出調(diào)節(jié)為最大不失真輸出時，斷開負(fù)載，交流負(fù)載線就與直流負(fù)載線重合。由于三極管特性的非線性，由圖4(a)可知，盡管輸出的動態(tài)范圍增大，但出現(xiàn)了飽和失真現(xiàn)象。當(dāng)Q點(diǎn)處于放大區(qū)的中心(如圖4(b)所示)或者靠近截止區(qū)時，同樣由于三極管特性的非線性，會出現(xiàn)同樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，只不過當(dāng)Q點(diǎn)靠近截止區(qū)時，出現(xiàn)的是頂部失真。
圖4 負(fù)載的改變對非線性失真的影響
3 單級放大電路的級聯(lián)對放大電路性能的影響?yīng)?/p>
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：首先單獨(dú)調(diào)整每級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，使得每級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)都處于放大區(qū)的中心，然后級聯(lián)兩級或多級放大電路，在輸入信號不變的情況下，發(fā)現(xiàn)①輸出端產(chǎn)生了頂部和底部同時出現(xiàn)的失真現(xiàn)象；②在降低輸入信號的過程中，發(fā)現(xiàn)頂部和底部失真并非同時消失。
理論與圖解法解析：由于調(diào)整每級放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)都處于放大區(qū)中心的過程中，每級放大電路的輸出都為最大不失真輸出，當(dāng)級聯(lián)后，用上級的輸出作為下級的輸入，勢必超出了下級的最大輸入信號的范圍，即輸出超出了最大的輸出(如圖5(a)所示)，必定產(chǎn)生上下都被削去的失真現(xiàn)象。由此可知，要消除這種失真現(xiàn)象，只要減小輸入信號的幅度，便可達(dá)到預(yù)期的目的。
在調(diào)整每級放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)都處于放大區(qū)的中心的情況下，在降低輸入信號的過程中發(fā)現(xiàn)頂部和底部失真并非同時消失的原因是：在調(diào)節(jié)前級靜態(tài)工作點(diǎn)時，下級電路是斷開的，也就相當(dāng)于前級放大電路在空載的情況，但當(dāng)電路級聯(lián)后，相當(dāng)于帶上負(fù)載，此時前級放大電路的交流負(fù)載線與空載時不同，對于空載時的Q點(diǎn)處于放大區(qū)中心的情況，由于三極管特性的非線性，帶負(fù)載后，Q點(diǎn)會偏離放大區(qū)的中心(如圖5(b)所示)，因此，在降低輸入信號的過程中，發(fā)現(xiàn)頂部和底部失真并非同時消失。
圖5 級聯(lián)對非線性失真的影響
4 負(fù)反饋對放大電路性能的影響?yīng)?/p>
負(fù)反饋的引入對放大電路的影響是非常全面的，它可以改變放大電路的電壓放大能力、帶負(fù)載能力、索取信號源信號的能力，可以拓展頻帶寬度和可以改善非線性失真［8］等。這些性能通過實(shí)驗(yàn)都可以得到驗(yàn)證，但在實(shí)驗(yàn)過程中同樣也會出現(xiàn)讓人困惑的問題與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在帶負(fù)載、閉環(huán)且靜態(tài)工作點(diǎn)固定的情況下，觀察閉環(huán)放大電路的最大不失真輸出電壓［9］時，出現(xiàn)①若此時將閉環(huán)開路，失真又立即產(chǎn)生；②若此時斷開負(fù)載，失真同樣立即產(chǎn)生。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①的解析與級聯(lián)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①相似，只不過在此是由于開環(huán)電壓放大能力高于閉環(huán)電壓放大能力，使得在閉環(huán)情況下的最大不失真。當(dāng)電力開環(huán)后，由于放大能力的提高，輸出超出了最大不失真的動態(tài)范圍，因此，產(chǎn)生了失真現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象②的解析與如圖4(b)相似，此時閉環(huán)放大電路的交流負(fù)載線與帶負(fù)載時不同，對于帶負(fù)載時的Q點(diǎn)處于放大區(qū)中心的情況，由于三極管特性的非線性，空載后，Q點(diǎn)會偏離放大區(qū)的中心，因此，閉環(huán)帶負(fù)載情況下的最大不失真，在空載時會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。當(dāng)Q點(diǎn)偏離放大區(qū)域時的情況如圖4(a)所示。
5 結(jié) 語
在模擬放大電路的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會使學(xué)生產(chǎn)生難以理解或無法解釋的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，采用圖解分析法可以直觀、全面地對這些現(xiàn)象做深入透徹地解析［10］，可很好地鞏固理論知識并提高動手能力，使初學(xué)者的基本實(shí)踐技能循序漸進(jìn)地提高，并因此而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，提高模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡介：
蘇變玲 女，1964年出生，陜西大荔人，碩士，副教授。主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)基礎(chǔ)課程教研、數(shù)字信號處理。
(上接第174頁)
圖2中x軸為時間基準(zhǔn)，每格250 ms；通道1是U1第4腳上測量所得充電波形，y軸為每格1 V；通道2是閃光燈觸發(fā)脈沖，y軸為每格2 V；取充電時間1 s及2 s時驗(yàn)證，從圖中可以看出，x軸4格和8格時對應(yīng)的y軸幅度分別占滿幅的79%和92%左右，考慮到電容、電阻實(shí)際值與標(biāo)稱值誤差，可以認(rèn)為理論計(jì)算與實(shí)際測量結(jié)果非常吻合。
3 結(jié) 語
通過積分方法，實(shí)現(xiàn)了閃光燈充電限流電阻功率計(jì)算，并且得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，按照計(jì)算結(jié)果選取的功率電阻，已經(jīng)在實(shí)際產(chǎn)品中得到應(yīng)用，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
參 考 文 獻(xiàn)
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