《電子技術應用》
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基于疊加定理分析和設計低頻小信號放大器
朱幼娟 常州信息職業技術學院
摘要: 低頻小信號放大電路是常用的實用電路,電路中既有線性元件,又有非線性元件,而且直流、交流并存于電路中,因此在分析和設計電路時較為復雜。疊加定理把線性電路中多個電源作用分解成各個電源的單獨作用,然后進行代數和疊加。屬于非線性元件的半導體晶體管工作在低頻小信號,近似作為線性元件使用。應用疊加定理分析和設計低頻小信號放大電路,抓住主要,忽略次要,使問題變得既容易、簡單又明確。
Abstract:
Key words :

    低頻小信號放大電路的用途非常廣泛,它能夠把微弱電信號增強到所要求的值。電路由線性元件電阻、電容和非線性元件,即半導體晶體管組成。在進行低頻小信號放大時,電路中既有直流信號,又有交流信號,因此在分析和設計電路時問題錯綜復雜,利用疊加定理和低頻小信號因素,可使問題變得容易。

1 疊加定理
    當線牲電路中有幾個電源共同作用時,各支路的電流(或電壓)等于各個電源單獨作用時在該支路產生電流(或電壓)的代數和(疊加)。由于半導體晶體管工作在低頻小信號,把非線性元件,即半導體晶體管當作線牲元件分析,再借助疊加定理簡明分析和設計低頻小信號放大電路。

2 低頻小信號放大電路分析
    圖1為低頻小信號共射放大電路。其中,us是低頻交流小信號電壓源;+UCC為直流電壓源。用疊加定理分析研究電路時,首先使各個電源單獨作用。+UCC電壓源單獨作用,則us不作用短路;若us電壓源單獨作用,則+UCC不作用短路;其次,+UCC,us電壓源各單獨作用的電壓、電流相疊加。

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2.1 +UCC電壓源單獨作用
    由于電容對直流開路,+UCC電壓源單獨作用可得圖2所示的直流通路。由此可以計算靜態(直流)工作點基極電流IB為:
    a.JPG
    式中:硅管的UBE取0.7 V;鍺管的UBE取0.3 V,靜態工作點的集電極電流IC:
    a1.jpg
    式中:β為共射電路電流放大倍數。靜態工作點的集電極輸出回路電壓UCE:
    a2.jpg


2.2 us電壓源單獨作用
    由于電容容抗很小(可忽略),因此電容對交流短路,+UCC電壓源不作用短路,又由于半導體晶體管是非線性元件,管子的工作信號為交流低頻小信號,即曲線小范圍可近似直線(線性),故半導體晶體管非線性元件可近似為線性元件。其基極b和發射極e間可以用線性電阻rbe代替,它反映了低頻小信號時輸入回路電壓與電流間的關系,rbe稱晶體管的輸入電阻。rbe在低頻小信號時,可用計算為。
    c.JPG
    由上式可知,rbe與直流電流有關,選擇不同靜態工作點可改變rbe,rbe一般為幾百到幾千歐。集電極c和發射極e間可用線性授控源βiB(為電流放大倍數)代替,可得圖3微變等效電路。從圖3可知,ui=ube,并可計算交流基極電流ib:
 

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2.3 +UCC電壓源和us電壓源共同作用
    +UCC電壓源和us電壓源共同作用,只需要將+UCC電壓源單獨作用和us電壓源單獨作用時電壓、電流疊加。設ui=Uimsinωt得到圖4所示電壓、電流的波形圖。其中,大寫字母為+UCC電壓源作用直流量,小寫字母為us電壓源作用交流量,小、大寫字母混合為+UCC,us電壓源共同作用瞬時量。
  
    在輸入和輸出回路中,由于電容C1,C2的作用,只有us電壓源作用的交流量ui,uo。從圖4可知,ui,uo。兩信號相位差180°,即反相。從圖4中可以清晰看到的低頻小信號放大電路交流信號疊加在直流信號上。由于半導體晶體管只有工作在線性區才能保證輸入信號ui不失真放大(轉換)為uo信號,因此直流量必須選擇的合適。如果直流選擇的不合適,會出現如圖5所示的電壓、電流失真。其中,圖5(a)是基極電流iB與基極電壓uBE之間的關系曲線,即輸入特性曲線。

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    從圖5(a)可知,基極電流直流IB太小也出現交流ib波形負半周失真。
    圖5(b)是集電極電流iC與集電極電壓uCE之間的關系曲線,即輸出特性曲線。從圖5(b)可知,集電極電流的直流IC太小,會出現交流iC波形負半周失真及交流uce波形正半周失真。從圖5(c)可知,集電極電流的直流IC太大,會出現交流iC波形正半周失真及交流uce波形負半周失真。
    由上述分析可知,在設計電路時應滿足下列條件,即直流基極電流IB>交流基極電流峰值Ibm;直流集電極電流IC>Icm+Iceo(Icm為交流集電極電流峰值,Iceo為集電極與發射極間穿透電流);UCE>Ucem+Uces(Ucem為交流集電極電流峰值,Uces為集電極與發射極間飽和壓降)。實際電路中在不失真放大輸入信號的前題下,直流量應盡可能小,以減小其電路功耗。
    管子極限值選擇:
    (1)集電極最大允許電流ICM>Icm+IC;
    (2)集電極與發射極間的擊穿電壓U(BR)ceo>+UCC;
    (3)集電極最大耗散功率PCM>UCE IC。
    電流放大倍數β的選擇:β值一般選20~100之間,β值太小,電流放大能力差;β值太大,會使工作穩定性變差。

3 結語
    嚴格講,疊加定理分析電路中各個電源能獨立正常工作,不依賴其他電源,但半導體晶體管是非線性元件,必須工作在線性區,而且必須有合適的直流,即電路中交流正常工作依賴于直流,也就是交流us電壓源單獨作用是建立在直流+UCC電壓源上的。在分析交流us電壓源在電路中單獨作用時,電路的直流是合適的,半導體晶體管作為線性元件分析。用疊加定理分析和設計低頻小信號放大電路要抓住主要問題,忽略次要問題,以便使分析電路的思路更清楚,更容易理解、接受,設計電路更簡單、方便、實用。
 

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