器件參數(shù)對(duì)單管共射放大電路動(dòng)態(tài)范圍的影響

鄭江云，唐　飛

(安慶師范大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133)

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器件參數(shù)對(duì)單管共射放大電路動(dòng)態(tài)范圍的影響

鄭江云，唐飛

(安慶師范大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院，安徽 安慶 246133)

摘要：最大輸出幅度是放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)之一，它的大小由電路參數(shù)決定。本文以幾個(gè)典型的放大電路為例，深入探討了使放大電路輸出幅度達(dá)到最大的條件、器件參數(shù)間應(yīng)該滿足的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本一致，這表明本文理論分析是正確的，它可以作為設(shè)計(jì)低頻放大電路的參考。

關(guān)鍵詞：放大電路；最大輸出幅度；圖解法；器件參數(shù)

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.007

放大電路的最大輸出幅度是指在輸出波形沒(méi)有明顯失真的情況下，放大電路能夠輸出的最大電壓，它的大小與器件參數(shù)設(shè)置有關(guān)，但不同形式的放大電路，兩者之間的關(guān)系是不同的。相關(guān)教材沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行定量計(jì)算和說(shuō)明，本文介紹幾種典型放大電路的最大輸出幅度大小與器件參數(shù)間的關(guān)系，為分析和設(shè)計(jì)模擬放大電路提供指導(dǎo)。

1阻容耦合單管共射放大電路

阻容耦合單管共射放大電路如圖1所示，一般教材[1-2]都對(duì)該電路的最大輸出幅度用圖解法做了詳細(xì)的介紹，圖解法如圖2所示，首先畫(huà)出直流負(fù)載線，直流負(fù)載線由(1)式?jīng)Q定，由計(jì)算得到的IBQ確定直流負(fù)載線與三極管輸出特性曲線的交點(diǎn)，即靜態(tài)工作點(diǎn)，如圖2中的Q點(diǎn)。

uC=VCC-iCRC

(1)

圖1　阻容耦合單管共射放大電路圖

圖2　圖解法估算最大輸出幅度

2有旁路電容的分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路

有旁路電容的分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路如圖3所示，此圖和圖1的一個(gè)重要區(qū)別是三極管的發(fā)射極接了電阻RE，雖然它旁邊并了旁路電容CE，使得RE對(duì)交流分析過(guò)程沒(méi)有影響，但它有直流電壓，這也會(huì)影響其最大輸出幅度的大小，因?yàn)榻涣餍盘?hào)疊加在直流信號(hào)之上，而總的電壓值受到電源電壓大小的限制。用圖解法分析時(shí)，它與圖2有所不同，該電路的圖解法如圖4所示，橫坐標(biāo)直接用uc而不是uce作為輸出，因?yàn)檩敵鍪羌姌O對(duì)地的電壓，而三極管發(fā)射極的直流電壓不等于零。

圖3 有旁路電容的分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路圖4 圖3的圖解法

圖3所示電路的直流負(fù)載線由(2)式確定：

uC=VCC-iC(RE+RC)

(2)

(3)

由上面的分析可知：要想得到電路各參數(shù)之間的關(guān)系，關(guān)鍵是如何求解△ICm。教材上一般都是將直流和交流分開(kāi)討論[3]，但因?yàn)椤鱅Cm表示電路能夠輸出的最大交流變化量，就必須將交直流一起考慮。三極管的集電極交流電流△ICm是由RC、RL分流，因?yàn)閳D3中RC、RL相等，所以流過(guò)集電極電阻RC的最大交流變化量為0.5△ICm，RC上的電流應(yīng)該為直流和交流電流的和，即

iRC=ICQ+0.5△ICm。

而三極管的發(fā)射極電阻RE只有直流分量，即iE≈ICQ。另外，三極管集電極電流最大的時(shí)候，一定是管子處于飽和狀態(tài)，即UCE=UCES,這樣在隔直電容C2的左端，運(yùn)用基爾霍夫電壓定律得到

VCC=(ICQ+0.5△ICm)RC+UCES+ICQRE

(4)

由(4)式和已得到的ICQ就可以計(jì)算△ICm值。

由前面的分析可知：要使輸出電壓最大，應(yīng)該是ICQ=△ICm，結(jié)合(3)、(4)式，得到電路各參數(shù)間的關(guān)系應(yīng)該滿足

(5)

要使圖3的輸出幅度最大，根據(jù)(5)式及圖3中已知的電路參數(shù)，計(jì)算得RB2=71kΩ，如果RB2>71kΩ，ICQ減小，△ICm增大，最大輸出幅度由ICQ決定，即圖4中的DE段，隨著輸出的增大，會(huì)先出現(xiàn)頂部失真；反之，如果RB2<71kΩ，ICQ增大，△ICm減小，最大輸出幅度由△ICm決定，即圖4中的CD段，輸出先出現(xiàn)底部失真。為了進(jìn)行比較，表1列出了幾個(gè)不同的RB2值，并分別給出了最大輸出幅度的理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每行的斜體數(shù)字表示電路能夠輸出最大幅度的實(shí)際值，由表1可知，只有RB2=71KΩ時(shí)，輸出幅度達(dá)到最大，為2.4V。

表1　對(duì)于不同RB2值，圖3所示電路最大輸出幅度的理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3無(wú)旁路電容的分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路

無(wú)旁路電容的分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路如圖5所示，與圖3的區(qū)別是發(fā)射極電阻RE沒(méi)有并接旁路電容CE，這樣RE對(duì)交直流信號(hào)都有影響，雖然圖解法的形式與圖4相同，但表達(dá)式不同。

圖5無(wú)旁路電容的分壓式靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路

圖5所示電路的直流負(fù)載線與圖3相同，仍然由(2)式確定，同樣，要使輸出幅度最大，就要使ICQ=△ICm，ICQ也由(3)式?jīng)Q定，但△ICm的求法與圖3不同。圖3中的發(fā)射極電阻RE只流過(guò)直流電流，而圖5中的RE既有直流偏置，又有交流信號(hào)，由圖3的分析可知，流過(guò)RL最大的交流變化量為0.5△ICm；但流過(guò)RE上的交流電流與圖3不同，圖3中RE上的交流電流等于零，圖5中RE上最大的交流電流等于△ICm，所以(4)式在這里應(yīng)該改為

VCC=(ICQ+0.5△ICm)·RC+UCES+

(ICQ+△ICm)·RE

(6)

要使輸出幅度最大，結(jié)合(2)、(6)式，得到電路各參數(shù)間的關(guān)系應(yīng)該滿足

(7)

要使圖5的輸出幅度最大，根據(jù)(7)式，RB2=85kΩ，如果RB2>85kΩ，ICQ減小，△ICm增大，最大輸出幅度由ICQ決定，反之，如果RB2<85kΩ，ICQ增大，△ICm減小，最大輸出幅度由△ICm決定。表2列出了幾個(gè)不同的RB2值所對(duì)應(yīng)的最大輸出幅度的理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表2中每行的斜體數(shù)字表示在該種情況下，圖5所示電路最大輸出信號(hào)的實(shí)際值，由表2可知，只有RB2=85kΩ時(shí)，輸出幅度達(dá)到最大，為2.4V。

表2　對(duì)于不同RB2值，圖5所示電路最大輸出幅度的理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4小結(jié)

本文從理論上詳細(xì)分析了幾個(gè)典型放大電路的參數(shù)與其最大動(dòng)態(tài)范圍之間的關(guān)系，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。本文給出的各電路參數(shù)之間的定量關(guān)系，可以為選取放大電路參數(shù)時(shí)提供理論參考，特別是對(duì)于設(shè)計(jì)需要?jiǎng)討B(tài)范圍寬的放大電路，有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 華成英,童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006：88-94.

[2] 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M].3版.北京:高等教育出版社,2006：48-55.

[3] 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].3版.北京:高等教育出版社,1996:62-73.

Study the Effect of Device Parameters on the Dynamic Range of Common Emitter Amplifier

ZHENG Jiang-yun，TANG Fei

(School of Physics and Electronic Engineering, Anqing Normal University, Anqing, Anhui 246133,China)

Abstract:The maximum output amplitude is one of the main characters of the amplifier. In this paper, we have studied the condition of achieving the maximum dynamic range, and the relationship between the device parameters and maximum output amplitude. The experimental results are in agreement with the theoretical value, which shows that the theoretical analysis is correct, and it can be used as reference for design of low frequency amplifier.

Key words:amplifier; maximum output amplitude; graphical method; device parameter

* 收稿日期：2015-09-08

作者簡(jiǎn)介：鄭江云，女，安徽懷寧人，碩士，安慶師范大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)與圖像評(píng)價(jià)。 E-mail: 18956904638@126.com

中圖分類號(hào)：TN722

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-4260(2016)02-0022-04

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-08 12:57網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.007.html