分立元件放大電路的綜合分析流程與教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

熊蘭 唐治德 楊子康 申利平 周靜

[摘 要] 分立放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置與交流信號(hào)的放大性能指標(biāo)分析是模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的難點(diǎn)與重點(diǎn)之一?？偨Y(jié)多年的模擬電子技術(shù)課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，繪制了放大電路綜合分析流程框圖，便于理清BJT與FET等有源元件的特性曲線和交直流等效模型與參數(shù)、放大電路的直流與小信號(hào)等效電路以及相互聯(lián)系。同時(shí)，結(jié)合各等效電路的計(jì)算、圖解法分析以及軟件仿真數(shù)據(jù)，可綜合完成對(duì)多種分立放大電路的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)指標(biāo)的分析計(jì)算。

[關(guān)鍵詞] 靜態(tài)分析;等效模型;小信號(hào);圖解法;仿真

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）41-0

半導(dǎo)體器件及組成的模擬電路及其性能參數(shù)種類繁多，功能設(shè)計(jì)靈活多變，分析和設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性;因此，模擬電子技術(shù)課程的初學(xué)者往往感到這門課程很難學(xué)，稱其為“魔電”[1]。

模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)較多，在放大電路中直流偏置與交流信號(hào)傳遞的作用和相互影響為其中之一，本文僅對(duì)如何講授與處理此內(nèi)容談點(diǎn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

一、分立元件放大電路的分析流程圖

放大電路是最基本的模擬電路，即對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理，它是構(gòu)成各種功能模擬電路的基本電路。圖1a為模擬放大電路的組成簡(jiǎn)圖。在分析放大電路時(shí)，為簡(jiǎn)化分析，一般用正弦波表示輸入的模擬信號(hào)。電路中的直流電源和偏置電路用于保證有源元件BJT或者FET（場(chǎng)效應(yīng)管）處于放大區(qū)工作，同時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合適，以保證能對(duì)輸入的交流信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。放大電路中的直流電源以及交流信號(hào)源（輸入信號(hào)vi）共同作用、相互影響，有必要展開對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)Q的計(jì)算與動(dòng)態(tài)性能的分析。由于二者相對(duì)獨(dú)立又相互影響，學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)最容易混淆，難以對(duì)BJT、FET單極三種組態(tài)電路進(jìn)行分析與計(jì)算，進(jìn)而影響到對(duì)集成電路中多級(jí)電路的分析。

對(duì)于放大電路的小信號(hào)分析與計(jì)算，常采用分別建模與計(jì)算的方式，即在直流等效電路中計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，在交流等效電路中計(jì)算動(dòng)態(tài)參數(shù)。因此，本人建立了放大電路的分析流程框圖（圖1b）。分析流程圖直觀且具有通用性，基本理清了BJT與FET放大電路的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析的相互聯(lián)系，也有利于學(xué)生掌握電路等效模型的建立方法。

從圖1b可知，分析放大電路之前，首先要了解有源元件BJT、FET的輸入/輸出特性曲線，由此分別獲得元件的直流電路模型和小信號(hào)等效模型。這里提供共射極組態(tài)BJT的輸入與輸出特性曲線[2]如圖2b和圖2c。BJT在放大區(qū)的直流模型和低頻小信號(hào)模型分別如圖3a和圖3b。

圖3b中，r■=r■+β■，反映了小信號(hào)模型參數(shù)受到靜態(tài)參數(shù)ICQ的制約，即靜態(tài)工作點(diǎn)的位置改變著BJT以及放大電路的動(dòng)態(tài)特性。

同理，繪制共源極組態(tài)N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移與輸出特性曲線如圖4a和圖4b。

MOSFET在放大區(qū)的直流模型和低頻小信號(hào)模型分別如圖5a和圖5b。

在圖5a中，I■=K■（V■-V■）■，或者I■=I■■-1■[3]，反映VGSQ對(duì)電流IDQ的控制作用，呼應(yīng)了圖4a中飽和區(qū)的每一條特性曲線的IDQ值基本不變，與VGSQ密切相關(guān)。

圖5b中，小信號(hào)模型參數(shù)之一，ro是反映early效應(yīng)的參數(shù)，ro=λI■■，g■=2■=2K■（V■-V■），? 也受到靜態(tài)工作點(diǎn)IDQ的影響。

小信號(hào)模型參數(shù)之二，跨導(dǎo)可見，gm的值與Q點(diǎn)的位置（VGSQ）密切關(guān)聯(lián)，VGSQ越大，gm越大，呼應(yīng)了圖4a中飽和區(qū)的特性曲線簇越往上越稀疏的特點(diǎn)。

二、多種分析方法的綜合應(yīng)用

在分析小信號(hào)放大電路時(shí)，必須將非線性器件BJT和MOSFET做線性化處理，從而簡(jiǎn)化放大電路的分析和設(shè)計(jì)。以雙極型三極管共射極放大電路為例，結(jié)合圖1b所示的電路分析框圖進(jìn)行分析。

第一步是靜態(tài)分析。對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)Q的計(jì)算在直流通路中進(jìn)行。當(dāng)三極管的發(fā)射極正偏時(shí)，將BJT用直流恒壓降模型（圖3a）近似處理（VBE=0.7V）。假設(shè)BJT工作在放大區(qū)，有ICQ=βIBQ;再列寫兩個(gè)KVL方程式，求解靜態(tài)工作點(diǎn)Q（IBQ、ICQ、VCEQ）;通過數(shù)據(jù)VCEQ>VBE。驗(yàn)證BJT的確工作在放大區(qū)，才繼續(xù)下一個(gè)分析步驟。如果BJT工作在飽和區(qū)，則不必要開展后續(xù)對(duì)于交流信號(hào)放大性能的分析。

第二步是動(dòng)態(tài)分析。由上一步的靜態(tài)參數(shù)ICQ計(jì)算小信號(hào)參數(shù)rbe值。畫出放大電路的交流通路，將BJT替換為圖3b所示的小信號(hào)模型，從而獲得小信號(hào)等效電路，進(jìn)而求解放大電路的放大倍數(shù)、輸入阻抗和輸出阻抗等動(dòng)態(tài)參數(shù)。

最后是合并前兩步取得的數(shù)據(jù)，得到完整解，驗(yàn)證電路實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)基礎(chǔ)上對(duì)小信號(hào)的傳遞與放大。

在計(jì)算過程中，也可以結(jié)合圖解法，更加直觀地展現(xiàn)Q點(diǎn)的設(shè)置以及Q點(diǎn)附近小信號(hào)的傳遞過程與規(guī)律性。實(shí)際上，在圖2b輸入特性曲線上繪制直流負(fù)載線，負(fù)載線的表達(dá)式就是步驟一列寫的方程之一，由此得到IBQ值。而在圖2c輸出特性曲線上繪制直流負(fù)載線，此負(fù)載線的表達(dá)式就是步驟一列寫的另一個(gè)方程，從而得到ICQ、VCEQ值，也就確定了Q點(diǎn)的位置。再繪制交流負(fù)載線，分析小信號(hào)的輸入與輸出關(guān)系?？梢姡?jì)算與圖解同步進(jìn)行，給學(xué)生的印象更深刻。

進(jìn)一步，結(jié)合Multisim仿真，利用其直流工作點(diǎn)分析（DC Operating Point Analysis）功能測(cè)量各點(diǎn)或者各器件的直流電壓、電流值，與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。再通過示波器顯示功能，展示電路中各點(diǎn)電位或者各器件的電壓波形，與第三步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

三、結(jié)語(yǔ)

模擬電子電路中的有源元件有多種類型的BJT、FET等，均為非線性元件。對(duì)于小信號(hào)放大電路，均可將非線性元件進(jìn)行線性化處理，得到直流模型和小信號(hào)等效電路模型，進(jìn)而采用圖1b所示的分析流程框圖逐步開展靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析以及綜合分析。教師在講授過程中幫助學(xué)生理清BJT與FET器件的特性曲線和交直流等效模型與參數(shù)、放大電路的直流與小信號(hào)等效電路以及相互聯(lián)系，并結(jié)合各等效電路的計(jì)算、圖解法分析以及軟件仿真數(shù)據(jù)開展計(jì)算與討論，使課堂教學(xué)的內(nèi)容與形式更加豐富、完善。

參考文獻(xiàn)

[1]劉蕓，陸洪毅，王學(xué)慧.淺談模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)難點(diǎn)及教學(xué)策略[J].大學(xué)教育，2015（1）：120-122.

[2]唐治德，申利平.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[3]Donald A.Neamen，Microelectronics Circuit Analysis and Design，The McGraw-Hill Companies，4th Ed.，2010.

309-03? ? [收稿日期] 2020-03-11