怎样判断怎样用多级放大电路路的Q点合适

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放大电路分析Q点的计算
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3秒自动关闭窗口Q的位置设置过高(此时UCEQ偏小)DD饱和失真;最大输出幅度是指输出波形没有明显失真的情况下,放;动态范围DD没有明显失真的情况下,放大电路的输出;将Q点设在放大区什么位置才合适,除了要避免Q点位;如果输出信号不大,为了降低VCC的能量消耗,在保;Q点位置十分重要;(4)三极管β的影响?调偏流的方法见图2-4-6;?Q点位置的判断;若UCEQ比较接近VCC
Q的位置设置过高(此时UCEQ偏小)DD饱和失真,其特点是输出电压的负半周被压缩。 Q的位置设置偏低(此时UCEQ较大)DD截止失真,其特点是输出电压的正半周被压缩。 Q点位置低时,iB会因uBE小于门坎电压出现失真,
?动态范围与最大输出幅度 最大输出幅度是指输出波形没有明显失真的情况下,放大电路所能输出的最大电压,常以有效值来表示。 动态范围DD没有明显失真的情况下,放大电路的输出电压范围。 将Q点设在放大区什么位置才合适,除了要避免Q点位置过高、过低外,还应考虑信号的动态范围。如果想得到尽可能大的不失真输出,应将Q点设在交流负载线在线性区的中点处,使Q点在不进入饱和区、截止区的前提下上下移动距离等长且最大。此时的输出电压即为放大电路的最大输出幅度。 如果输出信号不大,为了降低VCC的能量消耗,在保证不进入截止区和留出足够的动态范围后,一般要将Q点设得稍低一些。 2.
电路参数对Q点位置的影响 Q点位置十分重要。放大电路中各参数对Q点位置的影响? 能对静态工作点产生影响的电路参数有:Rb、RC、VCC、β (1) Rb的影响
(2) RC的影响
(3) VCC的影响 (4) 三极管β的影响 ?调偏流的方法 见图2-4-6 ?Q点位置的判断 若UCEQ比较接近VCC,则说明Q点位置太低,而若UCEQ较小(1~2V),则Q点偏高了。若UCEQ≈VCC,说明三极管已经截止。若UCEQ≈0.3~0.7V,则已饱和。 3. 消除非线性失真的方法 产生原因:Q点位置不合适;输入信号过大;电路的动态范围不够;管子线性太差。 2.6微变等效电路分析法 非线性电路分析困难,非线性电路→线性电路→分析计算简单DD常用的分析方法 前提:小信号放大 一、
三极管的小信号模型DD微变等效电路 在小信号工作的情况下,三极管的电压、电流变化量之间基本上是线性关系,所以可以用一个线性电路来代替三极管,只要这个替代电路的电压、电流变化关系与原来三极管相同,就可以认为它是三极管的等效电路。这样的线性电路称为三极管的微变等效电路。 1.
三极管的微变等效电路 将非线性器件线性化,前提是小信号工作。在图2-5-1(a)所示的三极管输入特性上,Q点附近基本上是一段直线,这段曲线长度越短,近似程度越好。所以可以认为△iB与△uBE成正比,这种比例关系可以用一个等效电阻rbe来表示,即
对于(b)图,可以近似认为各输出曲线均为水平线,且Q点附近β是一个常数(曲线等间距),则当iB有△iB时,iC中相应有△iC,△iC比△iB大β倍。这种电流控制关系可以用一个受控电流源来描述,在这个受控源中,控制量是△iB,被控制量是△iC,控制系数是β。即△iC=β△iB。由以上分析,可以得出三极管的简化微变等效电路,见图2-5-2。 采用简化微变等效电路所造成的误差很小,一般能满足工程实践的精度需要。 在小信号工作情况下,变化量(比如△iB,△uBE,)可以用交流分量瞬时值(比如,ube)代替,而输入为正弦波信号时,则在微变等效电路上标注电压电流的正弦相量(比如,)。 ?讨论: 1. 微变等效电路分析法不能用来求解直流问题。但其中各参数均与Q点有关,是Q点附近的参数。在用微变等效电路分析电路的交流指标时,电路必须建立合适的Q点,所以在用微变等效电路分析电路前,总要先明确电路的静态工作情况。 研究的是信号变化量(交流分量)之间的关系,等效电路中的各项参数均为交流时的等效参数, 2. 等效电路中的受控源是用来描述三极管内电流控制作用的,它具有从属性,其电流的大小和方向均取决于控制信号ib,三极管内部并没有电流源(三极管只能消耗和转换能源,不能放大或产生能源)。 3. 受控电流源的电流方向ic由基极交流电流ib决定,不能随意假定。 4. 微变等效电路分析法适用于小信号放大器的分析。 2.
rbe的估算公式
式中是三极管基区体电阻,UT是温度的电压当量,IE是静态电流值。对于低频小功率管,约为300Ω左右。对于高频小功率管,约为100Ω左右。
二、用微变等效电路分析共发射极放大电路 分析计算电压放大倍数输入电阻和输出电阻 将交流通路中的三极管用微变等效电路替换,就得到了放大电路的微变等效电路。 列出输出回路表达式 根据等效电路的输入回路可列出:
所以,电压放大倍数其中,
是三极管总的交流负载,式中负号则说明输出电压与输入反相。 是Rb和并联输入电阻本可按定义式(2-1-6)求出,从等效电路可以看出,输入电流后的总电流,所以
(2-5-4) 当,可近似为
根据输出电阻定义式(2-1-7),将负载电阻RL开路,令输入电压Ui=0,因ib=0,ic=0,所以输出电阻
(2-5-5) 说明:两种分析方法的对比 1)
图解法可以分析电路的静态工作情况,也可以对电路的动态工作过程分析,其优点是直观形象,利用图解法可以了解Q点位置是否合适、观察电路参数变化对Q点的影响,非线性失真产生原因及消除方法,判断最大不失真输出幅度等问题。 存在的问题是:1.由于三极管参数的离散性,各管子的特性曲线均不相同,手册上查到的特性曲线与所用管子特性有较大差别;2.存在作图误差、读数误差,且因人而异;3.稍复杂些的电路无法分析。 2)
微变等效电路分析法适用分析小信号工作的任何简单、复杂电路,前提是管子处于放大区。由于完成了非线性到线性电路的转化,所以等效电路法简单、方便。是广泛使用的分析方法。 等效电路法是针对变化量的,只能解决交流信号的计算问题,不能用来求解静态问题,也不能用来分析非线性失真和输出幅度。 两种分析方法各有自己的适用范围,在解决具体问题时,可以结合起来综合应用。 2.7
静态工作点的稳定问题 一、问题的提出 放大电路具有一个合适的Q点是重要的。而保证Q点的稳定性也是非常重要的。 现象:当温度变化时,电路的静态工作点随之而变。 影响:Q点位置不稳定时,会改变电路的工作状态,甚至产生失真。 原因:电源电压波动,电路参数变化,元器件老化等,但主要是三极管的参数(UBE,ICBO、β等)与环境温度有较大关系。 1.
UBE与温度的关系
T↑时,三极管的输入特性曲线将左移,即维持一定基极电流所需的UBE将减小,温度系数为-(2~2.5)mV/℃。 应用图解法分析Q点变化情况,如右图所示。基极回路直流负载线方程为:UBE=VCC-IBRb,温度升高时,Q点从Q1移到Q2的位置,基极电流IB有所增大。 2.
ICBO与温度的关系 三极管的ICBO是由少数载流子形成的,当T↑时,少子浓度增大,导致ICBO增大。因为穿透电流ICEO=(1+β)ICBO,所以ICEO也会增大。其规律大约是温度每升高10℃,ICEO增加一倍。 3.
β与温度的关系 T↑时,注入基区的载流子扩散速度加快,减少了在基区的复合数量,因而三极管的β增大。实验结果表明,温度每升高1℃,β增大0.5%~1%左右。 4.
归纳 根据 IC=βIB+ICEO,温度升高最终表现为三极管的静态工作电流ICQ将增大,Q点将沿直流负载线上移。这种Q点的移动可能导致因温度变化发生饱和或截止失真的问题。 二、射极偏置电路(分压式偏置电路) 欲使放大电路具有自动稳定Q点的能力,可以采用负反馈技术。图2-6-2所示电路就是一个常用的工作点稳定电路,图中与稳定Q点有关的元件是上、下偏置电阻Rb1、Rb2和发射极电阻Re。 Rb1、Rb2把电源电压VCC分压后为三极管基极提供一个直流电位。 Re用来检测集电极静态电流的变化。 1. 稳定原理 三极管的静态基极电位UBQ是由Rb1、Rb2对VCC分压后得到,与温度无关,是稳定的。 当ICQ随温度的升高而增大时,IEQ也相应地增大,IEQ在Re上的压降增大使得发射极电位UEQ升高,因UBQ固定,所以发射结电压UBEQ将降低(UBEQ=UBQ-UEQ),从而使IBQ减小,于是ICQ的增加被减小的IBQ所抑制,结果使静态工作点受温度的影响大为减弱,这就是稳定Q点的物理过程,其过程可表示如下:
其结果是ICQ的增长受到牵制,达到了稳定Q点的目的。这种利用IEQ在Re上的直流电压降反过来控制UBEQ的自动调节作用,属于直流电流负反馈。 ?Rb1、Rb2、Re的选取 为了兼顾温度稳定性和电源电压利用率,在电路设计时一般按UEQ=0.2Vcc或UBQ=(3~5)UBEQ来选定UB。按IR1≈IR2=(5~10)IBQ选取Rb1、Rb2和Re的阻值。
2. 静态和动态分析 静态分析: 可从估算UBQ开始,因为IR1≈IR2,且远大于IBQ,则有
注意:不能将UBEQ忽略不计。
动态分析: 由于Ce的容量较大,其容抗远小于Re,所以它对于交流信号相当于短路。故三极管发射极交流接地,显然
输入电阻为
输出电阻为
强调: 当三极管的β值发生变化时,射极偏置放大电路的静态工作点基本保持不变,这一优点说明了此种电路具有很强的自动调节ICQ的能力,这种能力来自于Re1、Re2形成的直流电流负反馈过程。 三、其它稳定工作点的放大电路 1. 集电极-基极偏置电路 说明电路的直流反馈过程。 说明: 此电路中处于输出回路的直流电压(UCEQ)可以经过Rb影响输入回路的直流电流(IBQ),输出回路的交流电压uce(uce=uo)同样可以通过Rb影响输入回路的交流电流。这前者是直流负反馈现象,后者则属于交流负反馈问题。 2.
利用温度补偿稳定Q点 原理:利用同样对温度变化敏感的元器件接入电路中,来削弱或抵消温度对Q点的影响。 见图2-6-8 这种方法需要精心筛选补偿元件,且不易在工作环境温度变化范围内实现全程补偿,在电子电路中一般作为辅助手段使用。 2.8 共集电极电路和共基极电路 一、共集电极放大电路 1.
电路组成 电路: 基极DD输入端 发射极DD输出端 集电极DD接交流地 特点: 电压放大倍数Au小于1,但约等于1,且同相放大;输入电阻较大,而输出电阻最小。由于这些特点,该电路又称为射极跟随器和射极输出器。 应用: 常用作多级放大电路的输入级,以提高整个电路的输入电阻; 常用于多级放大电路的输出级,以提高电路的带负载能力; 作为缓冲隔离级插在两级放大电路之间,利用它输入电阻大,输出电阻小的特点减弱后级对前一级的负载效应。 2.
静态与动态分析 (1) 求静态工作点 因电路简单,不需再画直流通路,直接列出计算公式:
(2)电压放大倍数 进行动态分析所需的交流通路和微变等效电路示于图2-7-2,由放大电路的微变等效电路可列出:
此式是正值,说明输出电压与输入同相。分母略大于分子,所以放大倍数小于1,约等于1。其原因是输入回路中有关系式:≈,电路的输出电压总是略小于输入电压。由于,输出电压随输入而变,故名射极跟随器。 (3)输入电阻 输入电阻可分解为Rb与Ri’的并联,即 其中根据输入电阻的定义和式(2-7-5)可得
所以输入电阻
(4)输出电阻
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模拟电路网络课件 第十节:图解分析法
来源:www.elecfans.co
作者:本站日 09:39
[导读] 模拟电路网络课件 第十节:图解分析法
3.3.1 静态工作情况分析
模拟电路网络课件 第十节:图解分析法
3.3.1 静态工作情况分析
放大电路的静态工作点的计算,可以用估算法估算,也可用图解法求解。
一、估算法
估算法的一般步骤如下:
1、画出放大电路的直流通路
2、根据基极回路求IB
3、由BJT的电流分配关系求IC
4、由集电极回路求VCE
下面以共射放大电路为例说明
&&&&&&&&&&&&&&
图(a)&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图(b)
1、画出图(a)所示放大电路的直流通路:
&&& 将如图所示共射放大电路中的电容开路, 可画出其直流通路如图(b)所示。
2、根据基极回路求IB&:
&&& 在图(b)所示的直流通路中有
&&&& 当 时,
3、由BJT的电流分配关系求IC&:&
4、由集电极回路求VCE&:
二、图解法分析静态工作点
图解法是依据BJT的输入特性、输出特性曲线,在已知电路各参数的情况下,通过作图来分析放大电路工作情况的一种工程处理方法。用图解法确定放大电路静态工作点的步骤如下:
(1)将图(a)所示放大电路分成线性和非线性两部分
非线性部分包括非线性器件--BJT和确定其偏流的VBB和Rb,线性电路部分包括VCC和Rc的串联电路。
(2)作出电路非线性部分的V-I 特性--BJT的输出特性
由于在本电路中BJT的偏流已由VBB及Rb所确定,即IB=VBB/Rb=12V/300kW=40mA,所以vCE和iC的关系就是对应于BJT输出特性上iB=IB=40mA的一条曲线即
(3)作出线性部分的V-I 特性----直流负载线
线性部分的电压、电流关系由下列方程所确定:
式(2)直线方程在输出特性中与横轴和纵轴分别相交于M(12V,0mA)和 N(0V,3mA)两点,其斜率为-1/Rc。直线MN称为直流负载线。
(4)由电路的线性与非线性两部分V-I 特性的交点确定Q点
电路的线性与非线性两部分构成一个电路整体,所以在图(b)中,只有直流负载线与V-I 特性的交点Q所对应的电流电压值,才能同时满足式(1)及式(2)。由图(b)可读出:IB=40mA,IC=1.5mA,VCE=6V& 
3.3.2 图解法分析动态
一、加正弦信号的情况
动态分析步骤如下:
(1)根据vi的波形在三极管输入特性曲线上求iB
(2)画出放大电路的交流能路,确定交流负载电阻。&&
(3)在输出特性曲线上作交流负载线,求iC及vCE的波形&&
(4)动态分析,确定动态输出电压范围。
下面以图1所示放大电路为例说明
(1)设放大电路输入一个正弦交流信号vi=Vimsinwt(Vim&VBE)。vi输入后,vBE=VBE+vi,iB= IB+ib。根据已求得的IB在输入特性曲线上找到Q点,并对应画出vBE和iB的波形图,如图3所示。
(2) 画出图1交流通路如图2所示。交流负载电阻是Rc和RL的并联值,用R&L表示,即
(3)在输出特性曲线上作交流负载线,求iC及vCE的波形
在图2的输出回路中,交流信号电压、电流的关系为vce= –iCR&L,这是一条直线,斜率为–1/R&L,称为交流负载线。交流负载线必然通过静态工作点Q。这样,在输出特性曲线上作出交流负载线,并可画出对应的iC和vCE的波形如图4所示。
(4)根据所画的iC和vCE的波形可确定动态输出电压范围如图4所示。
二、分析非线性失真
(一)、静态工作点不同的设置对放大电路动态工作的影响
在共射基本放大电路中,设负载电阻开路,当输入电压为正弦波时如:&
1、工作点Q点设置合适能实现线性放大 ;
2、工作点Q点设置偏高会产生饱和失真 ;
3、工作点Q点设置偏低会产生截止失真 。
图1(二)、输出电压最大不失真动态范围的确定
一、静态工作点不同的设置对放大电路动态工作的影响:
1、工作点Q点设置合适能实现线性放大 ;
共射基本放大电路中,设负载电阻开路,当输入电压为正弦波时,如工作点Q点设置合适,在输入信号幅值较小时,基极动态电流也为正弦波。iC与vCE将沿交流负载线变化。当iC增大时,vCE下降;当iC下降时,vCE上升。
2、工作点Q点设置偏高会产生饱和失真
若工作点Q点设置偏高,虽然基极动态电流ib为不失真的正弦波,但是由于在输入信号正半周,靠近峰值的某段时间内晶体管进入了饱和区,导致集电极动态电流iC产生顶部失真,集电极电阻Rc上的电压波形必然随之产生同样的失真。由于输出电压vo与Rc上电压的变化相位相反,从而导致vo波形产生底部失真,此种由于晶体管进入饱和区工作而产生的失真现象称为饱和失真。&
3、工作点Q点设置偏低会产生截止失真 。
若工作点Q点设置偏低,在输入信号负半周靠近峰值的某段时间内,晶体管b-e间电压总量vBE小于其导通电压(开启电压),BJT截止。因此基极电流ib将产生底部失真。集电极电流iC和集电极电阻Rc上电压的波形必然会随之产生同样的失真,从而导致vo波形产生顶部失真。这种由于BJT进入截止区工作而产生的失真称为截止失真。&
二、输出电压最大不失真动态范围的确定
应当指出,截止失真和饱和失真都是比较极端的情况。实际上,在输入信号的整个周期内,即使晶体管始终工作在放大区域,也会因为输入特性和输出特性的非线性而使输出波形产生失真,只不过当输入信号幅值较小时,这种失真非常小,可忽略不计而已。
如果将晶体管的特性理想化,即认为在管压降总量vCE最小值大于饱和管压降VCES(即管子不饱和),且基极电流总量iB的最小值大于0(即管子不截止)的情况下,非线性失真可忽略不计,那么就可以得出放大电路的最大不失真输出电压。对于共射极基本放大电路,从图解分析可得最大不失真输出电压的峰值,其方法是以VCE为中心,取"VCC--VCE"和"VCE--VCES"这两段距离中较小的数值。通常,最大不失真输出电压用有效值表示。为了使不失真输出电压尽可能大,应将Q点设置在放大区内交流负载线的中间部位。
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