模擬放大電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論與圖解法解析

摘要：從影響放大電路性能的幾個(gè)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(guò)程中出現(xiàn)的一些似乎無(wú)法解釋或跟理論相悖的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，較直觀(guān)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

0 引言
    《模擬電路技術(shù)實(shí)驗(yàn)》是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，是對(duì)模擬電子技術(shù)理論知識(shí)的重要補(bǔ)充。電壓放大電路是模擬電子技術(shù)這門(mén)課程的重要的基本的內(nèi)容，貫穿于整個(gè)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(jí)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(dòng)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)。對(duì)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(hào)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(guò)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(duì)放大性能的影響；負(fù)載電阻的阻值的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大性能的影響；單級(jí)放大電路的級(jí)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(gè)主要因素入手，對(duì)放大電路實(shí)驗(yàn)中常出現(xiàn)的、學(xué)生覺(jué)得無(wú)法解釋或與理論似乎又相悖的問(wèn)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(duì)放大電路性能的影響
    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(xiàn)，理論上可通過(guò)凋節(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(guò)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(duì)放大電路性能的影響。

    在電壓放大電路中既存在直流信號(hào)又存存交流信號(hào)，即既存在靜態(tài)工作點(diǎn)又存在動(dòng)態(tài)的交流信號(hào)，且直流信號(hào)為放大動(dòng)態(tài)的交流信號(hào)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(hào)，而交流信號(hào)在放大電路中的流動(dòng)必須建立在靜態(tài)的基礎(chǔ)上。由此可知：靜態(tài)工作點(diǎn)的改變必定對(duì)放大電路的性能產(chǎn)生影響。
    首先分析調(diào)節(jié)Rb2時(shí)，靜態(tài)工作點(diǎn)的移動(dòng)。由于，且VCC、Rc不變，即直流負(fù)載線(xiàn)不變，則當(dāng)Rb2增大時(shí)，Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線(xiàn)下移，如圖1(b)中的Q1點(diǎn)；當(dāng)Rb2減小時(shí)，Q點(diǎn)沿直流負(fù)載線(xiàn)上移，如圖1(b)中Q2點(diǎn)。
    再通過(guò)理論分析叮得動(dòng)態(tài)參數(shù)，電壓放大倍數(shù)及輸入電阻：
   
    從式(1)表面無(wú)法看出Rb2的調(diào)節(jié)對(duì)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(shí)，共射極放大電路的電壓放大倍數(shù)在改變。對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的改變必定對(duì)放大電路的性能產(chǎn)生影響的解析如下所述。
    其理論解析如下：
   
    由此可知：當(dāng)Rb2增大時(shí)，Au減小，Ri增大；當(dāng)Rb2減小時(shí)，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(xiàn)不變，當(dāng)Rb2改變時(shí)，Q會(huì)沿直流負(fù)載線(xiàn)上下移動(dòng)。那么就產(chǎn)生Rb2增大，Q點(diǎn)下移時(shí)，Au下降，Ri增大；而Rb2減小，Q上移時(shí)，Au增大，Ri減小的疑問(wèn)。從圖1(b)所示共射放大電路的輸出特性曲線(xiàn)上可知，Rb2改變時(shí)直流負(fù)載線(xiàn)不變，交流負(fù)載線(xiàn)斜率不變，且為線(xiàn)性，在輸出信號(hào)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(xiàn)的線(xiàn)性及輸出不失真的條件，即使Q點(diǎn)移動(dòng)，Au，Ri也不應(yīng)發(fā)生變化。通過(guò)圖2所示圖解法對(duì)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(duì)于同樣大小的輸入信號(hào)，由于三極管輸入特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，使得當(dāng)Rb2增大時(shí)，Q下移，對(duì)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(shí)，Q上移，對(duì)應(yīng)的輸入ib增大，ic增大，Uo增大，Au隨之增大，Ri減小。
    不過(guò)，在此應(yīng)注意：當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)移動(dòng)至特性曲線(xiàn)近似線(xiàn)性的區(qū)域時(shí)，Au和Ri就幾乎不再發(fā)生改變，為一固定值。

2 負(fù)載對(duì)放大電路性能的影響
2．1 對(duì)Au的影響
    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(shí)，RL’增大，交流負(fù)載線(xiàn)變平坦，輸出的動(dòng)態(tài)范圍增大，即輸出信號(hào)增大，Au增大，如圖3所示。

2．2 對(duì)非線(xiàn)性失真的影響
    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(kāi)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(hào)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(shí)，Au增大，輸出信號(hào)增大，動(dòng)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(dòng)態(tài)輸出范圍的增大而產(chǎn)生失真現(xiàn)象。

    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(shí)，斷開(kāi)負(fù)載，交流負(fù)載線(xiàn)就與直流負(fù)載線(xiàn)重合。由于三極管特性的非線(xiàn)性，由圖4(a)可知，盡管輸出的動(dòng)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(shí)，同樣由于三極管特性的非線(xiàn)性，會(huì)出現(xiàn)同樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，只不過(guò)當(dāng)Q點(diǎn)靠近截止區(qū)時(shí)，出現(xiàn)的是頂部失真。

3 單級(jí)放大電路的級(jí)聯(lián)對(duì)放大電路性能的影響
    實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：首先單獨(dú)調(diào)整每級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，使得每級(jí)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(jí)聯(lián)兩級(jí)或多級(jí)放大電路，在輸入信號(hào)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(shí)出現(xiàn)的失真現(xiàn)象；②在降低輸入信號(hào)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頂部和底部失真并非同時(shí)消失。
    理論與圖解法解析：由于調(diào)整每級(jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)都處于放大區(qū)中心的過(guò)程中，每級(jí)放大電路的輸出都為最大不失真輸出，當(dāng)級(jí)聯(lián)后，用上級(jí)的輸出作為下級(jí)的輸入，勢(shì)必超出了下級(jí)的最大輸入信號(hào)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(hào)的幅度，便可達(dá)到預(yù)期的目的。

    在調(diào)整每級(jí)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(hào)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)頂部和底部失真并非同時(shí)消失的原因是：在調(diào)節(jié)前級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，下級(jí)電路是斷開(kāi)的，也就相當(dāng)于前級(jí)放大電路在空載的情況，但當(dāng)電路級(jí)聯(lián)后，相當(dāng)于帶上負(fù)載，此時(shí)前級(jí)放大電路的交流負(fù)載線(xiàn)與空載時(shí)不同，對(duì)于空載時(shí)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(xiàn)性，帶負(fù)載后，Q點(diǎn)會(huì)偏離放大區(qū)的中心(如圖5(b)所示)，因此，在降低輸入信號(hào)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)頂部和底部失真并非同時(shí)消失。

4 負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響
    負(fù)反饋的引入對(duì)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(hào)源信號(hào)的能力，可以拓展頻帶寬度和可以改善非線(xiàn)性失真等。這些性能通過(guò)實(shí)驗(yàn)都可以得到驗(yàn)證，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同樣也會(huì)出現(xiàn)讓人困惑的問(wèn)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(guān)察閉環(huán)放大電路的最大不失真輸出電壓時(shí)，出現(xiàn)①若此時(shí)將閉環(huán)開(kāi)路，失真又立即產(chǎn)生；②若此時(shí)斷開(kāi)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(jí)聯(lián)所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①相似，只不過(guò)在此是由于開(kāi)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(kāi)環(huán)后，由于放大能力的提高，輸出超出了最大不失真的動(dòng)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(shí)閉環(huán)放大電路的交流負(fù)載線(xiàn)與帶負(fù)載時(shí)不同，對(duì)于帶負(fù)載時(shí)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(xiàn)性，空載后，Q點(diǎn)會(huì)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(shí)會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。當(dāng)Q點(diǎn)偏離放大區(qū)域時(shí)的情況如圖4(a)所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    在模擬放大電路的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生難以理解或無(wú)法解釋的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，采用圖解分析法可以直觀(guān)、全面地對(duì)這些現(xiàn)象做深入透徹地解析，可很好地鞏固理論知識(shí)并提高動(dòng)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。