新概念模拟电路——晶体管构建的放大电路动态分析【Fire Man】

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一、动态分析引入

通过之前两篇博文我们了解了三点知识。第一,学习晶体管的伏安特性和基本原理;第二,学会了晶体管具有4种工作状态,知道了静态的重要性,学会计算放大电路静态工作点,并能够准确判断晶体管在电路中的工作状态;第三,知道了输入信号如何耦合到放大电路中。但是，当有一个输入正弦波电压，其幅度为1mV，耦合到一个确定的放大电路中，它的输出电压幅度为多少？本次将带来放大电路的动态求解法。

（1）稳压管

稳压管是一种特殊的二极管，正向导通曲线与普通二极管相似，反向特性中，它具有稳定，明显的击穿曲线。它在正常使用中都工作在反向击穿状态。

U_Z 为在击穿电流为 I_Z 时测量得到的输出电压。U_ZO 是一个虚拟量，是指近似击穿曲线与横轴的一个交点电压

稳压管的正向区域可以表示为一个折线，以U_ZO 为分界点。函数关系如下：（r_Z 为动态电阻）

$$\{\begin{array}{ccc}{i}_Z=0,u_Z<U_{ZO}& & \\ i_Z=\frac{u_Z-u_{ZO}}{r_Z},u_Z>u_{ZO}& & \end{array}$$

（2）对稳压管进行动态分析

构建一下稳压二极管电路。（VG1为0）

稳压二极管的输入特性曲线（稳压二极管的等效电阻为185mΩ左右）

稳压二极管动态分析的方法：

所以稳压管电路的等效模型为：（将稳压二极管等效为一个电阻）

检验等效的正确性

VF1 为158.45mV，VF2为156.15mV，结果相近，成功把稳压二极管等效为一个电阻，10V直流电压在这里没有作用。

二、晶体管动态模型

（1）晶体管微变等效

晶体管的输入特性曲线如下，对其进行微变等效就可以近似为一个电阻。但是，图中Q1、Q2、Q0点的斜率都不一样所以要有等效电阻r_be 具有具体的计算公式。


体电阻可以在数据手册中查找。

I_BQ 直接影响 r_be 的求解所以没有静态工作点就没有I_BQ ，没有I_BQ 就没有r_be

（2）晶体管动态分析

三个重要指标放大倍数，输入电阻，输出电阻。

• 1）电压放大倍数
  电压放大倍数也叫做电压增益，用A_u 表示，也可以用G表示，无单位。当输入正弦波的峰峰值为u_i ，输出正弦波峰峰值为u_o 时，电压放大倍数为：
  $$A_u=\frac{u_o}{u_i}$$
  电压的放大倍数常用dB（分贝）表示，其定义为：
  $$A_u=20\ast log（\frac{u_o}{u_i}）(dB)$$
  
• 2）输入电阻
  从放大电路输入端看进去的等效的电阻，即输入信号电压的变化量与输入电流变化量的比值，显然也属于动态电阻。
  $$r_i=\frac{u_i}{i_i}$$
• 3）输出电阻
  输出电阻的计算方法如下：
  

（3）动态分析仿真分析

1）当输入为0时，计算静态工作点，I_BQ = 50uA，U_CEQ = 5V，处于放大状态。
2）改变VG1的输入为1.41425mV，频率为5000Hz。分别用万用表和示波器观察分析。

• 万用表
  VF1为1mV，VF2为90.5mV，放大倍数在90倍
  
  
• 示波器观察波形
  VF1为1.41mV，VF2为157mV，放大倍数为90.7 左右
  

三、模拟电路真实实验测量详解

实验测量中,要用到信号源、示波器、晶体管毫伏表、万用表等仪器,还有选择信号源频率、幅度等,因此,操作起来要远比理论分析法困难。但是,显然这种方法是最为可靠的。

（1）放大倍数的实际测量方法

放大倍数：
$$A_u=\frac{VF4}{VF2}=247.13$$
与实际基本吻合

（2）输入电阻的实际测量方法

在实际测量中可以通过以下方法测量：

• 在信号源后串接一个电阻，不断调节电阻的数值使得VF3的电压值为V1的一半，此时R5与输入电阻数值相等。
  
  此时输入电阻就为600Ω
  

（3）输出电阻的实际测量方法

当U_OL = 0.5U_∞ 是测量得到输出电阻约为916Ω