本篇继续整理模电,记录一下关于基本放大电路和差分放大器的知识。
在了解这一片内容之前,要先对三极管有一个必要的认识,也就是引入少许先验:三极管工作时,发射结正篇,集电结反偏。为了使得三极管达到这个状态来放大小信号,需要引入偏置电路:
这三个电路的意义在于将三极管“引入”工作状态,在这里我们将工作点(静态工作点)称为Q点(quiescent)。对这个点我们要计算的参数有基极电流$I_{BQ}$, 集电极电流$I_{CQ}$, 集电极电压$U_{CEQ}$ 。实际上到后面我们会发现,这也是分析放大电路的第一步,找出直流通路确定静态工作点。
从左到右第一种是固定偏流电路,我们可以直接把三极管的三个极看成三个电位,然后像图中虚线那样看,列写电路方程:
第二种是电流负反馈型偏置电路,通过在发射极放一个电阻来稳定工作点(负反馈调节),列写基极与发射极的回路方程:
其实可以等效为一个$(1+\beta)R_{E}$:
最后一个是分压式电流负反馈电路,这个推导要用到(一处我看不懂的)戴维南等效,但我们完全可以根据上面那两种平行记忆它:
将基极电流式子中的$U_{CC}$换成$U_{BB}$, 其中$U_{BB},R_B$由下式给出:
所以基极电流在这个电路中写作:
另外两式子与电流反馈型时的相同。
实际上我们现在就已经完成了对放大电路的静态分析,然后就是动态分析了。我们要明确一下,对于一个放大电路,我们做静态分析,画直流通路时,是将电容断路;画交流通路时,是将电容短路,并且将加的直流电源置0(一般是$U_{CC}$) 。我们以一个共射放大电路为例:
我们把参数的值赋上:
我们会发现,直流通路直接就是分压式电流负反馈的偏置电路:
看,我们就这样求解了静态工作点,那么对于交流通路,首先,它是一个放大器,就像之前的理想集成运放一样,我们也关注三个属性:放大倍数(也叫增益),输入电阻,输出电阻。然而三极管是个非线性元件,给分析带来了不便,所以我们采用小信号模型等效,我在这里整理一下小信号简化模型的结论,推导就略了:
后面的图我就直接从教材上截了,画的话太花时间了,着重理解一下指标的推法,那么刚才的电路经过小信号等效,就变成了:
我们下面一步步计算电压放大倍数$A_u$,它是输出电压与输入电压的比值,要记住等效前后哪根导线上的电流谁是谁,因为考试中的电路上不会帮忙标记,注意到这个$r_{ce}$它非常的大,可以被看成断路,所以:
注意到$I_c$绕行的方向,会导致系数带个负号。之后我们看输入电阻,输入电阻就是从输入端口看,电压与电流的比值:
而有时基极偏置电阻非常的大,可以近似为断路,此时$R_i\approx r_{be}$。
输出电压道理是一样的,此时将外电路电阻$R_L$开路,信号源$U_S$置零,那样受控源电流也为$0$:
然后……我们就分析完了,共射放大电路,然后我们再看书上的共集电极放大电路:
直流通路是我们熟悉的分压式负反馈电路,计算方法和上面一样,下面我们看交流指标:
注意由于电流变化发生的电阻等效,这种情况下的输出电阻有些复杂,容易画出它的等效电路是:
由于受控源,我们要先分析从发射极看进去的输出电阻,这样再与$R_E$并联,就得出来了。
对于共基极电路,情况比较抽象:
注意发射极和基极回路,我们得到:
然后输出电阻,很容易看出和共射放大器相同:
然后我们注意这个输入电阻,道理是一样的,我们像计算共集时的输出电阻时的方法一样,此时的$R_{i}^{‘}$为:
这三种放大电路各有各的特点,下面为了表达的简洁,记$R_{L}^{‘}=R_C//R_L$ 我们得到:
| 共射 | 共集 | 共基 | |
|---|---|---|---|
| 电压增益$A_u$ | $-\frac{\beta R_{L}^{‘}}{r_{be}}$ | $\frac{\left( 1+\beta \right) R_{L}^{‘}}{r_{be}+\left( 1+\beta \right) R_{L}^{‘}}$ | $\frac{\beta R_{L}^{‘}}{r_{be}}$ |
| 输入电阻$R_i$ | $r_{be}//R_B$ | $\left( r_{be}+\left( 1+\beta \right) R_{L}^{‘} \right) //R_B$ | $\frac{r_{be}}{1+\beta}//R_E$ |
| 输出电阻$R_o$ | $R_C$ | $\frac{R_s+r_{be}}{1+\beta}//R_E$ | $R_C$ |
| 特点 | 输出输入反相,作主放大器 | 跟随关系,作中间级 | 源电压增益小,但高频特性好。 |
然后是一种长尾式差分放大电路,它很重要,实际上它的精髓在于那个$R_E$。这种电路可以有效抑制零点漂移。这个电路可以进行双端输入和双端输出,首先,输入方式对它是无所谓的,因为不管怎么输入都可以被拆成一对共模信号和一对差模信号,再运用叠加定理。不会影响什么。输出方式可以从两个输出端输出(双端输出),也可以从单端接地输出(单端输出):
直流工作状态非常好分析,把输入电压置0。我们注意到其的对称性:
至于动态指标分析,这里直接给出结论,背下来算了,没时间了。
| 差模双端 | 差模单端 | 共模双端 | 共模单端 | |
|---|---|---|---|---|
| 增益 | $-\frac{\beta \left( R_C//\frac{R_L}{2} \right)}{r_{be}}$ | $\pm \frac{\beta \left( R_C//\frac{R_L}{2} \right)}{2r_{be}}$ | 0 | $-\frac{R_C}{2R_E}$ |
| 输入电阻 | $2r_{be}$ | $2r_{be}$ | $\frac{1}{2}\left[ r_{be}+\left( 1+\beta \right) 2R_E \right] $ | $\frac{1}{2}\left[ r_{be}+\left( 1+\beta \right) 2R_E \right] $ |
| 输出电阻 | $2R_C$ | $R_C$ | 0 | $R_C$ |