項目4

學習模擬電路的基本放大單元電路的仿真主要內(nèi)容

任務4.1共射極放大電路的仿真1

任務4.2多級放大電路的仿真2

任務4.3差分放大電路的仿真3

任務4.4放大電路中的負反饋4

任務4.5功率放大電路的仿真5任務4.1共射極放大電路的仿真晶體三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。從三個區(qū)引出相應的電極，分別為基極B（Base）、發(fā)射極E（Emitter）和集電極C（Collector）。三極管特性分析發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)叫集電結(jié)?；鶇^(qū)很薄，而發(fā)射區(qū)較厚，雜質(zhì)濃度大，PNP型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是空穴，其移動方向與電流方向一致，故發(fā)射極箭頭向里；NPN型三極管發(fā)射區(qū)“發(fā)射”的是自由電子，其移動方向與電流方向相反，故發(fā)射極箭頭向外。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導通方向。硅晶體三極管和鍺晶體三極管都有PNP型和NPN型兩種類型。任務4.1共射極放大電路的仿真三極管特性分析——工作狀態(tài)

截止狀態(tài)：在截止狀態(tài)下，三極管的基極和發(fā)射極之間的電壓低于某個閾值，導致基極-發(fā)射極之間的二極管處于反向偏置狀態(tài)，電流幾乎不流動；集電極和發(fā)射極之間的電流極小，可以忽略不計。即IB=0，IC=ICE≈0。在這種狀態(tài)下，三極管不對信號進行放大或控制。飽和狀態(tài)：在飽和狀態(tài)下，三極管的基極和發(fā)射極之間的電壓高于放大狀態(tài)所需的電壓，使得集電極和發(fā)射極之間也形成正向偏置二極管，電流達到最大值，即有：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。在這種狀態(tài)下，三極管無法再對輸入信號進行有效放大，因為它已經(jīng)盡可能地導通了，飽和狀態(tài)通常用于將三極管用作開關。任務4.1共射極放大電路的仿真三極管特性分析——伏安特性曲線IV特性曲線：伏安特性曲線圖常用縱坐標表示電流I、橫坐標表示電壓U，以此畫出的I-U圖像叫做導體的伏安特性曲線圖。伏安特性曲線是針對導體的，也就是耗電元件，圖像常被用來研究導體電阻的變化規(guī)律，是物理學常用的圖像法之一。電源伏安特性曲線與電阻伏安特性曲線交點的意義：對于某一定值電阻R，其電壓與電流成正比，即U=IR，在U-I直角坐標系中，其伏安特性曲線為一條過原點的直線，此直線與電源伏安特性曲線的交點表示了閉合電路的工作狀態(tài)。電源伏安特性曲線圖線面積的意義：在電源的伏安特性曲線上取一點，則該點的橫坐標表示干路中的電流，縱坐標表示電源的路端電壓；由該點分別向兩坐標軸作垂線，則此垂線與兩坐標軸所圍的面積表示電源的輸出功率。任務4.1共射極放大電路的仿真三極管特性分析——伏安特性曲線圖4-1IV法測三極管伏安特性的原理圖圖4-2IV分析儀4的仿真結(jié)果任務4.1共射極放大電路的仿真三極管特性分析——伏安特性曲線圖4-3IV分析儀5的仿真結(jié)果圖4-4IV分析儀6的仿真結(jié)果任務4.1共射極放大電路的仿真放大電路的組成及原理分析圖4-6共射極放大電路的電子電路圖圖4-5共射極基本放大電路任務4.1共射極放大電路的仿真放大電路應由放大器件、直流電源和偏置電路、輸入電路和輸出電路等幾部分組成。放大電路的組成及原理分析在構(gòu)成具體放大電路時，無論采用哪一種組態(tài)，都應遵從下列原則。保證三極管處于放大狀態(tài)，即發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。保證輸入信號能輸入到三極管輸入端。保證放大電路能輸出信號。任務4.1共射極放大電路的仿真放大電路的性能指標

電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)

圖4-7放大電路示意圖任務4.1共射極放大電路的仿真放大電路的性能指標輸入電阻輸出電阻圖4-7放大電路示意圖

任務4.1共射極放大電路的仿真放大電路的性能指標失真：失真是指放大器輸出信號與輸入信號之間的非線性差異。常見的失真類型包括諧波失真、交調(diào)失真等，它們會改變信號的波形和頻譜特性。功率效率：功率效率是指放大器將輸入功率轉(zhuǎn)換為輸出功率的效率。一個高效率的放大器會最大程度地減少功率損耗，并將大部分輸入功率轉(zhuǎn)化為有用的輸出信號。任務4.1共射極放大電路的仿真靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路

三種基本放大電路分析分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析，也稱為直流分析和交流分析。本仿真是基本共射放大電路，電路原理圖如圖4-8所示，晶體管是起放大作用的核心原件，輸入信號是正弦波電壓。任務4.1共射極放大電路的仿真靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路圖4-8基本共發(fā)射極放大電路任務4.1共射極放大電路的仿真靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路設置靜態(tài)工作點的目的是要保證在被放大的交流信號加入電路時，不論是正半周還是負半周都能滿足發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置的三極管放大狀態(tài)。靜態(tài)工作點的表達式：

任務4.1共射極放大電路的仿真靜態(tài)工作點的穩(wěn)定及其偏置電路圖4-9仿真結(jié)果任務4.2多級放大電路的仿真在實際工作中，單極放大電路的放大倍數(shù)有時不能滿足需要。為了放大非常微弱的信號，需要把若干個基本放大電路連接起來，組成多級放大電路，以獲得更高的放大倍數(shù)和功率輸出。輸入級與中間級的主要作用是實現(xiàn)電壓放大，輸出級的主要作用是功率放大，以推動負載工作。圖4-10多級放大電路結(jié)構(gòu)框圖任務4.2多級放大電路的仿真圖4-11直接耦合放大電路原理圖圖4-12直接耦合放大電路仿真結(jié)果多級放大電路的耦合方式——直接耦合方式將前一級的輸出端直接連接到后一級的輸入端，稱為直接耦合。這種直接耦合放大電路，其特點是為保證有合適的直流工作點，第2級發(fā)射極加一電阻，因而不僅放大倍數(shù)會受影響，當級數(shù)增多后會使輸出電壓大大抬高。任務4.2多級放大電路的仿真圖4-13阻容耦合放大電路原理圖4-14阻容耦合放大電路仿真結(jié)果多級放大電路的耦合方式——阻容耦合方式將放大器的前級輸出端通過電容接到后級輸入端，稱為阻容耦合方式。阻容耦合兩級放大電路，兩級之間用電容隔開，直流工作點互不影響，交流信號又能順利傳輸，缺點是不能放大直流信號。任務4.2多級放大電路的仿真圖4-15加負反饋的阻容耦合放大電路圖4-16加負反饋的阻容耦合放大電路仿真結(jié)果多級放大電路的耦合方式——阻容耦合方式在多級放大電路中，隨著級數(shù)的增多，信號幅度越來越大，因晶體管特性曲線的非線性引起的失真也就越來越嚴重，通常加負反饋來減小失真。任務4.2多級放大電路的仿真多級放大電路的耦合方式——變壓器耦合方式將放大電路前級的輸出端通過變壓器接到后級的輸入端或負載電阻上，這種方式稱為變壓器耦合方式。變壓器耦合方式主要用于功率放大電路，它的優(yōu)點是：可變化電壓和實現(xiàn)阻抗變換，靜態(tài)工作點相對獨立；可以通過改變變壓器的變比，使前后級之間獲得最佳的匹配而得到最大的功率傳輸。它的缺點是：體積大，工藝復雜，不利于電路集成化；頻率特性差；不能傳輸直流信號。這種方式一般應用于高頻電路中。任務4.2多級放大電路的仿真多級放大電路的分析方式分析多級放大電路的基本方法是：化多級電路為單極，然后再逐級求解?；舛嗉夒娐窌r要注意，后一級電路的輸入電阻ri(n+1)作為前一級電路的負載電阻RLn；或者，將前一級輸出電阻ro(n-1)作為后一級電路的信號源內(nèi)阻RSn。

式中：Av1，Av2，…，Avn分別為多級放大電路中各級的電壓放大倍數(shù)。多級放大電路的輸入電阻就是第一級放大電路的輸入電阻，其輸出電阻就是最后一級放大電路的輸出電阻。電壓放大倍數(shù)輸入電阻和輸出電阻任務4.3差分放大電路的仿真差分放大電路是一種常見的電路拓撲，用于放大兩個輸入信號之間的差異。差分放大電路是一種非常實用的放大電路，電路通常由兩個輸入端和一個輸出端組成，同時也是構(gòu)成多級直接耦合放大電路的基本單元電路。圖4-17差分放大電路原理圖任務4.3差分放大電路的仿真差模和共模信號當V1和V2所加信號為大小相等極性相同的輸入信號（稱為共模信號）時，由于電路參數(shù)對稱，Q1管和Q2管所產(chǎn)生的電流變化相等，即

任務4.3差分放大電路的仿真差模和共模信號圖4-18仿真結(jié)果任務4.3差分放大電路的仿真長尾式差分放大電路圖4-19長尾式差分放大電路原理圖任務4.3差分放大電路的仿真長尾式差分放大電路

任務4.3差分放大電路的仿真長尾式差分放大電路圖4-20仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的基本概念圖4-21反饋放大電路框圖反饋是指將放大電路輸出信號（電壓或電流）的一部分或全部，通過某種電路上的聯(lián)系引回到輸入端，與原有的輸入信號進行疊加，形成新的輸入信號，進而改變放大電路輸出信號的過程。任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的基本概念基本放大電路的開環(huán)倍數(shù)反饋網(wǎng)絡的反饋系數(shù)負反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)負反饋放大電路放大倍數(shù)的一般表達式

任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響反饋放大電路樣端電壓取樣電流取樣比較端電壓比較電流比較任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電壓串聯(lián)負反饋電路若從輸出電壓取樣，通過反饋網(wǎng)絡得到反饋電壓，然后與輸入電壓相比較，則稱電路中引入了電壓串聯(lián)負反饋。圖4-22電壓串聯(lián)負反饋電路原理圖

反饋電壓任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電壓串聯(lián)負反饋電路只有認為集成運放同相輸入端和反相輸入端的電流ip、iN趨于零（稱為“虛斷路”）才能忽略ui對反饋網(wǎng)絡的作用；只有認為集成運放同相輸入端和反向輸入端的電位近似相等（稱為“虛短路”），才能忽略凈輸入電壓，使ui≈uF。

輸出電壓任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電壓串聯(lián)負反饋電路圖4-23仿真結(jié)果示波器仿真結(jié)果波特圖儀仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電壓并聯(lián)負反饋電路在放大電路中，當輸入信號為恒流源或近似恒流源時，若反饋信號取自輸出電壓uo，并轉(zhuǎn)換成反饋電流iF，與輸入電流iI求差后放大，則可得到電壓并聯(lián)負反饋電路。圖4-24電壓并聯(lián)負反饋電路原理圖

任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電壓并聯(lián)負反饋電路圖4-25仿真結(jié)果示波器仿真結(jié)果波特圖儀仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流串聯(lián)負反饋電路圖4-26電流串聯(lián)負反饋電路原理圖

任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流串聯(lián)負反饋電路示波器仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流串聯(lián)負反饋電路波特圖儀仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流并聯(lián)負反饋電路圖4-28電流并聯(lián)負反饋電路原理圖在放大電路中，當輸入信號為恒流源或近似恒流源時，若反饋信號取自從輸出電流io，并轉(zhuǎn)換成反饋電流iF，與輸入電流i1求差后放大，則得到電流并聯(lián)負反饋電路。若集成運放的Aod與rid趨于無窮，則

任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流并聯(lián)負反饋電路輸出電流規(guī)定方向應與輸出電壓的規(guī)定方向一致，而由于圖中io的方向與規(guī)定方向相反，故式中出現(xiàn)負號，故上式表明，當R2和R4取值確定時，io僅僅決定于i1，故可將電路的輸出看成為電流i1控制的電流源io。在i1一定的情況下，當R3變化時，io基本不變，近似為恒流源，因而放大電路的輸出電阻趨于無窮大。

任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流并聯(lián)負反饋電路示波器仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流并聯(lián)負反饋電路波特圖儀仿真結(jié)果任務4.4放大電路中的負反饋負反饋的組態(tài)及其對放大電路的影響電流并聯(lián)負反饋電路電子放大電路中引入交流負反饋后，在輸入信號不變的情況下，由于凈輸入信號的減小，放大電路的輸出會減小，導致其放大倍數(shù)下降，即閉環(huán)放大倍數(shù)小于開環(huán)放大倍數(shù)。除此之外，負反饋的引入還會影響放大電路的其他許多性能。包括提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、改善輸入和輸出電阻、展寬通頻帶、減小非線性失真等。任務4.4放大電路中的負反饋負反饋放大電路的計算深度負反饋估算法是從工程實際出發(fā)，在深度反饋條件下，利用一定的近似條件對閉環(huán)放大倍數(shù)進行估算。該方法避免了繁雜的運算，是解決復雜反饋電路的有效途徑。一般情況下，大多數(shù)反饋放大電路，特別是由集成運放組成的放大電路都能滿足深度負反饋的條件，因此該方法的應用很廣泛。拆環(huán)分析法也稱方框圖法，即先將負反饋電路分解為基本放大電路和反饋網(wǎng)絡兩部分，進而分別求出開環(huán)放大倍數(shù)A和反饋系數(shù)F，最后利用Af=1/(1+AF)計算出閉環(huán)放大倍數(shù)。該方法的特點是計算結(jié)果較為準確，適用于較為復雜的多級負反饋電路及由集成運放組成的負反饋電路。但將反饋放大電路拆解為基本放大電路和反饋網(wǎng)絡，并不是簡單地斷開反饋網(wǎng)絡就能完成的，而是既要除去反饋，又要考慮反饋網(wǎng)絡對基本放大電路的負載作用，其過程比較復雜。等效電路法是將整個負反饋放大電路作為一個整體電路，該方法適用于結(jié)構(gòu)較為簡單的單級負反饋電路，如帶有射極反饋電阻Re的單管共射極放大電路。任務4.5功率放大電路的仿真乙類互補功率放大電路乙類放大器的特點是功放管只在信號的半個周期內(nèi)處于導通狀態(tài)，電路的靜態(tài)工作點ICQ等于0。工作在乙類狀態(tài)下工作的放大器靜態(tài)功耗等于0，隨著信號的輸入，電源提供的功率、放大器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率也隨著發(fā)生變化。靜態(tài)工作點位于如圖4-30所示位置的Q點放大器稱為乙類放大器。圖4-30乙類工作狀態(tài)圖解分析任務4.5功率放大電路的仿真乙類互補功率放