分立元件放大電路的綜合分析流程與教學經驗

熊蘭 唐治德 楊子康 申利平 周靜

[摘 要] 分立放大電路的靜態工作點設置與交流信號的放大性能指標分析是模擬電子技術課程教學的難點與重點之一。總結多年的模擬電子技術課堂教學經驗，繪制了放大電路綜合分析流程框圖，便于理清BJT與FET等有源元件的特性曲線和交直流等效模型與參數、放大電路的直流與小信號等效電路以及相互聯系。同時，結合各等效電路的計算、圖解法分析以及軟件仿真數據，可綜合完成對多種分立放大電路的靜態與動態指標的分析計算。

[關鍵詞] 靜態分析;等效模型;小信號;圖解法;仿真

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0

半導體器件及組成的模擬電路及其性能參數種類繁多，功能設計靈活多變，分析和設計方法具有很強的工程性和實踐性;因此，模擬電子技術課程的初學者往往感到這門課程很難學，稱其為“魔電”[1]。

模擬電子技術的學習難點較多，在放大電路中直流偏置與交流信號傳遞的作用和相互影響為其中之一，本文僅對如何講授與處理此內容談點教學經驗。

一、分立元件放大電路的分析流程圖

放大電路是最基本的模擬電路，即對輸入的模擬信號進行放大處理，它是構成各種功能模擬電路的基本電路。圖1a為模擬放大電路的組成簡圖。在分析放大電路時，為簡化分析，一般用正弦波表示輸入的模擬信號。電路中的直流電源和偏置電路用于保證有源元件BJT或者FET（場效應管）處于放大區工作，同時靜態工作點設置合適，以保證能對輸入的交流信號進行不失真的放大。放大電路中的直流電源以及交流信號源（輸入信號vi）共同作用、相互影響，有必要展開對靜態工作點Q的計算與動態性能的分析。由于二者相對獨立又相互影響，學生對這一知識點最容易混淆，難以對BJT、FET單極三種組態電路進行分析與計算，進而影響到對集成電路中多級電路的分析。

對于放大電路的小信號分析與計算，常采用分別建模與計算的方式，即在直流等效電路中計算靜態工作點，在交流等效電路中計算動態參數。因此，本人建立了放大電路的分析流程框圖（圖1b）。分析流程圖直觀且具有通用性，基本理清了BJT與FET放大電路的靜態與動態分析的相互聯系，也有利于學生掌握電路等效模型的建立方法。

從圖1b可知，分析放大電路之前，首先要了解有源元件BJT、FET的輸入/輸出特性曲線，由此分別獲得元件的直流電路模型和小信號等效模型。這里提供共射極組態BJT的輸入與輸出特性曲線[2]如圖2b和圖2c。BJT在放大區的直流模型和低頻小信號模型分別如圖3a和圖3b。

圖3b中，r■=r■+β■，反映了小信號模型參數受到靜態參數ICQ的制約，即靜態工作點的位置改變著BJT以及放大電路的動態特性。

同理，繪制共源極組態N溝道增強型MOSFET的轉移與輸出特性曲線如圖4a和圖4b。

MOSFET在放大區的直流模型和低頻小信號模型分別如圖5a和圖5b。

在圖5a中，I■=K■（V■-V■）■，或者I■=I■■-1■[3]，反映VGSQ對電流IDQ的控制作用，呼應了圖4a中飽和區的每一條特性曲線的IDQ值基本不變，與VGSQ密切相關。

圖5b中，小信號模型參數之一，ro是反映early效應的參數，ro=λI■■，g■=2■=2K■（V■-V■），? 也受到靜態工作點IDQ的影響。

小信號模型參數之二，跨導可見，gm的值與Q點的位置（VGSQ）密切關聯，VGSQ越大，gm越大，呼應了圖4a中飽和區的特性曲線簇越往上越稀疏的特點。

二、多種分析方法的綜合應用

在分析小信號放大電路時，必須將非線性器件BJT和MOSFET做線性化處理，從而簡化放大電路的分析和設計。以雙極型三極管共射極放大電路為例，結合圖1b所示的電路分析框圖進行分析。

第一步是靜態分析。對靜態工作點Q的計算在直流通路中進行。當三極管的發射極正偏時，將BJT用直流恒壓降模型（圖3a）近似處理（VBE=0.7V）。假設BJT工作在放大區，有ICQ=βIBQ;再列寫兩個KVL方程式，求解靜態工作點Q（IBQ、ICQ、VCEQ）;通過數據VCEQ>VBE。驗證BJT的確工作在放大區，才繼續下一個分析步驟。如果BJT工作在飽和區，則不必要開展后續對于交流信號放大性能的分析。

第二步是動態分析。由上一步的靜態參數ICQ計算小信號參數rbe值。畫出放大電路的交流通路，將BJT替換為圖3b所示的小信號模型，從而獲得小信號等效電路，進而求解放大電路的放大倍數、輸入阻抗和輸出阻抗等動態參數。

最后是合并前兩步取得的數據，得到完整解，驗證電路實現了在靜態工作點Q點基礎上對小信號的傳遞與放大。

在計算過程中，也可以結合圖解法，更加直觀地展現Q點的設置以及Q點附近小信號的傳遞過程與規律性。實際上，在圖2b輸入特性曲線上繪制直流負載線，負載線的表達式就是步驟一列寫的方程之一，由此得到IBQ值。而在圖2c輸出特性曲線上繪制直流負載線，此負載線的表達式就是步驟一列寫的另一個方程，從而得到ICQ、VCEQ值，也就確定了Q點的位置。再繪制交流負載線，分析小信號的輸入與輸出關系。可見，計算與圖解同步進行，給學生的印象更深刻。

進一步，結合Multisim仿真，利用其直流工作點分析（DC Operating Point Analysis）功能測量各點或者各器件的直流電壓、電流值，與理論計算值進行對比。再通過示波器顯示功能，展示電路中各點電位或者各器件的電壓波形，與第三步的計算結果進行對比。

三、結語

模擬電子電路中的有源元件有多種類型的BJT、FET等，均為非線性元件。對于小信號放大電路，均可將非線性元件進行線性化處理，得到直流模型和小信號等效電路模型，進而采用圖1b所示的分析流程框圖逐步開展靜態分析、動態分析以及綜合分析。教師在講授過程中幫助學生理清BJT與FET器件的特性曲線和交直流等效模型與參數、放大電路的直流與小信號等效電路以及相互聯系，并結合各等效電路的計算、圖解法分析以及軟件仿真數據開展計算與討論，使課堂教學的內容與形式更加豐富、完善。

參考文獻

[1]劉蕓，陸洪毅，王學慧.淺談模擬電子技術的學習難點及教學策略[J].大學教育，2015（1）：120-122.

[2]唐治德，申利平.模擬電子技術基礎（第二版）[M].北京：科學出版社，2015.

[3]Donald A.Neamen，Microelectronics Circuit Analysis and Design，The McGraw-Hill Companies，4th Ed.，2010.

309-03? ? [收稿日期] 2020-03-11