摘  要：低頻小信號(hào)放大電路是常用的實(shí)用電路，電路中既有線性元件，又有非線性元件，而且直流、交流并存于電路中，因此在分析和設(shè)計(jì)電路時(shí)較為復(fù)雜。疊加定理把線性電路中多個(gè)電源作用分解成各個(gè)電源的單獨(dú)作用，然后進(jìn)行代數(shù)和疊加。屬于非線性元件的半導(dǎo)體晶體管工作在低頻小信號(hào)，近似作為線性元件使用。應(yīng)用疊加定理分析和設(shè)計(jì)低頻小信號(hào)放大電路，抓住主要，忽略次要，使問(wèn)題變得既容易、簡(jiǎn)單又明確。

　　低頻小信號(hào)放大電路的用途非常廣泛，它能夠把微弱電信號(hào)增強(qiáng)到所要求的值。電路由線性元件電阻、電容和非線性元件，即半導(dǎo)體晶體管組成。在進(jìn)行低頻小信號(hào)放大時(shí)，電路中既有直流信號(hào)，又有交流信號(hào)，因此在分析和設(shè)計(jì)電路時(shí)問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜，利用疊加定理和低頻小信號(hào)因素，可使問(wèn)題變得容易。

　　1   疊加定理

　　當(dāng)線牲電路中有幾個(gè)電源共同作用時(shí)，各支路的電流( 或電壓) 等于各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)在該支路產(chǎn)生電流( 或電壓) 的代數(shù)和( 疊加)。由于半導(dǎo)體晶體管工作在低頻小信號(hào)，把非線性元件，即半導(dǎo)體晶體管當(dāng)作線牲元件分析，再借助疊加定理簡(jiǎn)明分析和設(shè)計(jì)低頻小信號(hào)放大電路。

　　2   低頻小信號(hào)放大電路分析

　　圖1 為低頻小信號(hào)共射放大電路。其中，uS 是低頻交流小信號(hào)電壓源; + UCC 為直流電壓源。用疊加定理分析研究電路時(shí)，首先使各個(gè)電源單獨(dú)作用。+ UCC 電壓源單獨(dú)作用，則uS 不作用短路; 若uS 電壓源單獨(dú)作用，則+ UCC 不作用短路；其次，+ UCC ，uS 電壓源各單獨(dú)作用的電壓、電流相疊加。

圖1  低頻小信號(hào)共射放大電路

　　2. 1   + UCC 電壓源單獨(dú)作用

　　由于電容對(duì)直流開(kāi)路，+ UCC 電壓源單獨(dú)作用可得圖2 所示的直流通路。由此可以計(jì)算靜態(tài)( 直流) 工作點(diǎn)基極電流I B 為：

　　式中: 硅管的UBE 取0. 7 V； 鍺管的UBE 取0. 3 V，靜態(tài)工作點(diǎn)的集電極電流I C ：

　　式中:  為共射電路電流放大倍數(shù)。靜態(tài)工作點(diǎn)的集電極輸出回路電壓UCE：

圖2   直流通路

　　2. 2   uS 電壓源單獨(dú)作用

　　由于電容容抗很小( 可忽略) ，因此電容對(duì)交流短路，+ UCC 電壓源不作用短路，又由于半導(dǎo)體晶體管是非線性元件，管子的工作信號(hào)為交流低頻小信號(hào)，即曲線小范圍可近似直線( 線性) ，故半導(dǎo)體晶體管非線性元件可近似為線性元件。其基極b 和發(fā)射極e 間可以用線性電阻r be代替，它反映了低頻小信號(hào)時(shí)輸入回路電壓與電流間的關(guān)系，rbe 稱(chēng)晶體管的輸入電阻。r be 在低頻小信號(hào)時(shí)，可用計(jì)算為。

　　由上式可知，r be 與直流電流有關(guān)，選擇不同靜態(tài)工作點(diǎn)可改變r(jià)be ，r be 一般為幾百到幾千歐。集電極c 和發(fā)射極e 間可用線性授控源βiB ( 為電流放大倍數(shù)) 代替，可得圖3 微變等效電路 。從圖3 可知，ui= ube ，并可計(jì)算交流基極電流ib ：

　　交流集電極電流ic

　　交流集電極輸出回路電壓uo ：

圖3   交流通路

　　2. 3   + UCC 電壓源和uS 電壓源共同作用

　　+ UCC 電壓源和uS 電壓源共同作用，只需要將+ UCC電壓源單獨(dú)作用和uS 電壓源單獨(dú)作用時(shí)電壓、電流疊加。設(shè)ui= Uim sinwt 得到圖4 所示電壓、電流的波形圖。其中，大寫(xiě)字母為+ UCC 電壓源作用直流量，小寫(xiě)字母為uS 電壓源作用交流量，小、大寫(xiě)字母混合為+ UCC ，uS 電壓源共同作用瞬時(shí)量。

　　基極輸入回路瞬時(shí)電壓uBE ：

　　基極瞬時(shí)電流i B：

　　集電極瞬時(shí)電流iC ：

　　集電極輸出回路瞬時(shí)電壓uCE ：

　　在輸入和輸出回路中，由于電容C1 ，C2 的作用，只有uS 電壓源作用的交流量ui ，uo。從圖4 可知，ui，uo兩信號(hào)相位差180 ，即反相。從圖4 中可以清晰看到的低頻小信號(hào)放大電路交流信號(hào)疊加在直流信號(hào)上。由于半導(dǎo)體晶體管只有工作在線性區(qū)才能保證輸入信號(hào)ui 不失真放大( 轉(zhuǎn)換) 為uo 信號(hào)，因此直流量必須選擇的合適。如果直流選擇的不合適，會(huì)出現(xiàn)如圖5 所示的電壓、電流失真。其中，圖5( a) 是基極電流i B 與基極電壓uBE 之間的關(guān)系曲線，即輸入特性曲線。

　　從圖5( a) 可知，基極電流直流I B 太小也出現(xiàn)交流ib 波形負(fù)半周失真。

　　圖5( b) 是集電極電流iC 與集電極電壓uCE 之間的關(guān)系曲線，即輸出特性曲線。從圖5( b) 可知，集電極電流的直流I C 太小，會(huì)出現(xiàn)交流i c 波形負(fù)半周失真及交流uce 波形正半周失真。從圖5( c) 可知，集電極電流的直流I C 太大，會(huì)出現(xiàn)交流i c 波形正半周失真及交流uce波形負(fù)半周失真[ 9] 。

　　由上述分析可知，在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足下列條件,即直流基極電流I B> 交流基極電流峰值I bm ; 直流集電極電流I C> I cm + I ceo ( I cm 為交流集電極電流峰值，I ceo 為集電極與發(fā)射極間穿透電流) ; UCE> Ucem + Uces ( Ucem 為交流集電極電流峰值，Uces 為集電極與發(fā)射極間飽和壓降) 。實(shí)際電路中在不失真放大輸入信號(hào)的前題下，直流量應(yīng)盡可能小，以減小其電路功耗。

圖4  電壓、電流的波形圖　                              圖5   直流不合適引起的電壓、電流失真

　　管子極限值選擇：

　　( 1) 集電極允許電流I CM > I cm+ I C ;( 2) 集電極與發(fā)射極間的擊穿電壓U( BR) ceo >+ UCC ;( 3) 集電極耗散功率P CM > UCE I C 。

　　電流放大倍數(shù) 的選擇:  值一般選20 ~ 100 之間,值太小，電流放大能力差;  值太大，會(huì)使工作穩(wěn)定性變差。

　　3   結(jié)  語(yǔ)

　　嚴(yán)格講，疊加定理分析電路中各個(gè)電源能獨(dú)立正常工作，不依賴(lài)其他電源，但半導(dǎo)體晶體管是非線性元件,必須工作在線性區(qū)，而且必須有合適的直流，即電路中交流正常工作依賴(lài)于直流，也就是交流uS 電壓源單獨(dú)作用是建立在直流+ UCC 電壓源上的。在分析交流uS電壓源在電路中單獨(dú)作用時(shí)，電路的直流是合適的，半導(dǎo)體晶體管作為線性元件分析。用疊加定理分析和設(shè)計(jì)低頻小信號(hào)放大電路要抓住主要問(wèn)題，忽略次要問(wèn)題，以便使分析電路的思路更清楚，更容易理解、接受,設(shè)計(jì)電路更簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用。

參考文獻(xiàn):

[1]. C1  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/C1+_2455447.html.