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共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

时间:2023-04-02 11:27来源:未知 作者:admin 点击:
关于三极管前面已经发了6篇: 选择三极管时应重点关注哪些参数?(1) 选择三极管时应重点关注哪些参数?(2) 选择三极管时应重点关注哪些参数?(3) 三极管的频率问题 如何消除共射三

关于三极管前面已经发了6篇:

选择三极管时应重点关注哪些参数?(1) 选择三极管时应重点关注哪些参数?(2) 选择三极管时应重点关注哪些参数?(3) 三极管的频率问题 如何消除共射三极管放大电路失真?有仿真验证 电流放大倍数β、截止频率fβ,特征频率fT三者间的关系,巨详细!

除了前面2篇是偏理论的,后面4篇都是偏工程应用的。其实也都是在围绕一个电路在讨论:为什么会失真?为什么没有放大?

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

第6篇文章,我们指出了前面文章的问题点,也讨论了电流放大倍数β、截止频率fβ,特征频率fT三者间的关系,但是还是没讲清楚输入信号在100kHz、10MHz、100MHz、300MHz时有什么区别?

 

一道问题

照例,先抛出来一道问题:共射极三极管放大电路,为什么输入信号的频率不同,输出信号的幅值不同呢?这里暂且不考虑饱和失真和截止失真的情况。这道题不会是面试题,面试官也不会问这么刁钻。

 

交流通路的前置条件

说到共射极三极管放大电路的交流通路,我想很多小伙伴都不陌生。大学老师也讲过,画交流通路,需要:

(1)把(内阻很小的)直流电压源当做短路,(内阻很大的)直流电流源当做开路;

(2)把(容值较大的)电容当做短路;

对的,这里都没错。但是这里面有个条件:输入信号需要在CE(共射极)组态电路的中频带内。在这个条件下,还有2块内容是被认为已经约定俗成了。

①三极管的结电容(Cb'c、Cb‘e)被当做开路;

②放大电路中的耦合电容、旁路电容被当做短路;

这里的②和前面画交流通路中的(2)是对应的。

可是,如果信号频率超出中频带的上限频率,进入高频带,此时三极管的结电容(Cb'c、Cb'e)阻抗在减小,不能再被当做开路。此时的交流通路就需要考虑Cb'c、Cb'e的影响。

同样,如果信号频率低于中频带的下限频率,进入低频带,此时三极管的耦合电容、旁路电路阻抗在增加,不能再被当做短路。此时的交流通路就需要考虑耦合电容(如上图中的C1、C2)的影响。

 

CE放大电路中频带的Av

在上一篇文章中提到,我有把电流放大倍数β和电压放大倍数Av搞混淆。开头展示出的CE组态放大电路的电压放大倍数Av是怎样的呢?

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

不妨,我们先画一下CE组态放大电路的交流通路,如上图右侧所示。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

有了交流通路,我们可以很方便的计算出Vo和Vi,如上图所示。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

当(1+β)Re>>rbe时,rbe的影响可以忽略。β和1+β也可以近似约掉。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

当RL足够大时,Rc||RL可以约等于Rc,则有:

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

咋一看,这个电压放大倍数Av只与Rc和Re有关,和频率没有关系。对的,在中频带内,确实可以有这样的近似关系。

 

CE放大电路高频等效电路

上面画出的是CE放大电路在中频带内的等效电路,那如果进入到高频带,就需要考虑结电容Cb'c、Cb'e的影响,不能再当做开路处理。

下图左侧方框内电路,即为CE放大电路高频等效电路。注意此时的Cb'c跨接在b'和C之间,相当于既在输入回路,又在输出回路,这样会使电路的计算变得复杂,我们需要做进一步简化。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

米勒(密勒)电容的等效可以把Cb'c转化为输入回路和输出回路两个部分。Cb'c等效到输入回路的部分可以定量记作(1+gmR'L)Cb'c,Cb‘c等效到输出回路的部分约等于Cb'c(容值很小,可忽略)。具体怎么等效的,这里不做展开讨论。上图的右侧方框内,即为米勒等效后的CE放大电路高频等效电路。

 

CE放大电路的高频截频fh

上面说了CE放大电路的高频等效电路,可以怎么才算是高频区,怎么才算是中频区呢?我们需要计算出中频区的上限频率fh。

计算起来是比较复杂的,需要在米勒等效后的电路再进行2次戴维宁等效,如下图红框所示,为戴维宁等效后的电路。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

等效后的电路,看着是不是很熟悉!输入回路就相当于是一个RC电路,此时的R和C都有一长串的计算关系式。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

有了R、C的参数,我们就很容易得出等效后的电路的截止频率fh

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

 

实际推导计算

上面说了一大通,都是公式,一点也不切合实际。我们还是实际动手计算一下。小黑板已准备好,下图为“硬件微讲堂”号主手动推导计算的过程。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

先把Cb1,Cb2,Rb1,Rb2,Rc,Re,RL数值罗列清楚,再把VBEQ,β0,Cb'c,fT,rbb'数值假设(或查询)一下。

①计算静态工作点IEQ,计算rb'e需要用;

②计算跨导gm,发射极电阻Re等效到输入回路的电阻rb'e,结电容Cb'e;

③计算米勒等效和戴维宁等效后的R和C。

由于原来电路中没有考虑电压源Vs的内阻Rs,计算时也暂且先忽略其数据。这样计算出来fh约为1MHz。考虑到有些参数的数值为估算值,计算过程中也有很多近似,这个数值和实际可能有一些偏差。

 

TINA-TI仿真

我们再用TINA-TI做下仿真看看频率响应的效果。可以通过两个渠道来仿真。

①分析--交流分析--选择“振幅”;

②T&M--信号分析仪--选择“dB Magnitude”;

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

上图,即为CE组态放大电路的中高频的频率响应,和低通滤波的频响有些类似哈。图中可以看出,放出来的fh=7.26MHz。和我们计算的1MHz虽然有差异,但不远。

这个图,也可以解释前面提到的为什么10MHz、100MHz、200MHz、300MHz时,输出的信号幅值不同。因为此时的信号频率已超过中频带的上限频率,已进入高频区,放大电路的增益随着频率上升一直在下降。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

在f=100MHz时 ,Gain=1.15dB,换算为电压放大倍数Av=1.14156;

在f=200MHz时,Gain=0.662dB,换算为电压放大倍数Av=1.079195;

在f=300MHz时,Gain=0.423dB,换算为电压放大倍数Av=1.049905。

所以,当频率为100M、200M、300MHz的信号输入时,由于电压放大倍数Av太小,放大电路整体表现为失去了放大作用。

共射放大电路为什么会失真?为什么没有放大?

在f=85kHz时,Gaim=13.69dB,换算为电压放大倍数Av=4.83。接近于5倍,而正好是我们前面推导的中频带,Rc/Re=5的增益关系。

 

总结

写到这里,终于把前面共射极放大电路为什么不放大的原因说清楚了。

现在梳理下今天讨论的内容:

①提出问题:共射极三极管放大电路,为什么输入信号的频率不同,输出信号的幅值不同呢?

②画交流通路的前置条件;

③CE放大电路中频带的Av的推导过程及近似结果;

④CE放大电路的高频等效电路及其高频截频fh推导过程;

⑤用TINA-TI仿真CE放大电路的中高频带的幅频相应;

⑥基于仿真结果,分析在不同频率输入信号的增益效果。

编辑:黄飞

 

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