器件参数对单管共射放大电路动态范围的影响

郑江云，唐　飞

(安庆师范大学 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)



器件参数对单管共射放大电路动态范围的影响

郑江云，唐飞

(安庆师范大学 物理与电气工程学院，安徽 安庆 246133)

摘要：最大输出幅度是放大电路的主要技术指标之一，它的大小由电路参数决定。本文以几个典型的放大电路为例，深入探讨了使放大电路输出幅度达到最大的条件、器件参数间应该满足的关系。实验结果与理论值基本一致，这表明本文理论分析是正确的，它可以作为设计低频放大电路的参考。

关键词：放大电路；最大输出幅度；图解法；器件参数

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.02.007

放大电路的最大输出幅度是指在输出波形没有明显失真的情况下，放大电路能够输出的最大电压，它的大小与器件参数设置有关，但不同形式的放大电路，两者之间的关系是不同的。相关教材没有对此进行定量计算和说明，本文介绍几种典型放大电路的最大输出幅度大小与器件参数间的关系，为分析和设计模拟放大电路提供指导。

1阻容耦合单管共射放大电路

阻容耦合单管共射放大电路如图1所示，一般教材[1-2]都对该电路的最大输出幅度用图解法做了详细的介绍，图解法如图2所示，首先画出直流负载线，直流负载线由(1)式决定，由计算得到的IBQ确定直流负载线与三极管输出特性曲线的交点，即静态工作点，如图2中的Q点。

uC=VCC-iCRC

(1)

图1　阻容耦合单管共射放大电路图

图2　图解法估算最大输出幅度

2有旁路电容的分压式静态工作点稳定电路

有旁路电容的分压式静态工作点稳定电路如图3所示，此图和图1的一个重要区别是三极管的发射极接了电阻RE，虽然它旁边并了旁路电容CE，使得RE对交流分析过程没有影响，但它有直流电压，这也会影响其最大输出幅度的大小，因为交流信号叠加在直流信号之上，而总的电压值受到电源电压大小的限制。用图解法分析时，它与图2有所不同，该电路的图解法如图4所示，横坐标直接用uc而不是uce作为输出，因为输出是集电极对地的电压，而三极管发射极的直流电压不等于零。

图3 有旁路电容的分压式静态工作点稳定电路图4 图3的图解法

图3所示电路的直流负载线由(2)式确定：

uC=VCC-iC(RE+RC)

(2)

(3)

由上面的分析可知：要想得到电路各参数之间的关系，关键是如何求解△ICm。教材上一般都是将直流和交流分开讨论[3]，但因为△ICm表示电路能够输出的最大交流变化量，就必须将交直流一起考虑。三极管的集电极交流电流△ICm是由RC、RL分流，因为图3中RC、RL相等，所以流过集电极电阻RC的最大交流变化量为0.5△ICm，RC上的电流应该为直流和交流电流的和，即

iRC=ICQ+0.5△ICm。

而三极管的发射极电阻RE只有直流分量，即iE≈ICQ。另外，三极管集电极电流最大的时候，一定是管子处于饱和状态，即UCE=UCES,这样在隔直电容C2的左端，运用基尔霍夫电压定律得到

VCC=(ICQ+0.5△ICm)RC+UCES+ICQRE

(4)

由(4)式和已得到的ICQ就可以计算△ICm值。

由前面的分析可知：要使输出电压最大，应该是ICQ=△ICm，结合(3)、(4)式，得到电路各参数间的关系应该满足

(5)

要使图3的输出幅度最大，根据(5)式及图3中已知的电路参数，计算得RB2=71kΩ，如果RB2>71kΩ，ICQ减小，△ICm增大，最大输出幅度由ICQ决定，即图4中的DE段，随着输出的增大，会先出现顶部失真；反之，如果RB2<71kΩ，ICQ增大，△ICm减小，最大输出幅度由△ICm决定，即图4中的CD段，输出先出现底部失真。为了进行比较，表1列出了几个不同的RB2值，并分别给出了最大输出幅度的理论值和实验结果，每行的斜体数字表示电路能够输出最大幅度的实际值，由表1可知，只有RB2=71KΩ时，输出幅度达到最大，为2.4V。

表1　对于不同RB2值，图3所示电路最大输出幅度的理论值和实验结果

3无旁路电容的分压式静态工作点稳定电路

无旁路电容的分压式静态工作点稳定电路如图5所示，与图3的区别是发射极电阻RE没有并接旁路电容CE，这样RE对交直流信号都有影响，虽然图解法的形式与图4相同，但表达式不同。

图5无旁路电容的分压式静态工作点稳定电路

图5所示电路的直流负载线与图3相同，仍然由(2)式确定，同样，要使输出幅度最大，就要使ICQ=△ICm，ICQ也由(3)式决定，但△ICm的求法与图3不同。图3中的发射极电阻RE只流过直流电流，而图5中的RE既有直流偏置，又有交流信号，由图3的分析可知，流过RL最大的交流变化量为0.5△ICm；但流过RE上的交流电流与图3不同，图3中RE上的交流电流等于零，图5中RE上最大的交流电流等于△ICm，所以(4)式在这里应该改为

VCC=(ICQ+0.5△ICm)·RC+UCES+

(ICQ+△ICm)·RE

(6)

要使输出幅度最大，结合(2)、(6)式，得到电路各参数间的关系应该满足

(7)

要使图5的输出幅度最大，根据(7)式，RB2=85kΩ，如果RB2>85kΩ，ICQ减小，△ICm增大，最大输出幅度由ICQ决定，反之，如果RB2<85kΩ，ICQ增大，△ICm减小，最大输出幅度由△ICm决定。表2列出了几个不同的RB2值所对应的最大输出幅度的理论值和实验结果。表2中每行的斜体数字表示在该种情况下，图5所示电路最大输出信号的实际值，由表2可知，只有RB2=85kΩ时，输出幅度达到最大，为2.4V。

表2　对于不同RB2值，图5所示电路最大输出幅度的理论值和实验结果

4小结

本文从理论上详细分析了几个典型放大电路的参数与其最大动态范围之间的关系，并给出了实验结果，理论和实验结果基本一致。本文给出的各电路参数之间的定量关系，可以为选取放大电路参数时提供理论参考，特别是对于设计需要动态范围宽的放大电路，有一定的指导意义。

参考文献:

[1] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2006：88-94.

[2] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].3版.北京:高等教育出版社,2006：48-55.

[3] 康华光.模拟电子技术基础模拟部分[M].3版.北京:高等教育出版社,1996:62-73.

Study the Effect of Device Parameters on the Dynamic Range of Common Emitter Amplifier

ZHENG Jiang-yun，TANG Fei

(School of Physics and Electronic Engineering, Anqing Normal University, Anqing, Anhui 246133,China)

Abstract:The maximum output amplitude is one of the main characters of the amplifier. In this paper, we have studied the condition of achieving the maximum dynamic range, and the relationship between the device parameters and maximum output amplitude. The experimental results are in agreement with the theoretical value, which shows that the theoretical analysis is correct, and it can be used as reference for design of low frequency amplifier.

Key words:amplifier; maximum output amplitude; graphical method; device parameter

* 收稿日期：2015-09-08

作者简介：郑江云，女，安徽怀宁人，硕士，安庆师范大学物理与电气工程学院副教授，研究方向为电子技术与图像评价。 E-mail: 18956904638@126.com

中图分类号：TN722

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2016)02-0022-04

网络出版时间：2016-06-08 12:57网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160608.1257.007.html