复习单级放大器

发表于 2020-3-6 19:06

这个帖子的主题，或者说重点在于：很多人对晶体管模型的认识，就是简单的IC=β IB
这个模型在某些场合是有用的，但对于更多实用场合，本贴所给的小信号的模型是更好的选择。
为何这个压控电流源的模型，优于流控电流源模型，我在群中发图片详细说明过了。大概意思是β变化太大了，远不如gm稳定。

晶体管低频小信号模型：

之所以更喜欢用这个模型，还有个更重要的原因，就是只需令rpi-->∞，就得到了MOSFET模型，便于模型的统一化处理。

图 MOSfet低频小信号模型

发表于 2020-3-6 19:16

管子模型中的参数与直流工作点关系：

请注意本征增益uf=gm ro，它是单极放大器所能实现的最大增益，是增益极限，大约等于40倍厄利电压，

由于大多数管子的厄利电压范围是25--100V，所以单级晶体管放大器的本征增益范围是1000----4000！

发表于 2020-3-6 19:27

对于发射极有退化电阻的晶体管，把晶体管和退化电阻，视作一个整体，这个整体可以用新的三极管模型来表示：

可以把gm Re视作环路增益，根据负反馈原理，串联负反馈对原放大器的影响是输入、输出阻抗增加1+T=1+gm*Re倍，跨导减小1+T=1+gm Re倍。

这个模型转换必须熟记！！！！！后面经常用！！！！！！！

发表于 2020-3-6 19:32

当三极管用作数字逻辑中时，下面的问题是有意义的：

发表于 2020-3-6 19:38

模电学习者只要能记住上面几个模型公式，那么对付大二的模电，就轻松自如了。
所以我们这个帖子，相当于把大二的模电，复习了一半。因为剩下的问题，就是套公式玩了。

发表于 2020-3-6 21:34

本帖最后由 xukun977 于 2020-3-6 21:52 编辑

感兴趣的自己在multisim里仿真，看看计算结果和仿真结果的逼近程度。

电压增益的计算，分成两个部分：

对于输入耦合电路，采用简单分压公式即可得到结果。

增益级的计算，根据跨导定义容易只接写出增益表达式：

请注意：目前先假设发射极退化电阻，完全被电容完全短路掉，稍后再分析一般情形。

当发射极对地短路时，共射电路输入阻抗Rin=rΠ
上面两个增益相乘，就是最终增益表达式：

注：上面分析，默认晶体管输出阻抗ro<<R1//R6，否则要加上ro

注意：平常分析电路，都要如此分析，不要使用笨拙低效的节点法/网孔法。

发表于 2020-3-6 21:57

本帖最后由 xukun977 于 2020-3-6 22:19 编辑

下面分析上面的增益表达式的限制。

如果放大器的信号源是低阻，即式中R7<<R2//R3/rΠ，那么耦合电路的分压结果约等于1，所以此时电路的增益约等于-gm(R1//R6)

这个近似相当于说：信号源电压是直接施加到管子基极上的。

如果把R1//R6看成是晶体管等效负载RL，那么增益近似表达式Av=-gmRL，意思是共射放大器的电压增益数值，等于跨导乘以等效负载！
这个近似增益也是共射放大器的增益上限！！也就是考虑输入耦合等作用，实际增益只能比这个值低！

现在对上面增益近似表达式作进一步化简：大多数放大器设计中，负载电阻R6要远大于R1的（为了实现高增益），那么此时增益表达式近似为：

这个式子主要是引入了电阻R1上的电压，和电源电压VDD之比，具体含义为：

也就是说，电阻R1上的电压，其极限最小值是0V，极限最大值是电源电压VDD。

大多数电路设计中，取电阻R1上电压是电源VDD的1/3，所以此时电压增益大约是-13VDD，为便于凑整数容易**，一般说AV=-10*VDD（发射极电阻被旁路掉时）

这里把交流小信号电压增益的计算，直接和电源电压关联起来了，看似不靠谱，实则有内涵！很着调！！！

正是因为有了这个近似表达式，所以才有了所谓的电路设计高手，可以在学生面前show一show，如果电源电压是12V，当学生还在画小信号等效电路、列方程、解方程时，人家高手只需2秒钟就计算出电压增益大约是120，虽然结果不太准，有个7788也就满足了。

发表于 2020-3-6 22:22

关注本版块的同志，这些基础的东西必须看懂了，有问题可以提出商榷。
我在这里说过了，以后在群里碰都类似问题，我就不回复了。

发表于 2020-3-6 22:42

教科书上给的例子=

计算了半天，算出电压增益是150，我们直接估算是10*12=120，用13倍公式计算是156！

请注意:模拟电路设计要折中考虑一些列因素，例如Q点的稳定性，输出摆幅等，所以不要走极端，非要设计个电路，有过高的增益或过小的增益。

发表于 2020-3-7 10:30

计算共射放大器电压增益时，什么时候能忽略晶体管输出阻抗r0，什么时候不能忽略？判断依据是什么？

一般所用晶体管一旦确定，其厄利电压VA也就知道了，进而本征增益gm ro也就知道了。
如果所设计的放大器增益，在忽略晶体管输出阻抗ro时，为Av，如果Av<<本征增益，这就证明忽略晶体管输出阻抗是可行的，验证忽略有理！
但是如果省略ro得到的Av比较接近本征增益，那么必须回头重算Av，把ro的影响考虑进去。

发表于 2020-3-7 10:40

本帖最后由 xukun977 于 2020-3-7 10:56 编辑

重点知识：晶体管的小信号范围

平常经常说晶体管的小信号模型，那么我们必然想知道，什么叫“小信号”？多小算小？？多大算大？

现在用传统习惯，首字母小写，下标大写，这个符号的意思是直流+交流组成的瞬时电量，例如VBE+vbe=vBE

用麦克劳林级数展开指数项：

根据线性的定义，展开式中的二次项，要远小于一次项：

如果定义小于10倍量就是远远小于，那么晶体管的小信号定义就是/vbe/<=5mV！

如果定义小于5倍量就是远远小于，那么晶体管的小信号定义是vbe<=10mV

整天说小信号，小信号是什么意思，现在应该搞清了。

vbe的约束一旦知道，那么集电极电流的约束，也随之确定：

所以如果说5mV代表小信号的边界值，那么集电极小信号电流不能超过2IC的20%！
同理，如果说10mV代表小信号的边界值，那么集电极小信号电流不能超过2IC的40%！

所以小信号设计也要考虑折中，想追求较大的信号幅度，就必须接受较高的失真度。

感兴趣的可以SPICE仿真验证一下上面理论，对于上面给出的共射放大器，如果输入5mV,10kHz正弦波，看看spice给出的THD是多少！！！

发表于 2020-3-7 11:09

本帖最后由 xukun977 于 2020-3-7 11:30 编辑

我来仿真一下吧：

激励是5mV,此时正负半周不对称，最小值是-0.8V，最大值是0.7左右，所以肯定有失真。

如果信号源幅度限制在5mV,傅里叶分析结果为：

发表于 2020-3-8 20:52

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