分立元件放大电路的综合分析流程与教学经验

熊兰 唐治德 杨子康 申利平 周静

[摘 要] 分立放大電路的静态工作点设置与交流信号的放大性能指标分析是模拟电子技术课程教学的难点与重点之一。总结多年的模拟电子技术课堂教学经验，绘制了放大电路综合分析流程框图，便于理清BJT与FET等有源元件的特性曲线和交直流等效模型与参数、放大电路的直流与小信号等效电路以及相互联系。同时，结合各等效电路的计算、图解法分析以及软件仿真数据，可综合完成对多种分立放大电路的静态与动态指标的分析计算。

[关键词] 静态分析;等效模型;小信号;图解法;仿真

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0

半导体器件及组成的模拟电路及其性能参数种类繁多，功能设计灵活多变，分析和设计方法具有很强的工程性和实践性;因此，模拟电子技术课程的初学者往往感到这门课程很难学，称其为“魔电”[1]。

模拟电子技术的学习难点较多，在放大电路中直流偏置与交流信号传递的作用和相互影响为其中之一，本文仅对如何讲授与处理此内容谈点教学经验。

一、分立元件放大电路的分析流程图

放大电路是最基本的模拟电路，即对输入的模拟信号进行放大处理，它是构成各种功能模拟电路的基本电路。图1a为模拟放大电路的组成简图。在分析放大电路时，为简化分析，一般用正弦波表示输入的模拟信号。电路中的直流电源和偏置电路用于保证有源元件BJT或者FET（场效应管）处于放大区工作，同时静态工作点设置合适，以保证能对输入的交流信号进行不失真的放大。放大电路中的直流电源以及交流信号源（输入信号vi）共同作用、相互影响，有必要展开对静态工作点Q的计算与动态性能的分析。由于二者相对独立又相互影响，学生对这一知识点最容易混淆，难以对BJT、FET单极三种组态电路进行分析与计算，进而影响到对集成电路中多级电路的分析。

对于放大电路的小信号分析与计算，常采用分别建模与计算的方式，即在直流等效电路中计算静态工作点，在交流等效电路中计算动态参数。因此，本人建立了放大电路的分析流程框图（图1b）。分析流程图直观且具有通用性，基本理清了BJT与FET放大电路的静态与动态分析的相互联系，也有利于学生掌握电路等效模型的建立方法。

从图1b可知，分析放大电路之前，首先要了解有源元件BJT、FET的输入/输出特性曲线，由此分别获得元件的直流电路模型和小信号等效模型。这里提供共射极组态BJT的输入与输出特性曲线[2]如图2b和图2c。BJT在放大区的直流模型和低频小信号模型分别如图3a和图3b。

图3b中，r■=r■+β■，反映了小信号模型参数受到静态参数ICQ的制约，即静态工作点的位置改变着BJT以及放大电路的动态特性。

同理，绘制共源极组态N沟道增强型MOSFET的转移与输出特性曲线如图4a和图4b。

MOSFET在放大区的直流模型和低频小信号模型分别如图5a和图5b。

在图5a中，I■=K■（V■-V■）■，或者I■=I■■-1■[3]，反映VGSQ对电流IDQ的控制作用，呼应了图4a中饱和区的每一条特性曲线的IDQ值基本不变，与VGSQ密切相关。

图5b中，小信号模型参数之一，ro是反映early效应的参数，ro=λI■■，g■=2■=2K■（V■-V■），  也受到静态工作点IDQ的影响。

小信号模型参数之二，跨导可见，gm的值与Q点的位置（VGSQ）密切关联，VGSQ越大，gm越大，呼应了图4a中饱和区的特性曲线簇越往上越稀疏的特点。

二、多种分析方法的综合应用

在分析小信号放大电路时，必须将非线性器件BJT和MOSFET做线性化处理，从而简化放大电路的分析和设计。以双极型三极管共射极放大电路为例，结合图1b所示的电路分析框图进行分析。

第一步是静态分析。对静态工作点Q的计算在直流通路中进行。当三极管的发射极正偏时，将BJT用直流恒压降模型（图3a）近似处理（VBE=0.7V）。假设BJT工作在放大区，有ICQ=βIBQ;再列写两个KVL方程式，求解静态工作点Q（IBQ、ICQ、VCEQ）;通过数据VCEQ>VBE。验证BJT的确工作在放大区，才继续下一个分析步骤。如果BJT工作在饱和区，则不必要开展后续对于交流信号放大性能的分析。

第二步是动态分析。由上一步的静态参数ICQ计算小信号参数rbe值。画出放大电路的交流通路，将BJT替换为图3b所示的小信号模型，从而获得小信号等效电路，进而求解放大电路的放大倍数、输入阻抗和输出阻抗等动态参数。

最后是合并前两步取得的数据，得到完整解，验证电路实现了在静态工作点Q点基础上对小信号的传递与放大。

在计算过程中，也可以结合图解法，更加直观地展现Q点的设置以及Q点附近小信号的传递过程与规律性。实际上，在图2b输入特性曲线上绘制直流负载线，负载线的表达式就是步骤一列写的方程之一，由此得到IBQ值。而在图2c输出特性曲线上绘制直流负载线，此负载线的表达式就是步骤一列写的另一个方程，从而得到ICQ、VCEQ值，也就确定了Q点的位置。再绘制交流负载线，分析小信号的输入与输出关系。可见，计算与图解同步进行，给学生的印象更深刻。

进一步，结合Multisim仿真，利用其直流工作点分析（DC Operating Point Analysis）功能测量各点或者各器件的直流电压、电流值，与理论计算值进行对比。再通过示波器显示功能，展示电路中各点电位或者各器件的电压波形，与第三步的计算结果进行对比。

三、结语

模拟电子电路中的有源元件有多种类型的BJT、FET等，均为非线性元件。对于小信号放大电路，均可将非线性元件进行线性化处理，得到直流模型和小信号等效电路模型，进而采用图1b所示的分析流程框图逐步开展静态分析、动态分析以及综合分析。教师在讲授过程中帮助学生理清BJT与FET器件的特性曲线和交直流等效模型与参数、放大电路的直流与小信号等效电路以及相互联系，并结合各等效电路的计算、图解法分析以及软件仿真数据开展计算与讨论，使课堂教学的内容与形式更加丰富、完善。

参考文献

[1]刘芸，陆洪毅，王学慧.浅谈模拟电子技术的学习难点及教学策略[J].大学教育，2015（1）：120-122.

[2]唐治德，申利平.模拟电子技术基础（第二版）[M].北京：科学出版社，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