模拟放大电路实验现象的理论与图解法解析

摘要：从影响放大电路性能的几个主要因素入手，采用理论与图解法结合的方法，解析了模拟放大电路实验过程中出现的一些似乎无法解释或跟理论相悖的实验现象，较直观地使学生深入理解了放大电路的性能，有利于学生真正掌握模拟放大电路的原理与实质。
关键词：电子技术；实验；图解法；电压放大电路

0 引言
    《模拟电路技术实验》是一门实践性很强的专业技术基础实验课程，是对模拟电子技术理论知识的重要补充。电压放大电路是模拟电子技术这门课程的重要的基本的内容，贯穿于整个模拟电子技术基础课程的教学中。电压放大电路实验包括基本共射放大电路实验、射极电压跟随器实验、多级电压放大电路实验、负反馈放大电路实验和差动放大电路实验等，是模拟电子电路课程实验的基本的也是重要的实验。对于电压放大电路实验，主要研究的是电压放大电路的性能，即电压放大能力、带负载能力以及从信号源索取电流的能力。为了研究放大电路的性能，实验电路中往往通过静态工作点(即调节基极偏置电阻)的改变，实现对放大性能的影响；负载电阻的阻值的改变，实现对放大性能的影响；单级放大电路的级联提高电压放大能力；引入负反馈改善放大电路的各性能参数。下面就从影响放大电路性能的几个主要因素入手，对放大电路实验中常出现的、学生觉得无法解释或与理论似乎又相悖的问题进行理论分析与基于图解法的解析，以期望使学生深入理解放大电路的性能，真正掌握模拟放大电路的原理与实质。

1 静态工作点对放大电路性能的影响
    如图1为基本共射放大电路的实验原理图与输出特征曲线，理论上可通过凋节Rb，Rc或更换三极管的方法实现静态工作点的调整，但在实验中一般只通过调节基极静态偏置电阻(即Rb2)，研究静态工作点的改变对放大电路性能的影响。

    在电压放大电路中既存在直流信号又存存交流信号，即既存在静态工作点又存在动态的交流信号，且直流信号为放大动态的交流信号提供合适的静态工作点，保证放大电路能不失真且最大限度地放大交流信号，而交流信号在放大电路中的流动必须建立在静态的基础上。由此可知：静态工作点的改变必定对放大电路的性能产生影响。
    首先分析调节Rb2时，静态工作点的移动。由于，且VCC、Rc不变，即直流负载线不变，则当Rb2增大时，Q点沿直流负载线下移，如图1(b)中的Q1点；当Rb2减小时，Q点沿直流负载线上移，如图1(b)中Q2点。
    再通过理论分析叮得动态参数，电压放大倍数及输入电阻：
   
    从式(1)表面无法看出Rb2的调节对共射极放大电路的电压放大能力的影响，但实验中却明显地得出：当Rb2改变时，共射极放大电路的电压放大倍数在改变。对静态工作点的改变必定对放大电路的性能产生影响的解析如下所述。
    其理论解析如下：
   
    由此可知：当Rb2增大时，Au减小，Ri增大；当Rb2减小时，Au增大，Ri减小。
    尽管理论上已经获得解析，但从图1(b)中可知由于VCC、Rc不变，直流负载线不变，当Rb2改变时，Q会沿直流负载线上下移动。那么就产生Rb2增大，Q点下移时，Au下降，Ri增大；而Rb2减小，Q上移时，Au增大，Ri减小的疑问。从图1(b)所示共射放大电路的输出特性曲线上可知，Rb2改变时直流负载线不变，交流负载线斜率不变，且为线性，在输出信号不失真的条件下，只是Q点上下移而已，但是根据负载线的线性及输出不失真的条件，即使Q点移动，Au，Ri也不应发生变化。通过图2所示图解法对放大电路性能的分析，便可理解其中的原理。

    从图2可知，在输出不失真的条件下，对于同样大小的输入信号，由于三极管输入特性曲线的非线性，使得当Rb2增大时，Q下移，对应的输入ib减小，ic减小，Uo减小，显然Au随之减小，Ri增大；当Rb2减小时，Q上移，对应的输入ib增大，ic增大，Uo增大，Au随之增大，Ri减小。
    不过，在此应注意：当静态工作点移动至特性曲线近似线性的区域时，Au和Ri就几乎不再发生改变，为一固定值。

2 负载对放大电路性能的影响
2．1 对Au的影响
    理论上由式(1)可知：RL增大，Au增大；RL减小，Au减小。
    用图解法同样可知：当RL增大时，RL’增大，交流负载线变平坦，输出的动态范围增大，即输出信号增大，Au增大，如图3所示。

2．2 对非线性失真的影响
    实验现象：固定Q点，带负载RL，调节输出为最大不失真的输出；再断开负载，发现又出现了失真现象；固定Q点与RL，且使Q点偏离放大区中心，调节输入信号幅度，使输出出现失真现象；然后调节RL，使RL减小，可发现失真减弱或消失。
    理论上：如上节分析所知，由于RL增大时，Au增大，输出信号增大，动态输出范围增大，使得原本刚好不失真的最大输出由于动态输出范围的增大而产生失真现象。

    图解法解析：如图4(a)所示，假设Q点固定且偏离放大区的中心，靠近饱和区，那么，当带负载且输出调节为最大不失真输出时，断开负载，交流负载线就与直流负载线重合。由于三极管特性的非线性，由图4(a)可知，尽管输出的动态范围增大，但出现了饱和失真现象。当Q点处于放大区的中心(如图4(b)所示)或者靠近截止区时，同样由于三极管特性的非线性，会出现同样的实验现象，只不过当Q点靠近截止区时，出现的是顶部失真。

3 单级放大电路的级联对放大电路性能的影响
    实验现象：首先单独调整每级放大电路的静态工作点，使得每级放大电路的静态工作点都处于放大区的中心，然后级联两级或多级放大电路，在输入信号不变的情况下，发现①输出端产生了顶部和底部同时出现的失真现象；②在降低输入信号的过程中，发现顶部和底部失真并非同时消失。
    理论与图解法解析：由于调整每级放大电路静态工作点都处于放大区中心的过程中，每级放大电路的输出都为最大不失真输出，当级联后，用上级的输出作为下级的输入，势必超出了下级的最大输入信号的范围，即输出超出了最大的输出(如图5(a)所示)，必定产生上下都被削去的失真现象。由此可知，要消除这种失真现象，只要减小输入信号的幅度，便可达到预期的目的。

    在调整每级放大电路静态工作点都处于放大区的中心的情况下，在降低输入信号的过程中发现顶部和底部失真并非同时消失的原因是：在调节前级静态工作点时，下级电路是断开的，也就相当于前级放大电路在空载的情况，但当电路级联后，相当于带上负载，此时前级放大电路的交流负载线与空载时不同，对于空载时的Q点处于放大区中心的情况，由于三极管特性的非线性，带负载后，Q点会偏离放大区的中心(如图5(b)所示)，因此，在降低输入信号的过程中，发现顶部和底部失真并非同时消失。

4 负反馈对放大电路性能的影响
    负反馈的引入对放大电路的影响是非常全面的，它可以改变放大电路的电压放大能力、带负载能力、索取信号源信号的能力，可以拓展频带宽度和可以改善非线性失真等。这些性能通过实验都可以得到验证，但在实验过程中同样也会出现让人困惑的问题与实验现象。
    实验现象在带负载、闭环且静态工作点固定的情况下，观察闭环放大电路的最大不失真输出电压时，出现①若此时将闭环开路，失真又立即产生；②若此时断开负载，失真同样立即产生。
    实验现象①的解析与级联所产生的实验现象①相似，只不过在此是由于开环电压放大能力高于闭环电压放大能力，使得在闭环情况下的最大不失真。当电力开环后，由于放大能力的提高，输出超出了最大不失真的动态范围，因此，产生了失真现象。
    实验现象②的解析与如图4(b)相似，此时闭环放大电路的交流负载线与带负载时不同，对于带负载时的Q点处于放大区中心的情况，由于三极管特性的非线性，空载后，Q点会偏离放大区的中心，因此，闭环带负载情况下的最大不失真，在空载时会出现失真现象。当Q点偏离放大区域时的情况如图4(a)所示。

5 结语
    在模拟放大电路的实验中，经常会使学生产生难以理解或无法解释的现象。在实验教学过程中，采用图解分析法可以直观、全面地对这些现象做深入透彻地解析，可很好地巩固理论知识并提高动手能力，使初学者的基本实践技能循序渐进地提高，并因此而激发学生的学习兴趣和求知欲望，提高模拟电子技术课程的教学质量。