放大線路交流信號的線性分析

　放大線路是非線性電路。因為構(gòu)成其電路的電子元件是非線性元件。要用他對信號進(jìn)行不失真地放大，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c，使電子器件工作在近似線性區(qū)域，這就決定了放大器的分析包括直流分析和交流分析。而非線性器件對直流信號和交流信號所呈現(xiàn)的性能不同，這就是放大器分析與一般線性電路分析的不同之處，當(dāng)對放大器進(jìn)行小信號分析時，其電路模型又是線性的。但電子器件的非線性對于放大器的分析卻一直起著重要的作用。

　　關(guān)鍵詞：放大線路;電子器件;線性;非線性

　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是電子類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。模擬電路是學(xué)生難學(xué)、教師難教的一門課程。放大器是模擬電路的入門基礎(chǔ)，也是《電子技術(shù)基礎(chǔ)》的重點和難點，只有解決了這個難題，才能進(jìn)入電子技術(shù)的領(lǐng)域。筆者經(jīng)過教學(xué)實踐，逐漸形成了以非線性器件、線性器件與線性放大的主要矛盾，以線性非線性線性為主線，以直流分析和交流分析為主要內(nèi)容的放大器的分析思路和原則，較好地解決了從《電路》到《電子技術(shù)》的過渡，解決了電子技術(shù)入門難的問題。

　　1　從線性到非線性

　　電子線路是電路的一個分支，是包含有電子器件的電路，而電子器件是非線性器件，所以電子線路是非線性電路?！峨娐贰分幸话惆ǚ蔷€性電路一章，但內(nèi)容少，只是簡單介紹，沒有引起學(xué)生足夠的重視。所以《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課一開始就要做好從線性電路到非線性電路的過渡。

　　《電子技術(shù)基礎(chǔ)》一開始就講PN結(jié)，PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。在討論了PN結(jié)的工作原理，得到PN結(jié)的伏安特性后，就進(jìn)入了非線性：其伏安特性曲線為非線性函數(shù)。在這里首先要給出線性電阻的定義，引出直流(靜態(tài))電阻和交流(動態(tài))電阻的概念，對比線性電阻(伏安特性曲線為通過原點的一條直線，其直流電阻和交流電阻相等且為一常量)可得出如下重要結(jié)論：

　　(1)非線性元件在伏安特性曲線上任一點的直流電阻和交流電阻一般是不相等的。

　　(2)非線性元件的直流電阻和交流電阻不是一個常數(shù)，而是隨著靜態(tài)工作點的不同而變化。

　　PN結(jié)的正向電阻很小，而反向電阻很大。所以，往往把他的非線性概括為單向?qū)щ娦浴６O管就是一個PN結(jié)，三極管由2個PN結(jié)組成，當(dāng)他工作在放大狀態(tài)時，輸入特性相當(dāng)于PN結(jié)的正向特性，而輸出特性相當(dāng)于基區(qū)注入少數(shù)載流子控制下的PN結(jié)反向特性。

　　以上講的是電子器件的非線性，有了電子器件非線性特點，才有電子線路與一般線性電路的區(qū)別，才能理解放大器的工作原理、靜態(tài)工作點的設(shè)置及直流分析和交流分析的不同。

　　2　非線性帶來的放大線路的特點

　　非線性元件往往會產(chǎn)生新的頻率分量，也就是產(chǎn)生非線性失真。這就是電子線路必須考慮的首要問題。如果把交流信號直接加到三極管的發(fā)射結(jié)上(即不加靜態(tài)偏置)，則由于發(fā)射結(jié)的單向?qū)щ娦?，即便忽略了他的死區(qū)電壓和正向特性的非線性，也會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真，這樣只有正半周導(dǎo)通，而負(fù)半周是截止的(乙類工作狀態(tài))。只有將交流信號的中心位置沿電壓軸向上平移，即在發(fā)射結(jié)加正向偏壓，并使正向偏壓值大于交流信號的振幅值，才能使PN結(jié)在交流信號的正、負(fù)半周均導(dǎo)通(甲類工作狀態(tài))，才能得到不失真的放大，由此得到2條結(jié)論：

　　(1)為了克服PN結(jié)單向?qū)щ娦詭淼姆蔷€性失真，放大器在加入交流信號之前必須加上直流偏置信號。

　　(2)放大器線路中既有直流信號，也有交流信號; 2種信號的流通回路可能不同，即既有直流通路，又有交流通路;放大器中各處的電壓和電流既有直流分量，又有交流分量，即瞬時量等于直流量加交流量，這就決定了放大器的分析包括直流分析和交流分析2部分，直流分析是確定放大器的直流工作點，交流分析是計算放大倍數(shù)，輸入和輸出電阻、輸出功率和效率以及頻率響應(yīng)等性能指標(biāo)。直流信號與交流信號的通路不同，特別是非線性器件對直流信號和交流信號所呈現(xiàn)的性能不同(直流電阻和交流電阻)，所以直流分析和交流分析要采用不同的電路網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)。這些往往被一些同學(xué)所忽略，應(yīng)特別引起注重。

　　3　微變信號的線性等效電路分析

　　對微變信號在放大器的分析方法中，把他變?yōu)榫€性電路的分析問題，這樣就完成了線性---非線性--- 線性的全過程。但這并不是回到了原來的地方去，而是有了一個質(zhì)的飛躍和提高。雖然放大線路的交流分析也是線性分析，但必須采用非線性器件在給定的靜態(tài)工作點上的交流參數(shù)，非線性的特點在這里仍然起作用，在很多電子線路中，就是利用電子器件的直流電阻和交流電阻不同這一特點的。利用這一概念可以理解和解釋很多電路的工作原理。例如，有源負(fù)載就是利用這一特點，在較低的直流電源電壓或較大的靜態(tài)工作電流的情況下，得到一個較大的交流等效電阻，在差動放大電路中，通過對長尾式差動放大器發(fā)射極電阻功能的分析，知道他能夠有效地減小共模放大倍數(shù)而對差模信號沒有任何影響，所以他越大越好，如果用線性電阻，在一定的工作電流下，選用大的電阻，就必須受到發(fā)射極直流電源電壓的限制，這樣，選用交流電阻很大而直流電阻很小的有源負(fù)載就是很自然。

　　4　結(jié)　語

　　《電路》課程中一般的線性電路分析，到電子器件的非線性，再到放大線路中交流信號的線性分析，至此，對放大線路分析的任務(wù)就基本完成了，因為電路就是由電路元件構(gòu)成的回路，分析電路就是先用電路元件的模型代替這些元件后，利用電路基本定律和基本分析方法，對由電路元件的模型構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)求解，電子線路與一般電路的惟一區(qū)別就在于他包含有電子器件?，F(xiàn)在，當(dāng)把電子器件也用他的電路模型代替后，電子線路也就變成了一般的電路，其分析也就變成了一般電路的分析，這樣講，是讓學(xué)生明白，電子線路是電路的一個分支，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》是《電路》的延續(xù)和擴(kuò)展，其基本定律和分析方法是相同的，從而建立一個統(tǒng)一、完整的電路分析的概念。