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模擬電路網絡課件 第十一節(jié):小信號模型分析法

2009年09月17日 09:53 本站整理 作者:佚名 用戶評論(0

模擬電路網絡課件 第十一節(jié):小信號模型分析法

3.4 小信號模型分析法

3.4.1 BJT的小信號建模

電路理論的公式和定律不能直接運用含有BJT非線性器件的放大電路。如果在一定條件下,能建立BJT的線性化模型,那么,放大電路的分析問題就可迎刃而解。

在輸入信號電壓很小時,可以將BJT小范圍的特性曲線近似用直線代替,從而把BJT這個非線性器件所組成的電路當作線性電路來處理。

(1)
????(2)

輸出端交流短路時的輸入電阻,單位為歐姆(W);
輸出端交流短路時的正向電流傳輸比或電流放大系數(shù)(無量綱);
輸入端交流開路時的反向電壓傳輸比(無量綱);
輸入端交流開路時的輸出電導,單位為西門子(S);

在小信號條件下,對視為線性雙口網絡的BJT求H參數(shù)后得如下表達式:

(1)
(2)

式(1)表示BJT輸入回路方程,它表明輸入電壓vbe是由兩個電壓相加構成的,其中一個是hieib,表示輸入電流ib在hie上的電壓降;另一個是hrevce,表示輸出電壓vce對輸入回路的反作用,用一個電壓源來代表。于是可得如圖1左邊的輸入等效電路,這是戴維南等效電路的形式。

式(2)表示輸出回路方程,它表明輸出電流ic由兩個并聯(lián)支路的電流相加而成,一個是由基極電流ib引起的ic=hfeib,用電流源表示;另一個是由輸出電壓加在輸出電阻1/hoe上引起的電流,即 。這樣,又得到圖1右邊的輸出端等效電路。這是諾頓等效電路的形式。

由此得到將BJT線性化后的線性模型。在分析計算時,可以利用這個模型來代替BJT,從而可以把BJT電路當作線性電路來處理,使復雜電路的計算大為簡化。H參數(shù)的小信號線性模型在電子電路分析中應用得很廣泛。
??? 三、BJT的H參數(shù)小信號模型簡化

在如圖1所示的共射極接法的BJT的小信號模型中,H參數(shù)的數(shù)量級一般為

圖1

?? 圖2

例如,對高頻小功率硅管3DG6,在IC=1mA,IB=3μA,VCE=5V時的H參數(shù),通過實驗測得

由這些具體數(shù)字可見,hoe和hre相對而言是很小的,對于低頻放大電路,輸入回路中hrevce比vbe小得多,而輸出回路中負載電阻Rc(或RL)比BJT輸出電阻1/hoe小得多,所以在模型中常??梢园裩re和hoe忽略掉,這在工程計算上不會帶來顯著的誤差。同時采用習慣符號,用rbe代替hie并且b代替hfe。則圖1可簡化成圖2所示模型電路。利用這個簡化模型來表示BJT時,可使BJT放大電路的分析計算進一步簡化。當負載電阻Rc(或RL)較小,滿足Rc(或RL)< 0.1rce的條件時,利用這個簡化模型來分析低頻放大電路所得放大電路的各主要指標,如電壓增益、電流增益、放大電路的輸入電阻Ri及輸出電阻Ro等,其誤差不會超過10%。

四、H參數(shù)的確定

由于BJT本身參數(shù)具分散性且會隨Q點變化而改變,因此在應用H參數(shù)等效電路來分析放大電路時,首先必須得到BJT在Q點處的H參數(shù)。

獲得H參數(shù)的方法:

1、可采用H參數(shù)測試儀,或利用BJT特性圖示儀測量b和rbe。

2、也可以借助公式進行估算rbe:

rbe= rb+(1+b)re???? (1)

式中rb為基區(qū)體電阻,對于低頻小功率管,的rb約為200W 左右。re為發(fā)射結電阻。(1+b)re是re折算到基極回路的等效電阻,根據PN結的V-I 特性表達式,可以導出re的值為VT(mV)/IE(mA)。這樣,式(1)可改寫為

???? (2)

式中VT為溫度的電壓當量,在室溫(300K)時,其值為26mV。應當注意的是,式(2)的適用范圍為0.1mA

五、BJT的H參數(shù)小信號模型的討論

為正確使用小信號模型來分析電路,我們對BJT的H參數(shù)小信號模型作如下討論:

① 模型中電流源的性質:

在BJT的小信號模型中,引入的等效電流源hfeib,是從電路分析的角度虛擬出來的,它只是代表BJT的電流控制作用,當ib=0(即vbe=0)時,等效電流源就不存在了,故稱它為受控電流源,也就是說,它是受輸入電流的控制。

② 電流源的流向:

BJT的H參數(shù)小信號模型中電流源hfeib的流向是在假定正向的原則下定出的,那就是:電壓以共同端為負端,電流以流向電極的方向為正方向,根據BJT工作的物理實質和hfe的定義,當ib的流向與假定的正方向相同時,ic的流向也必然與假定的正方向相同,是由集電極流向發(fā)射極,所以等效電流源hfeib的流向是由ib(也就是vbe)來決定的,不能隨意假定,否則就會得出錯誤的后果

同理,模型中反映輸出電壓變化量對輸入回路影響的等效電壓源hrevce也是一個受控電源,也具有從屬性,它在電路中的極性根據hre的定義不能隨意假定。

③ 模型的對象是變化量:

放大電路工作時,放大的對象是變化量,所以小信號模型中所涉及到的電壓、電流都是變化量。因此,不能利用小信號模型來求靜態(tài)工作點,或者利用它來計算某一時刻的電壓和電流總值。

④BJT的H參數(shù)與靜態(tài)工作點有關:

小信號模型雖然沒有反映直流量,但小信號參數(shù)是根據Q點的電壓、電流值求出的,所以它們實際上與IB、IC、VCE等靜態(tài)值是有關系的。它計算出來的結果反映了Q點附近的工作情況。

3.4.2 用H參數(shù)小信號模型分析電路

一、放大電路的小信號模型分析的一般步驟

利用BJT的H參數(shù)小信號模型分析放大電路的步驟:

1.根據直流通路估算靜態(tài)工作點,確定H參數(shù)rbe;

2.畫出放大電路的小信號模型等效電路。

先畫出放大電路的交流通路再用BJT的H參數(shù)小信號模型代替交流通路中的BJT,繼而畫出放大電路的小信號模型等效電路。

(注意:由于輸入信號常用正弦電壓,所以,小信號等效電路中的電壓、電流均用相量表示。)

3.根據放大電路的小信號模型等效電路計算放大電路的交流指標 、Ri、Ro。

用小信號模型分析法分析如圖1所示共射極基本放大電路。

1.根據直流通路計算靜態(tài)工作點,確定H參數(shù)

圖4

(2)計算輸入電阻

根據放大電路輸入電阻的定義有

??

根據KCL,對于圖4 中的b點有

?

?故 ?

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