叠加定理在非线形电路分析中的应用

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  摘要:电子技术迅速发展,三极管放大器作为电子设备中最重要最基本的单元电路。如何分析三极管放大电路,使学生掌握基本的放大电路的工作原理为本文重点。作者主要利用叠加定理对放大器进行静态和动态分析,同时对放大器的非线性失真,采用了信号叠加的直观方法分析。提高学习效果。
  关键词:叠加定理、电子技术、放大电路
  电子技术基础则是中等职业学校电气电子类专业通用的技术基础课程。作为一门基础课程,对于现有学生来讲,课程内容显然不易理解和掌握。尤其是大量的非线性电路的分析更是显得艰涩难懂。放大器作为电子设备中最重要最基本的单元电路,其应用非常广泛,在电子技术中介绍是必不可少的。如何分析三极管放大电路,使学生掌握基本的放大电路的工作原理,就成为了重点中的重点。
  一、三极管放大电路课程分析
  在讲授三极管及放大电路教学过程中,因为是新课程,新元件的使用(原来皆是两脚元件),学生接受有障碍,且知识点多,从电路组成到直流通路、交流通路、输入V—A特性、输出V—A特性、Q点、Ri、Ro、Au、h参数等效电路、饱和失真、截止失真等等(还不包括三极管本身参数,如:?、rbb、rbe等)。当需要理解和记忆的材料数量偏大时,就会给学习带来困难。研究表明,在这种情况下,把记忆的组织适当分散成若干小单元后,再依次存贮,记忆的效果就会好些。
  二、基尔霍夫电流定律与管脚电流关系
  基尔霍夫电流定律又叫做节点电流定律,它指出:电路中任意一个节点或假定封闭曲面上,任意时刻,流入的电流之和等于流出节点的电流之和,当讨论电流方向有正负时可以有ΣI=0。
  当学生根据三极管输出特性曲线得出,三极管工作在放大区时有iC=βiB时,可以根据基尔霍夫电流定律取三极管为一闭合曲面,则有ΣI=0,即有iE=iB + iC = iB(1+β),且iE方向与iB和iC方向相反如图所示:
  三、叠加定理与放大器静态、动态分析
  叠加定理是线性电路的一种重要分析方法,它解决了由线性电阻和多个电源组成的线性电路中,电流分布的问题。假定在电路内只有各个电源单独作用时,在此支路所产生的电流保持不变,对此电路求其电流分布,再假定只有第二个电动势起作用,而所有其余电动势都不起作用,再进行计算;依次对所有电动势进行计算后再把所有结果合并进而求出整个电路中的电流分布。
  使用电工中对线性电路进行分析方法对非线性元件三极管构成的放大器进行分析时,就要注意电压或者叫做信号是否能够叠加的问题。对于放大电路的最基本要求,一是不失真,二是能够放大,若波形严重失真,则波形就无意义,所以只有信号在整个周期内三极管始终保持在放大状态,输出信号才不会失真。
  一般情况下,在放大电路中,直流信号(静态电压、电流)和交流信号(动态电压与电流)总是共存的,但是由于电容、电感等元件的存在,直流量所经的通路与交流信号所经过的通路并不完全相同,此时就可考虑用叠加定理。
  分析电路图1:
  图中分别有两种电源,+VCC和US,则可将电路分开,于是根据叠加定理先将US短路,此时注意到整个电路为支流+VCC,于是C1、C2相当与短路,于是又可转化为图2:(实际成为电路的直流通路)
  又将+VCC短路,于是有此时电路电源为交流电源,可以有C相当与短路,电路可转化为图3:(实际成为交流通路)
  在进行静态分析时,充分运用到电位知识点,由教师选择两条通路,启发学生自己得到IB,IC和UCE的表达式。这样不但使学生掌握了基本共射放大电路的静态分析方法,而且为学生分析以后的共基、共集以及偏置电路打下了良好的基础。
  四、信号叠加与非线性失真
  将静态工作点Q代入到三极管的输入曲线,于是可讨论Q点位置、UBE与三极管发射极的关系,可见Q点低若uBE  若uBE< 0.7(由图上可以读出),则发射结截止,所以截止失真,即阴影部分信号放大失真。
  对于饱和失真,当Q点过高时,ib为不失真正弦波,但是由于输入正半周太大,峰值部分若进入三极管饱和区会引起ic产生顶部失真。同样利用波形叠加的理论来解释,有:
  当uBE大于 0.7V时,发射结正偏,输入端不失真,但是有uBE变大,则ib变大,同时ic变大,UCE =VCC—IcRC值变小。若UCE接近于0甚至变为负值时,则三极管集电结正偏,进入饱和区,可能有部分UBE太大的信号无法正常放大,于是有过大的UBE信号(图中阴影部分)放大失真。
  显然相对于复杂的输出特性曲线分析,因为学生有叠加的基础,用信号叠加的方法更加易于理解。同时,对于前面介绍过的静态工作点Q的分析加深了学生对IB、IC、UCE之间的关系的掌握,起到了即学即用,加深掌握和记忆的效果。
  参考文献:
  [1]甄德山,教育学新编,天津教育出版社,1996.6,天津
  [2]周绍敏,电工基础,高等教育出版社,2006.5,北京
  [3]卞小梅,电子技术基础,电子工业出版社,2006.7,北京
  作者简介:王妲(1981-),女,汉族,籍贯天津,工学硕士,讲师,从事机电、制冷专业课教学工作。
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