電路的分析方法

孫會(huì)麗

(鐵嶺師范高等?？茖W(xué)校理工學(xué)院，遼寧鐵嶺 112001)

1 理想模型分析方法

在電路中，當(dāng)二極管的正向壓降小于和它串聯(lián)的電壓，反向電流遠(yuǎn)小于和它并聯(lián)的電流時(shí)，由于它的正向電阻很小，反向電流也很小，此時(shí)可不考慮二極管的正向?qū)娮韬头聪螂娏?，把二極管看作是理想二極管，可把二極管當(dāng)作是理想開(kāi)關(guān)，即正向?qū)ǚ聪蚪刂梗@樣就可方便地分析和計(jì)算電路中的各量［1－2］。

盡管理想集成運(yùn)算放大器并不存在，但一般集成運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)差模電壓增益較大，其值可達(dá)104～107倍，差模輸入電阻較高，采用雙極型三極管作輸入級(jí)，其典型值為幾十kΩ到幾MΩ，而采用場(chǎng)效應(yīng)管作輸入級(jí)，其輸入電阻通常＞108Ω。輸出電阻微小，一般＜200Ω。另外集成運(yùn)算放大器的共模抑制比也較大，失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及它們的溫漂均較小，集成運(yùn)算放大器的技術(shù)指標(biāo)都接近理想，具體分析時(shí)可將其理想化，把集成運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo)看作:開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)無(wú)窮大，輸入電阻無(wú)窮大，輸出電阻為零，沒(méi)有失調(diào)，沒(méi)有失調(diào)溫漂，共模抑制比趨于無(wú)窮大等。即分析時(shí)用理想模型來(lái)代替，進(jìn)而推出兩個(gè)輸入端“虛斷”和“虛短”，使問(wèn)題進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

2 近似分析法

在電子電路的分析過(guò)程中，正確地做好“忽略”與“近似”，也可以把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。特別是在分析二極管、三極管、石英晶體等非線性元件及由它們組成的各種電路時(shí)，如果不用“近似”的方法難以得到結(jié)果。

二極管的正向特性是彎曲的，分析它較復(fù)雜，可用兩段直線逼近，稱為特性曲線折線近似。這樣二極管就可用一個(gè)理想二極管、導(dǎo)通電阻以及一個(gè)電壓等于它的導(dǎo)通電壓的直流電源來(lái)等效。

三極管組成的共射極放大電路，當(dāng)工作電流較大時(shí)，交流電流和直流電流放大倍數(shù)近乎相等，此時(shí)可對(duì)它們不加區(qū)分進(jìn)行混用。

在分析三極管組成的基本放大電路時(shí)，由于電路中既含有直流成份又含有交流成份。在分析電路中的電壓、電流分量時(shí)，要分別分析直流通路和交流通路，然后再求總量。在畫交流通路時(shí)，如果輸入信號(hào)是低頻信號(hào)，可忽略耦合電容對(duì)信號(hào)的阻抗，而認(rèn)為電容是短路的。同時(shí)，由于直流電源的交流內(nèi)阻很小，也可認(rèn)為它對(duì)交流信號(hào)是短路的。經(jīng)過(guò)這些近似以后，問(wèn)題將被簡(jiǎn)化。

在分析含有負(fù)反饋放大電路時(shí)，有部分輸入信號(hào)會(huì)直接通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捷敵龆?，也有部分輸出信?hào)會(huì)直接通過(guò)輸入回路反饋到輸入端，但由于它們的量都很小，所以在研究負(fù)反饋對(duì)放大電路的作用時(shí)，可以忽略。

3 等效電路代替法

在電子電路中，根據(jù)電路中的實(shí)際工作條件和電子元件的特點(diǎn)，我們有時(shí)可以用已知電路來(lái)代替未知電路，用線性等效電路來(lái)代替非線性元件使問(wèn)題變得易于分析和計(jì)算。

在分析放大電路的外部特性時(shí)，可把放大電路看作一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)，不考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只分析它輸入、輸出端的電流和電壓情況，此時(shí)對(duì)于輸入信號(hào)源，放大電路則相當(dāng)于一個(gè)輸入電阻。對(duì)于負(fù)載，放大電路就相當(dāng)于一個(gè)帶有內(nèi)阻的電壓源。如此等效以后，給求解放大電路的交流性能指標(biāo)將帶來(lái)較大方便，如圖1所示。

圖1 四端口網(wǎng)絡(luò)等效電路圖

在分析三極管組成的基本放大電路時(shí)，如果電路中的信號(hào)變化的幅度微小，在分析放大電路的交流性能指標(biāo)時(shí)，可以用三極管的微變等效電路來(lái)代替三極管，在低頻時(shí)，可以不考慮三極管的極間電容，即在三極管的基極和發(fā)射極之間用一個(gè)PN結(jié)的結(jié)電阻來(lái)代替，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于一個(gè)受基極電流控制的受控電流源，如圖2所示。這樣就可以計(jì)算出電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等交流性能指標(biāo)了。而在高頻時(shí)，要考慮三極管的極間電容的影響，在分析電路的各項(xiàng)性能指標(biāo)時(shí)，三極管就要用其高頻等效電路來(lái)代替［3］。

圖2 三極管等效電路

場(chǎng)效應(yīng)管也是一種非線性器件，當(dāng)其在放大電路中工作在交流小信號(hào)狀態(tài)時(shí)，也可以用它的微變等效電路來(lái)代替。在它的柵極和源極之間等效于一個(gè)很大的電阻，源極和漏極之間等效于一個(gè)壓控電流源［4］。

石英晶體具有極高的頻率穩(wěn)定度，所以通常應(yīng)用在振蕩電路中。石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，其電路符號(hào)、等效電路及電話頻率特性如圖3所示。

圖3 石英晶體等效電路和頻率特性

即 L、C、R 支路諧振時(shí)的串聯(lián)諧振頻率 fs，L、C、R支路再和Co支路并聯(lián)諧振時(shí)的并聯(lián)諧振頻率fp。當(dāng)它工作在兩個(gè)諧振頻率之間時(shí)，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)高Q值的電感元件，可用電感元件來(lái)代替。而它工作在串聯(lián)諧振頻率上時(shí)，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)高選擇性的短路元件，此時(shí)它的阻抗很小，可以用小電阻或是導(dǎo)線來(lái)代替。

4 拆分電路簡(jiǎn)化法

在電子電路的分析中，有時(shí)會(huì)遇到對(duì)大型電路的分析和計(jì)算，這時(shí)為把繁瑣的問(wèn)題簡(jiǎn)化，通常采用拆分電路把復(fù)雜的電路分解成簡(jiǎn)單電路，然后再來(lái)分析。

在電路中既有直流量又有交流量時(shí)，可把直流通路和交流通路分別畫出來(lái)，對(duì)電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況分別進(jìn)行分析，會(huì)使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化［5］。如在分析放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和交流性能指標(biāo)時(shí)，把直流通路和交流通路分開(kāi)，通過(guò)直流通路來(lái)求靜態(tài)工作點(diǎn)，由交流通路來(lái)求輸入電阻、輸出電阻和交流電壓的放大倍數(shù)。在振蕩電路中，分析是否符合三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩條件時(shí)，電路圖較復(fù)雜，若把直流部分去掉，再畫出交流通路，就會(huì)一目了然，看出是否符合電容三點(diǎn)式或電感三點(diǎn)式振蕩器的組成原則。

在計(jì)算多級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和交流性能指標(biāo)時(shí)，可以把各級(jí)電路分開(kāi)進(jìn)行研究和計(jì)算。特別在求電壓放大倍數(shù)時(shí)，分別求出各級(jí)的放大倍數(shù)，同時(shí)考慮級(jí)與級(jí)之間的相互影響，可把前一級(jí)的負(fù)載當(dāng)作后一級(jí)的輸入電阻，或把后一級(jí)的輸入電阻當(dāng)作前一級(jí)的負(fù)載。然后再把各級(jí)電壓放大倍數(shù)相乘得到總的電壓放大倍數(shù)。而輸入電阻和輸出電阻分別求的是第一級(jí)的輸入電阻和最后一級(jí)的輸出電阻。

在分析大型的集成電路時(shí)，也要把電路拆分為輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路等部分，然后逐級(jí)分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理作用等，掌握電路后，對(duì)于實(shí)際電路出現(xiàn)故障時(shí)就能及時(shí)查出漏洞。

5 假設(shè)推斷法

假設(shè)推斷法也是分析電子電路中常用的一種方法。先假設(shè)一個(gè)結(jié)果，然后用所得的結(jié)論和假設(shè)情況相比較，從而得出結(jié)論。

判斷電路中的三極管是處于放大狀態(tài)還是飽和狀態(tài)時(shí)，可先假設(shè)它處于臨界飽和狀態(tài)，計(jì)算出三極管的基極臨界飽和電流。再根據(jù)實(shí)際工作電路，計(jì)算出三極管的基極電流，然后將兩者進(jìn)行比較，如果實(shí)際工作電流大于臨界飽和電流，則三極管處于飽和狀態(tài)，否則處于放大狀態(tài)。

在判斷放大電路中引入的反饋是電流反饋還是電壓反饋時(shí)，可先假設(shè)負(fù)載短路或者斷路，然后看是否還有反饋信號(hào)，如果負(fù)載短路則電路中沒(méi)有反饋信號(hào)則即為電壓反饋，如果負(fù)載斷路時(shí)沒(méi)有了反饋信號(hào)則是電流反饋［2］。

在判斷放大電路中引入的反饋是正反饋還是負(fù)反饋時(shí)，先假設(shè)輸入信號(hào)的某一瞬時(shí)為正，然后沿著信號(hào)的傳輸路徑依次推斷出信號(hào)流經(jīng)電路各處的相位，最后推出信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捷斎攵藭r(shí)，反饋信號(hào)和輸入信號(hào)的相位關(guān)系，從而判斷電路中引入的反饋是正反饋還是負(fù)反饋［2］，這種方法也叫瞬時(shí)極性法，如圖4所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

圖4 瞬時(shí)極性法判斷反饋極性的實(shí)例

在模擬電子技術(shù)中，還存在許多分析和學(xué)習(xí)的方法，文中根據(jù)教學(xué)和學(xué)習(xí)的實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)本課程，掌握好的分析方法對(duì)教學(xué)和學(xué)習(xí)都會(huì)有很大的幫助。另外通過(guò)分析方法的掌握，不但能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，更會(huì)大幅提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和水平。

［1］童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.4版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］胡宴如.模擬電子技術(shù)［M］.2版.北京:高等教育現(xiàn)版社，2008.

［3］胡宴如.高頻電子線路［M］.3版.北京:高等教育出版社，2004.

［4］李宏恩.等效電路法在放大電路分析中的應(yīng)用［J］.電子科技，2011，24(5):30 －32.

［5］曹鵬.EDA軟件在《電路》理論課教學(xué)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2001(4):48－50.