放大电路的瞬态分析与稳态分析

放大电路的瞬态分析与稳态分析

对放大电路的研究，目前有稳态分析法和瞬态分析法两种不同的分析方法。 稳态分析法：也就是已讨论过的频率响应分析法。该方法以正弦波为放大电路的基本信号，研究放大电路对不同频率信号的幅值和相位的响应（或叫做放大电路的频域响应）。其优点是分析简单，便于测试；缺点是不能直观地确定放大电路的波形失真。

瞬态分析法：是以单位阶跃信号为放大电路的输入信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，它又称为放大电路的阶跃响应或时域响应。此方法常以上升时间和平顶降落的大小作为波形的失真标志。其优点是可以很直观地判断放大电路的波形失真，并可利用脉冲示波器直接观测放大电路瞬态响应。 在工程实际中，这两种方法可以互相结合，根据具体情况取长补短地运用。

单级放大电路的瞬态响应的上升时间

放大电路的阶跃响应分析以阶跃电压作为放大电路的基本信号，图1表示一个阶跃电压，它表示为

放大电路的阶跃响应主要由上升时间t r 和平顶降落来表示。阶跃响应分析其目的是求出这两个参数，并可将它与稳态分析中参数相联系。

分析单级共射放大电路的阶跃响应时，可采用小信号等效电路，将阶跃电压可分为上升阶段和平顶阶段并按其特点对电路进行简化。

图1

图 2

阶跃电压中上

升较快的部分，与

稳态分析中的高频

区相对应，可用RC

低通电路来模拟，

如图 2（a）所示。

由图可知

式中V S是阶跃

信号平顶部分电压

值。与时间

的关系如图2（b）所示。

上式表示在上升阶段时输出电压v O随时间变化的关系。输入电压v S在t=0

时是突然上升到最终值的，而输出电压是按指数规律上升的，需要经过一定时间，才能到达最终值，这种现象称为前沿失真。一般用输出电压从最终值的10%上升至90%所需的时间t r来表示前沿失真，t r称为上升时间。

由图2（b）经推导可得

已知可得

或

可见，上升时间t r与上限频率f H成反比，f H越高，则上升时间愈短，前沿失真越小。

单级放大电路的瞬态响应的平顶降落

阶跃电压的平顶阶段与稳态分析中的低频区相对应，所以可用如图1（a）所示RC 高通电路来模拟。

图1由图可得

v O与时间t的关系如图1（b）所示。

由于电容C 的影响，,但输出电压是按指数规律下降的，这种现象称为平顶降落。

下面计算在某一时间间隔t p时的平项降落值。

在平顶阶段，时间常数，可得

考虑到，可得

由此可见，平顶降落与低频下限频率成正比，f L越低，平顶降落越小。

放大电路的瞬态分析与稳态分析方法比较

瞬态分析法和稳态分析法虽然是两种不同的方法，但它们是有内在联系的，当放大电路的输入信号为阶跃电压时，在阶跃电压的上升阶段，放大电路的瞬态响应（上升时间）决定于放大电路的高频响应（f H）；而在阶跃电压的平顶阶段，放大电路的瞬态响应（平顶降落）又决定于放大电路的低频响应（f L）。因此，一个频带很宽的放大电路，同时也是一个很好的方波信号放大电路。在实用上常用一定频率的方波信号去测试宽频带放大电路的频率响应，如它的方波响应很好，则说明它的频带较宽。

必须指出，稳态分析法在放大电路的分析中仍占主导地位，这是因为：①任何周期性的信号都可分解为一系列的正弦波，因此放大电路分析的重点是正弦信号；②关于电路的分析和综合方法，在频域中比在时域中一般要成熟得多；③在瞬态计算极其复杂时，往往可根据稳态响应的研究来间接地对电路的瞬态响应得到一个定性的了解；④在反馈放大电路中，消除自激的补偿网络也是以频率响应为基础的。

多级放大电路及其耦合方式

在许多应用场合，要求放大器有较高的放大倍数及合适的输入电阻、输出电阻，如用单级放大器很难达到要求。因此，需要将多个不同组态的基本放大器级联起来，充分利用它们的特点，合理组合构成多级放大器，用尽可能少的级数，满足系统对放大倍数、输入电阻、输出电阻等动态指标的要求。

多级放大器中各级之间连接方式称为耦合方式。级间耦合时，一方面要确保各级放大器有合适的直流工作点，另一方面应使前级输出信号尽可能不衰减地加到后级的输入。常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等。

阻容耦合方式

连接方式框图 阻容耦合的连接方框图如图1所示。 特点

1. 由于电容器隔直流而通交流，所以各级的直流工作点相互独立，而且，只要耦合电容选得足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级，实现逐级放大。

2. 阻容耦合放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。这是因为耦合电容对这类信号呈现出很大的容抗，信号的一部分甚至全部几乎衰减在耦合电容上。

3. 由于集成电路中制造大容量电容很困难，所以这种耦合方式不便于集成化。

直接耦合方式

连接方式

直接耦合是把前级的输出端直接或通过恒压器件接到下级输入端。 特点

1. 这种耦合方式不仅可放大缓变信号，而且便于集成。

2. 由于前后级之间的直流连通，使各级工作点互相影响，不能独立。因此，必须考虑各级间直流电平的配置问题,以使每一级都有合适的工作点。图1给出了几种电平配置的实例。

图1

图1 直接耦合电平配置方式实例

(a) 垫高后级的发射极电位；(b) 稳压管电平移位；

(c) 电阻和恒流源电平移位；(d) NPN、PNP管级联

3. 存在零点漂移，即前级工作点随温度的变化会被后级传递并逐级放大，使得输出端产生很大的漂移电压。显然，级数越多，放大倍数越大，则零点漂移现象就越严重。因此，在直接耦合电路中，如何稳定前级工作点，克服其漂移，将成为至关重要的问题。

4. 具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号。

光电耦合及光电耦合器

光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。实现光电耦合的基本器件是光电耦合器。

光电耦合器