放大特性范文

放大特性范文（精选5篇）

放大特性 第1篇

磁通集聚结构由高磁导率的软磁材料制成。在磁场环境中，高磁导率材料具有汇聚磁力线的作用。该作用能够使得高磁导率材料内部磁场强度大于外部环境磁场。Menitt等人[1,2]利用两块圆台体的高磁导率软磁材料作为磁通集聚结构来增大光纤磁传感器的灵敏度。在不同形状的磁通集聚结构中，具有圆台体形状的磁通集聚结构在其轴向的放大特性最好。Schneider等人[3]利用CMOS工艺制备了基于坡莫合金材料的漏斗状磁通集聚结构，该结构能够有效增大磁敏晶体管的灵敏度。Drljaca等人[4]针对不同形状的二维薄片磁通集聚结构的磁场放大特性进行了初步研究，分析了T形、三角形、漏斗形以及半圆形等形状磁通集聚结构放大因子与环境磁场之间的关系，并利用最优的磁通集聚结构设计了高灵敏度霍尔传感器。但现阶段磁通集聚结构的研究主要针对的是其轴向磁场放大特性，横向磁场放大耦合性及线性工作范围方面仍需进一步研究。

在分析磁通集聚结构磁场放大工作原理的基础上，利用ANSYS软件仿真及实验分析比较了T形、斜线形以及条状磁通集聚结构轴向及横向磁场的放大特性，并通过实验对三种磁通集聚结构轴向及横向磁场的放大特性进行验证，并对其工作范围进行了测试与分析。

1 软磁体磁场放大原理

置于均匀外部磁场的软磁体，软磁体会对它周围的外部磁场具有集聚作用，如图1所示。软磁体内部的磁场感应强度等于[5]

式(1)中，μ0是真空的相对磁导率;μr是软磁体的相对磁导率;Hin是软磁体内部的磁场强度。

当软磁材料是有限长时，在软磁体的内部，由外部磁场产生的磁化作用在软磁体的内部产生一个与外部磁场方向相反的磁场强度，这个磁场强度称为退磁强度Hd。退磁强度与软磁材料的几何形状有关[6]

式(2)中，M是磁化强度;D是材料的退磁因子，当长方体磁通集聚器不带有空气间隙时，设软磁体的长为w，宽为l，厚为t，则它的长宽之比和厚宽之比分别等于珔w=w/l、珋t=t/l(珔w，珋t,<<1)，外加磁场沿长轴的方向。则D近似等于[7]

实际上Hin和M与空间坐标有关。即在软磁体的内部，不同空间坐标位置上Hin和M的值是不相等的(即它们的差值不等于零)。在软磁体结构的中心位置，Hin和M的值是最大的，从中心位置往结构的边沿位置，Hin和M的值会逐渐减小。在软磁体的内部中心点位置，磁场感应强度为[7]:

由式(4)和式(5)可得

对于无限长的软磁材料来说，由于D接近于0，μeff接近于μr。从式(6)可以看出，μeff的最大值不超过

μeff与磁通集聚结构的几何形状有关，但是最大的值也不能超过式(7)中计算出来的值。因此，对于任何一个几何形状的磁通集聚结构，μeff的最大值也不能超过1/D。

当磁通集聚结构带有空气间隙时，则空气间隙的磁感应强度Bgap低于没有空气间隙中心点位置的磁感应强度。这是由于在空气间隙位置的边缘发生磁通缺漏的现象。然而，在Maxwell方程中△·M=0，垂直于空气间隙侧壁的磁通密度分量是连续的。因此，空气间隙越小，Bgap就越接近于Bin，如果空气间隙足够小时，Bgap=Bin。在这种情况下，磁放大因子Am等于[8]

2 磁通集聚结构轴向、横向磁场分析

2.1 磁通集聚结构轴向、横向磁场仿真分析

采用ANSYS软件仿真进行分析。单个磁通集聚结构内部中心位置磁场放大倍数最大，为了磁传感器能够测得中心位置的磁场强度，利用空气间隙把磁通集聚结构从中心位置隔开，磁传感器的位置安置于空气间隙区域。因此，磁通集聚结构设计成对称的结构，如图2所示。

考虑到加工工艺的因素，针对T形、斜线形以及条状三种磁通集聚结构进行仿真及分析，如图3所示。

仿真模型为磁通集聚结构置于矩形空气场的中心位置，真空的相对磁导率为1，不同形状的磁通集聚结构具体尺寸参数如表1所示。

在ANSYS仿真中，首先对分析过程中所用的单元、材料属性与结构尺寸参数进行定义，设磁通集聚结构材料的相对磁导率为100 000，利用SOLID96单元针对三维磁通集聚结构进行静态磁场仿真分析，外加x轴方向上的磁场B0，大小为0.5×10-4T，并且用四边形网格划分单元法来对磁通集聚结构及磁通集聚结构空气间隙部分进行网格划分。最后利用路径法提取x轴方向上对应点的坐标和磁场强度，如图4所示。

空气间隙中心点即坐标原点的磁感应强度Bgap，磁场放大因子Am等于Bgap与B0之比。磁通集聚结构形状和相对应的磁场放大倍数见表2。

从表2可以看出，在三种磁通集聚器中，不同形状的磁通集聚结构对外部磁场的放大倍数不同，T形磁通集聚结构对外部磁场的放大倍数最大。

当加载沿x轴方向上的平行磁场时，理论上沿y、z两轴方向上的磁场强度等于零。磁通集聚结构集聚外部磁力线时，磁力线在从结构一端到另一端流动的过程中并不是始终在磁通集聚结构的内部，而是在其流动过程中产生了磁通泄漏现象。因此，实际上沿y、z两轴方向上的磁场强度并不等于零，数值在零附近波动，如图5(a)和图5(b)所示。从图5可以看出，条状形磁通集聚结构磁通泄漏最大，T形磁通集聚结构磁场磁通泄漏最小，该泄漏磁通是影响磁通集聚结构磁场放大特性的重要因素，可以得到T形磁通集聚结构对外部磁场的放大倍数最大。

2.2 实验验证及分析

2.2.1 磁通集聚结构的制备

磁通集聚结构要求具有高磁导率、低矫顽力的软磁材料，因此选择1j79合金材料制备磁通集聚结构。由于高强度的应力会改变材料内部磁晶各向异性会影响材料的磁化特性，经过退火后的高性能1j79合金材料不能进行机械加工。因此选用西安精密合金公司的经过冷轧的0.65 mm厚的1j79合金带材。先利用线切割方法将带材加工成具有特定形状的磁通集聚结构薄片，然后利用管式炉对该薄片进行氢气环境退火，退火后得到磁通集聚结构如图6所示。磁通集聚结构具体尺寸与表1相一致。

2.2.2 轴向、横向磁场放大特性试验验证

为了验证磁通集聚结构轴向磁场放大特性，对磁通集聚结构进行了弱磁场环境下的测试。在测试过程中，令亥姆霍兹线圈产生的环境磁场在±2.24×10[4]n T范围内按正反行程方式进行往复变化，结构间隙内部三分量磁感应强度通过校准后的HMC1043三轴磁阻传感器进行测量。其中传感器z轴沿结构磁场放大轴向，x轴位于结构平面并与z轴正交，轴垂直于结构平面。T形、斜线形以及条状磁通集聚结构轴向放大磁场随环境磁场的变化如图7所示。

从图7中可以看出，三种形状的磁通集聚结构都能够放大轴向磁场，为了分析磁通集聚结构的放大倍数，分别对三种形状结构的放大磁场z轴分量进行一次线性拟合，得到磁通集聚结构对外部磁场的放大倍数如表3所示。可以看出，三种形状的磁通集聚结构中T形结构放大倍数最大，它对外部磁场放大了21.8倍，条状结构放大倍数最小。磁通集聚结构横向磁场存在一定的数值如图8所示，这是由磁传感器安装误差引起的。相同形状的磁通集聚结构通过仿真和实验得到外部磁场放大倍数存在微小误差，这是由于仿真过程结构的网格划分及磁传感器测量安装都存在着一定的误差。因此，可以认为实验结果与ANSYS仿真的结果相一致。

3 磁通集聚结构线性工作范围测试

为了分析磁通集聚结构轴向磁场工作线性放大范围，利用EMP5型电磁铁以及高精度霍尔磁力计测试加载不同外部磁场时结构间隙内部轴向放大磁场的磁感应强度值，如图9所示。在测试过程中，首先令外部磁场在±1.9 kGs范围内往复变化，测得的磁通集聚结构缝隙中轴向磁场随加载磁场的变化如图10所示。从图中可以看出三种磁通集聚结构间隙中测量磁场随加载磁场的变化有一定的线性区间，在加载磁场超过该线性区间后，间隙中测量磁场随加载磁场呈非线性变化。

为了分析线性区间内磁通集聚结构的轴向放大特性，减小磁场变化区间以及变化间隔，令其在±0.09 k Gs范围内往复变化，保证三种磁通集聚结构磁场放大工作在线性区间内。该范围内磁通集聚结构轴向磁场随加载磁场的变化如图11所示。

从图中可以看出，三种不同形状的磁通集聚结构的线性区间是不同的，其线性区间宽度从大到小分别为斜线形结构、条状结构、T形结构，同时三种磁通集聚结构的线性区间内轴向磁场放大倍数也是不同的，从大到小依次为T形结构、斜线形结构、条状结构。从图11中可得到，斜线形磁通集聚结构线性工作范围比T形磁通集聚结构线性工作范围大51%。

4 总结

磁通集聚结构的研究应用于提高磁测系统的灵敏度。通过以上分析可得，在三种磁通集聚结构中T形磁通集聚结构对外部磁场的放大倍数最大，它对外部磁场放大约21倍;磁通集聚结构在磁力线传输的过程中，产生了磁通泄露现象;斜线形磁通集聚结构线性工作范围最大，T形磁通集聚结构线性工作范围最小，斜线形磁通集聚结构线性工作范围比T形磁通集聚结构线性工作范围大51%。研究表明，磁传感器外加磁通集聚结构能明显提高对弱磁场的测量精度。

摘要：针对现阶段常用磁传感器对弱磁场测量灵敏度低的问题,利用软磁材料具备对外磁场集聚放大的特性,通过在磁传感器外部的磁通集聚结构以提高磁测系统的灵敏度。利用ANSYS软件重点分析了T形、斜线形以及条状磁通集聚结构的轴向、横向磁场放大特性并通过实验进行验证。磁力线在磁通集聚结构内部流动的过程中发生了磁通泄漏现象,三种结构中T形磁通集聚结构对外部磁场的放大效果最好,放大倍数达21倍左右。通过对三种结构的线性工作范围进行测试,得到斜线形磁通集聚结构线性工作范围比T形磁通集聚结构线性工作范围大51%。磁传感器外加磁通集聚结构能明显提高对弱磁场的测量精度。

关键词：磁通集聚,磁场,放大特性,线性工作范围

参考文献

[1] Deeter M N.Fiber-optic faraday-effect magnetic-field sensor based on flux concentrators.Applied Optics,1996;35(1):154—157

[2] Deeter M N.High sensitivity fiber-optic magnetic field sensors based on iron garnets,1994,522

[3] Schneider M,Castagnetti R,Allen M,et al.Integrated flux concentrator improves CMOS magnetotransistors.Proceedings of the Proc IEEE Microelectromechanical Syst Conf,1995:151—156

[4] Drljaca P M,Vincent F,Besse P A,et al.Design of planar magneti cconcentrators for high sensitivity Hall device.Sensors and Actuators A,2002;97(98):10—14

[5] Xu S,Li J J,Philip W T P.Magnetic flux concentration at micrometer scale.Microelectronic Engineering,2013;111(3):77—81

[6] Popovic R S,Blanchard H.Hall sensors with integrated magnetic flux concentrators.Germany:Hartung-Gorre Verlag,1999

[7] Simon B,Oliver P.Magnetic fieldamplification by slender cuboidshaped magnetic concentrators with a single gap.Sensors and Actuators A:Physical,2010;157(1):135—139

对数放大器特性研究与应用分析 第2篇

1 功能与结构

对数放大器有多种形式,常用的有连续检波式对数放大器(SDLA)和双增益对数放大器(TLA)。连续检波式对数放大器输出视频信号,而双增益对数放大器输出中频信号。塔康信标接收机采用的是连续检波式对数放大器,其工作原理如图1所示。

由图1可见,塔康信标接收机整个对数中放由主辅放大器链组成。主放大器链由七级限幅放大器串联组成,辅放大器链由两级组成,随着输入信号由小逐渐增大先是主放大链由末级向前级逐渐饱和,接着是辅放大链中的两级由后往前依次饱和。两个放大器链中的各级检波输出并联馈送至加法器将各级检波信号进行幅度相加,其输出脉冲幅度是随输入信号幅度的变化而按对数规律压缩的放大输出。

2 特性分析与仿真

2.1 振幅特性

连续检波式对数放大器的对数振幅特性是用电压连续相加法得到的,其单级振幅特性如图2(a)所示。

当输入电压较小时放大器工作于线性区,其增益为K,当输入电压较大时放大器工作于限幅区,其限幅电平为uL。可以证明:利用这种电压连续相加法得到的振幅特性只能是近似的对数关系,所以连续检波式对数放大器也称为似对数放大器。其特性曲线如图2(b)所示。

图2(b)所示的近似对数特性曲线可以看作是由多段折线所组成的。当放大器的输入电压ui从0逐渐增大时,最初各级均未进入限幅状态,这时的输出电压波形如图2(b)中的OP1段,其表达式为:

undefined

式中,KD为检波器的电压传输系数。

当输入电压增大到ui1时,末级正好达到限幅电平uL,图2(b)中点P1的坐标值为:

undefined

当输入电压增大到ui2时,末前级正好达到限幅电平uL,图2(b)中点P2的坐标值为:

undefined

依次类推,当第m级正好达到限幅电平uL时,图2(b)中点Pm的坐标值为:

undefined

当输入电压增大到uin时,第一级正好达到限幅电平uL,图2(b)中点Pn的坐标值为:

undefined

由式(1)解得:

undefined

代入式(2),得:

undefined

式(3)表示图2(b)中各折线交点上输出电压与输入电压的关系。等式右边的第一项为对数项,第二项为非对数项。

2.2 动态范围

对数放大器的动态范围一般是指输入电压的动态范围。连续检波式对数放大器的输入动态范围为:

undefined

用对数表示时为:Di′=20lg Di(dB)

由(4)式可以看出,连续检波式对数放大器的输入动态范围由对数放大器的单级增益和级数决定(为了保证级联后的对数放大器取得合理的对数精度,单级增益不宜过高,一般取10～15 dB),理论上,级数越多,得到的输入动态范围就越大。但级数增加,放大器的稳定性就会变差(实用的对数放大器常用 4～10级限幅放大器组成)。

2.3 对数精度

对数放大器的实际特性总是与理想的对放特性有一定的偏差。随输入电压值的不同,会有不同的偏差值。当输入电压为某值时,其偏差δ为:

undefined

式中,uoe表示实际对数特性曲线上与该输入电压对应的输出电压,uot表示理想对数特性曲线上与该输入电压对应的输出电压,一般用对数特性曲线上的最大偏差值δmax来表示对数特性的精度。在实际应用中,通常用测量对数特性曲线对 “最佳拟合”直线的最大偏移来定义,“最佳拟合”直线是通过线性回归法对曲线内各个测量点进行线性拟合计算得来的。当n足够大且单级增益K选得不太大时,对数特性偏差不大。

2.4 仿真与分析

这里采用基于MatrixX软件开发平台对对数放大器进行特性仿真。若要达到80 dB的输入动态范围,可采用七级限幅放大器级联来实现(单级增益为14 dB),亦可采用九级来实现(单级增益为10 dB),其中九级级联结构可分为单放大链和图1所示的双放大链两种形式。七级级联对数放大器的仿真图如图3所示。

通过对七级级联和九级单、双放大链结构3种对数放大器的仿真(选用相同的单级限幅放大器),得出了七级级联的对数放大器可以处理-86～-6 dBm的信号,九级单放大链结构可以处理-83～-3 dBm的信号,九级双放大链结构可以处理-63～23 dBm的信号,由此可见,3种对数放大器的动态范围相同,但双放大链结构可以提高对数起点。表1、表2分别列出了七级和九级单放大链结构的仿真结果。

通过matlab软件对以上仿真结果进行分析,对数放大器的输入/输出传输特性及对数精度如图4(a)、(b)所示。下面一条曲线是对数放大器输出电压与输入功率电平的关系曲线,对“最佳拟合”直线只有很小的偏离。上面一条曲线表示出变换为分贝以后的同一偏移,并以放大的比例画出。

从上面的仿真分析中,可以得到以下结论:

若限定对数放大器的输入动态范围,采用的级数越多,相应地单级增益就会越小,而能达到的对数关系却更准确。由图4(a)、(b)可以看出,要达到80 dB的动态范围,七级级联对数放大器的单级增益需取14 dB,但对数精度为±1 dB;而九级级联对数放大器的单级增益可取10 dB,对数精度却达到±0.5 dB。显然,九级级联的对数精度更高。

3 实际应用

由于SDLA具有易于级联、调试方便、动态范围宽等优点,因此塔康信标接收机中也采用了图1结构的SDLA。其实际电路使用了九级具有统一响应特性的限幅放大器SL521C,且单级增益为10 dB,并将每级的输出分别进行检波再送到加法器进行幅度相加。其中七级级联作为主放大级,具有60 dB的压缩范围,另外两级作为辅助放大级,用以扩展动态范围的上限。输入信号经电阻分压后加至辅助放大级的输入端,再经两级检波后送入加法器,所以在主放大级提供的60 dB动态范围的基础上,能使通道动态适应能力再提高20 dB,从而将对数放大器总的压缩范围提高到80 dB。由以上分析可以看出:首先,在塔康信标接收机中采用九级来达到80 dB的动态范围,能够精确逼近对数特性;其次,采用双放大链结构,能够提高对数起点,从而提高了对数放大器的信噪比,提高稳定性,保证了接收机在整个动态范围内对信号的精确定时。

摘要：从分析连续检波式对数放大器的特性参数入手,对其传输函数进行了数学推导,重点讨论了影响其传输特性的主要因素,通过Matlab和MatrixX仿真,研究了输入动态范围与级联级数、单级增益和对数精度的相互关系,得出了两点结论:一是在限定动态范围的前提下采用的级数越多其单级增益越小而精度就会越高,二是采用双放大链结构可以提高对数起点,从而提高其稳定性。最后将结论应用于塔康信标接收机实际电路的分析中。

关键词：对数放大器,连续检波,塔康信标,对数精度

参考文献

[1]刘家树.大动态连续检波式对数放大器的设计[J].微电子学,2004,34(5):575-577.

[2]弋稳.雷达接收机技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

放大特性 第3篇

一、紧扣学生学习的能动性, 促进学生内在学习潜能的激发

教育心理学指出:“学生具有能动探知未知领域和生活问题的潜能, 总是对现实性问题充满学习的欲望和探知的冲动。”爱因斯坦曾经指出:“兴趣是最好的教师, 是学生主动探知知识的原动力。”由此可见, 教师教学活动效能提升的首要条件, 就是要将学生学习的积极性有效激发, 使学生能够全身心地投入到教学活动的全过程中, 为有效教学提供思想基础。因此, 初中数学教师在进行教学活动时, 就要善于抓住学生的学习特性, 在教学活动中, 通过激励性、鼓励性的教学语言、趣味化的教学场景和生活性的问题情境, 引发学生的学习潜能, 使学生能够将学习活动作为一项内在的必然要求, 主动地投入其中, 为学习效能的提升奠定基础。

如在“合并同类项”教学活动中, 教师可以采用游戏的形式, 利用多媒体, 将“连连看”游戏设置为教学场景, 引导学生找出相同问题进行连连看, 然后向学生提出:“如果数学问题中, 有相类似的式子, 又该用怎样的方法进行解决”, 从而水到渠成地进入到新知的教学活动中。通过对这一教学过程的分析, 可以有效激发出学生学习数学知识的内在情感, 使学生在游戏过程中, 对数学问题进行初步的感知, 从而有效激发学生的学习能动性。

二、紧扣学生探究的主动性, 促进学生探究思维能力的发展

新实施的初中数学课程改革纲要中指出要将学生探究能力的培养, 作为学生实践能力、思维能力培养的重要载体和根本途径, 进行具体而明确的阐述。这就要求, 广大初中教师在进行有效教学活动时, 可以抓住数学问题的探究性, 在进行综合性知识讲解、问题性教学活动、复习课知识解答活动中, 设置具有探究性的数学问题, 将学生的探究能动性引导到问题的思考、分析和解答过程中来, 鼓励学生结合所学知识的内容、现有问题的解答方法能力, 找出问题条件, 找准内在关联, 进行深入细致的分析思考, 实现问题的有效解答。同时, 教师要在学生遇到疑难点“卡壳”时, 进行“画龙点睛”的点拨性指导, 指出问题关键点所在, 从而促进学生解题活动顺利进行, 提升学生探究思维能力的效能。

例题:cos230°+43tan230°+cos60°-sin45°cot45°

此道例题是教师进行“解直角三角形”教学时, 在知识内容巩固环节出示的探究性数学问题, 学生在解题时, 抓住问题内容条件、出题意图, 对问题进行认真的探析, 找出问题解答的关键, 从而有效提高了问题解答的活动效率, 并在教师的指导下, 对问题解答活动方法进行了进一步的优化, 促进了教学活动的深入开展。

三、紧扣学生学习的差异性, 促进学生整体学习能力的提升

整体性教学活动是新课改教学活动的基本教学目标, 也是有效教学活动的根本要求。但由于学生学习能力、习惯、方法等方面存在的差异性, 导致学生在思维分析、问题解答、能力水平等方面存在一定的差异性。教育心理学指出, 学生学习效能差异性是客观存在的事实, 可以通过一定的教学方法, 有效拉近存在的距离。因此, 教师在进行教学时, 首先要树立“面向全体学生, 为了一切学生发展”的大教育理念, 尊重和关心每个学生, 在数学知识的讲解、数学问题的设置、巩固练习的环节、习题问题的解答等活动中, 既要面向成绩较好的学生, 又要面向成绩较差的学生, 使每一个学生都能在知识学习、方法探讨、问题解答等过程中, 得到锻炼的时间和机会, 使每个学生都能从实际学习活动中获得进步和发展。同时, 教师要多给后进学生充分发表意见的机会, 从而实现学生在各自不同起跑线上获得进步和发展。

在教学中, 教师根据不同类型的学生学习实际, 采用分层教学方法, 设置由易到难的数学问题, 进行因材施教活动, 让整体学生都能够进行解题活动, 教师引导学生组成“好带差”的“一帮一”教学方式, 让优等生起到“以一带十”的作用, 实现学生学习活动的同频共振, 共同进步和发展。

放大特性 第4篇

“放大电路的频率特性”是《模拟电子技术基础》课程中重要的内容之一, 其教学方法是否得当将直接影响到学生对于放大电路放大特性的理解, 进而影响电子信息类、通信类、自动控制类等学生对后续相关专业课程的学习, 典型的如《信号与系统》等课程中的滤波器设计[1⁃2]。由于该章内容的理论性强、难点较多、数学推导繁琐, 教师讲课难, 学生对内容的掌握更难, 因而在学时有限的情况下要将该章内容讲透、讲好是比较困难的。

随着电子技术的发展, 模拟电子线路的主要内容已过渡到以集成电路为主, 所以《模拟电子技术基础》课程中“放大器的频率特性”也应以讨论集成运放的频率特性为主。实际应用中, 集成运放多数工作在深度负反馈状态, 因此可根据反馈原理和增益带宽积为定常数这一特点求出其放大电路的频率特性。另一方面, 集成运放是以分立元件的单元电路为基础, 所以在国内外各高校的《低频电子线路课程》的教学中, 仍然详细讨论分立元件单元电路的频率特性问题, 并大多以单管共射放大电路为例研讨[3⁃5]。

通过多年的教学实践, 逐渐摸索出了既易讲又易学, 既与本校学生基础相适应, 又比较适合电子技术发展要求的教学内容和教学方法。

1 放大电路频率特性的启发

图1是《模拟电子技术基础》中最基本的共射放大电路, 也是国内外教材中介绍频率特性的经典电路。通过详尽的理论分析与繁琐的数学公式推导, 可得出该电路完整的电压放大倍数表达式:

式中:是中频段 (通带范围内) 电压放大倍数;fH, fL为上、下限截止频率;f为输入信号频率。

从整个电子信息领域分析, 公式 (1) 表达的信息说明, 图1所示的共射放大电路可以看做是在通频带范围 (fH-fL) 内具有放大能力为的带通滤波器。而的分析计算在本课程的单级放大电路中已详细介绍。可见, 在本章的教学中将公式 (1) 合理地前置引出, 可以把对放大电路频率特性的学习困难转变为对电路上、下限截止频率的简单求解。教学中启发学生回忆在《电路基础》等课程中RC回路的上、下限截止频率的计算均按照以下形式:

因此, 讲授的重点就进一步转化为寻找fH对应的高频区RC低通等效回路和fL对应的低频区RC高通等效回路。

2 频率特性的分频段研究方法

放大电路的电压放大倍数之所以会成为频率的函数, 是因为放大电路中存在电抗性元件, 主要是电容元件, 它们的容抗随频率的变化而变化 (ω=2πf C) 。实际上, 放大电路中的电容可分为两类:一类是电容量比较大的耦合电容和射极旁路电容 (用C1表示) , 通常为几十到几百微法, 它们只在低频时起作用;另一类是晶体管的结电容和线路分布电容 (用C2表示) , 它们的电容量很小, 通常只有几到几百皮法或更小, 只在高频时起作用。

(1) 中频段, 可理解为ω较大, 且C1也较大, 故容抗很小, 对串联回路不造成影响, 可视为短路;同时, 由于C2很小, 从而相对很大, 其并联效应也可忽略, 可视作开路。故在中频范围内, 与f无关, 特性是平坦的。

(2) 低频段, ω很小, 变得比中频段更大, 其所在的并联支路仍然看作开路;随着ω的降低, 增大, 它对输入信号的串联分压作用不可忽略, 使得电压放大倍数的幅值减小, 同时产生超前的附加相位移, 最大可达+90°。这时电路等效为具有某一下限频率fL的RC高通电路。

(3) 高频段, ω很大, 变得比中频段更小, 仍看作短路;随着ω的增大, 趋于有限值, 它对输入信号的并联分流作用不可忽略, 使得电压放大倍数的幅值减小, 同时产生滞后的附加相位移, 最大可达-90°。这时电路等效为具有某一上限频率fH的RC低通电路。

由上述分析可知, 耦合电容与三极管结电容分别作用于放大电路的低频与高频段, 不会同时起作用, fH和fL的计算均可按照公式 (2) 从各自对应的RC回路中分别算得。

3 单时间常数RC电路的频率特性

单时间常数的RC电路是指由一个电容与一个电阻组成的, 或者最终可以简化成由一个电容和一个电阻组成的RC等效电路, 它们的时间常数τ=RC。虽然单时间常数RC电路很简单, 但在设计和分析线性电路及数字电路时起着重要的作用。

(1) RC低通电路

图2为无源RC低通电路, 其电压传输关系为:

式中为低通电路的上限截止频率。

(2) RC高通电路

图3为无源RC高通电路, 其电压传输关系为:

式中为高通电路的下限截止频率。

讲授至此, 学生已经从理论上验证了公式 (1) 的合理性, 剩下的工作就是解决图1电路对应的实际的高通与低通RC等效电路, 然后由公式 (2) 分别求得实际的上、下限截止频率。

4 引出晶体管的高频小信号等效电路

此时向学生讲解, 在研究单管共射放大电路的频率特性时包含了高频区, 针对中低频区的h参数模型不再适用, 据此从三极管的物理结构出发, 适时引出混合参数Π形等效电路并简化。对该部分的讲解应根据学生的专业不同与实际学时区别, 有选择地做详细或简单推导, 得出单管共射放大电路对应的Π形等效电路如图4所示。

图4中, 惟一未知的参数为C′π, 可由下面公式求得:

式中:, fT为晶体管的特征频率, 其余参数可由晶体管手册查得。

由前述分频段分析, 很容易启发学生得出Π形等效电路对应的高频、低频区等效电路如图5, 图6所示。

由图5可计算得到上限频率:

由图6可计算得到下限频率:

如果设计电路时一个下限频率远大于其他的下限频率, 如fL2>>fL1, 则fL≈fL2, 如果二者接近, 则按照后续章节多级放大电路总的上下限截止频率的计算公式求解。

5 做出放大电路的完整波特图

根据前述分析, 可以很轻松地作出单管共射放大电路的波特图, 如图7所示。

6 结论

本文着眼于在有限的教学时间内, 以更加有利于学生理解掌握的教学方法讲授放大电路的频率特性。实践证明, 通过本文所探讨的教学方法, 结合学校地方特色及不同专业学生的特点, 在实际教学中取得了良好的效果, 一定程度上缓解了学生学习放大电路频率特性的畏难情绪。

参考文献

[1]许光, 周斌, 李坤, 等.基于FilterPro和Proteus的带通滤波器设计[J].现代电子技术, 2013, 36 (10) :24-30.

[2]刘鑫, 刘琪芳, 高文华.有源低通滤波器仿真设计教学研究[J].电气电子教学学报, 2013, 35 (3) :59-61.

[3]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础[M].3版.北京:高等教育出版社, 2001.

[4]康华光.电子技术基础模拟部分[M].3版.北京:高等教育出版社, 1999.

[5]毕满清, 王黎明, 高文华, 等.模拟电子技术基础[M].北京:电子工业出版社, 2008.

放大特性 第5篇

我们知道, 温度变化会引起单管放大电路静态工作点的变化, 从而会导致放大信号的失真, 共射放大电路静态工作点的稳定是教学上的一个难点, 有的教材从纯理论角度推导[1], 有的教材从输出特性曲线和理论分析角度[2]我在教学过程中发现对于这两种方式的阐述, 有时候学生理解起来觉得有点儿困难。经过几年教学的总结反思, 发现如果从输入特性曲线和理论相结合的角度来分析这个单管放大电路静态工作点的稳定, 学生比较容易接受和理解。

1 基本共射极放大电路直流通路以及静态工作点确定

静态分析是在直流通路中进行, 基本共射极放大电路直流通路如图1所示, 其静态工作点:

2 三极管的输入特性曲线

输入特性曲线是描述三极管在管压降uCE保持不变的前提下, 基极电流iB和发射结压降uBE之间的函数关系。而该输入特性曲线会随着温度的升高左移, 如下图所示是NPN三极管在20℃和50℃的输入特性曲线。从这个特性曲线上来看, 当温度升高时, uBE是减小的, 一般温度每升高1℃, uBE约下将2m V-2.5m V[3,4], 根据公式 (1) , 当uBE下降时, IB会增大。从另一个角度看, 温度升高, 晶体管放大系数β也会增大, 这样一来, 由公式 (2) IC势必会增大, 整个晶体管静态工作点就发生变化。现在就想办法改进电路, 让静态工作点降下来, 即让IB、IC变小, 这个时候讨论让IB变小需要在输入特性曲线温度改变后 (比如50℃曲线) 上进行讨论, 从B点降到C点, 让IB变小, 意味着uBE也需要减小, 这个时候需要改进基本放大电路, 使IB降下来。

3 静态工作点自稳定放大电路的设计

倘若我们的基本共射极放大电路直流通路改进成图3所示, 在选择元器件时, 使得I1≈I2, 这个时候, 基极电位

从 (3) 可以看出, 基极电位几乎仅仅取决于RB1和RB2对UCC的分压, 而与温度无关, 假设温度从20℃上升到50℃, IB、IC增加, IE也随之增加, 射极电位UE升高, 由于UBE=UB-UE, UB几乎处于稳定, 则UBE减小。这个时候回到图2看温度50℃时候输入特性曲线, uBE下降了, IB也降下来了, 则IC也会随之下降, 从定性的角度来分析, 静态工作点相对的自动稳定了。

4 注意事项

在教学的过程中, 我们求解静态自稳定放大电路静态工作点中的IC往往使用的是如下公式:

这个时候有的同学就根据公式 (4) 理解成, UBE减小, 则IC会增大呀, 跟前面分析的会有矛盾啊, 实际上出现这种理解的偏差还是因为对三极管输入特性曲线了解不够透彻, 我们再回到图2, 我们可以假设这样一个过程, 一开始在温度升高之前, 工作点是在A点, 当温度升高后, 由于曲线左移, 工作点移到B点, 这个时候如果电路不加以改进, IB是升高的, 改进电路后, 则工作点移到了C点, 得到的结果就是IB降下来了, 也就达到整个静态工作点稳定的目的, 公式 (4) 仅仅是我们计算IC的一种方法, 它并不能反应整个工作点自稳定的本质过程。

5 小结

在模拟电路的学习过程中, 学生经常会觉得难以掌握, 在教学过程中可以结合最原始、最本质的特性曲线, 采用图解和理论相结合的方式, 直观、全面地对这些知识点加以阐述, 做深入透彻的解析, 提高模拟电路教学质量。

摘要：单管共射放大电路静态工作点Q会随着温度变化而发生变化, 从而影响放大电路的正常工作。从三极管输入特性曲线出发, 采用图解和理论相结合的方法, 分析静态工作点自稳定放大电路, 使学生更加直观的理解。

关键词：静态工作点,输入特性曲线,自稳定放大电路

参考文献

[1]秦增煌.电工学[M].北京:高等教育出版社, 2009.

[2]华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[3]陈星弼, 张庆中.晶体管原理与设计[M].北京:电子工业出版社, 2007.