交流通路中理想直流电压源的短路处理

 放大电路的特点是在工作时交、直流量并存， 所以一种分析方法是将其分离为直流通路和交流通路， 从而分别计算静态工作点和动态性能指标。在交流通路中，理想直流电压源要做短路处理。在文献[ 1] 中， 通过实验对这一问题进行了验证和阐述。但是笔者认为， 这种阐述方法并不全面。在此所述只是证明了理想直流电压源对交流信号没有影响， 但是并没有准确说明为什么要在交流通路中将直流电压源进行短路这一问题。在此针对这一问题， 从放大电路特性及分析方法出发， 进行了分析和讨论。

　　1   放大电路转化为线性电路的前提

　　在模拟电路中由于晶体管的非线性特性， 对放大电路通常采用2 种方法分析， 即图解法和等效电路分析法。

　　其中图解法正是考虑晶体管的非线性而利用其输入和输出特性曲线， 通过直接作图的方法求解放大电路的静态工作点和动态性能指标， 这一方法可适用于小信号及大信号分析; 而等效电路分析法只适用于小信号的分析， 根据放大电路工作时交、直流量并存的特点， 从原电路中分离出直流通路和交流通路， 通过直流通路求解其静态工作点， 通过交流通路求解动态性能指标。等效电路分析法适用的范围应有以下2 个前提: 所放大的信号为小信号; 放大电路静态工作点是确定的。在这一前提下， 就可近似认为晶体管的特性曲线是线性的， 由此可导出放大器件的线性等效电路以及相应的微变等效参数， 从而将非线性的问题转化为线性问题。于是， 就可以利用电路分析理论中适用于线性电路的叠加定理来进行处理，在分离交流通路时， 理想直流电压源按短路进行处理， 从而对放大电路进行求解， 如动态性能指标中的电压放大倍数、放大电路输入电阻、输出电阻等。

　　2   交流通路中直流电压源的短路处理

　　放大电路如图1 所示， 该电路由一个直流电压源VCC 和一个小信号电压源us 构成激励源， 其中直流电压源VCC 作用的结果是给放大电路提供合适的静态偏置，而电压源us 是要进行放大处理的时变信号。在放大电路中对所有时间t ， 满足| us ( t ) | < < VCC ， 这就是说时变信号( 绝对值) 在所有时刻都远小于直流电压源电压us ， 在这样的条件下， 可求出晶体管的h 参数微变等效电路， 这是一个线性电路。在这个模型中， 在确定的静态工作点下， 晶体管对于工作点而言， 表现为一线性元件。因此， 可依据线性电路的叠加特性进行分析计算。

　　根据激励源的不同， 将其分解为直流通路和交流通路。

　　直流通路是在直流电源作用下直流电流流经的通路， 交流通路是在输入信号作用下交流信号流经的通路。所以， 在分离直流通路时， 要去掉信号源的作用， 在保留其内阻的情况下， 电压源短路、电流源开路; 而在分离交流通路时， 要去掉直流电源的作用， 在保留其内阻的情况下， 将理想电压源短路。同时， 放大电路中的电抗元件对直流信号和交流信号呈现的阻抗是不同的， 所以要根据情况进行处理。根据以上分析， 得其放大电路的交流通路( 含晶体管h 参数微变等效电路) 如图2 所示。

图1   共发射极放大电路

图2   共发射极放大电路的h 参数微变等效电路

　　图3 为两级直接耦合放大电路， 图4 为其小信号下的交流通路。从图中可看出， 在进行小信号交流通路分离时， 理想直流电压源VCC 按照上述方法处理， 在交流通路中被作短路处理， 二极管两端直流电压恒定， 也作短路处理， 但由于二极管在小信号情况下可等效为一动态电阻， 故保留了其动态内阻r d。 

 图3   两级直接耦合放大电路

 
图4  两级直接耦合放大电路交流通路

　　3   几点讨论

　　在此利用典型实例， 对交流通路中理想直流电压源相当于交流短路问题进行了分析。归纳以下几点:

　　( 1) 主要是一个方法问题。放大电路可进行直流通路和交流通路的分离是基于线性电路基础的， 如果晶体管特性不能线性化， 就不能使用这一方法进行分析;( 2) 晶体管的线性化是基于所要放大的信号是小信号， 若所要放大的信号是大信号， 就不能利用这一方法进行分析， 如功率放大电路;( 3) 由于是线性电路， 晶体管等效电路中各电阻不随电流、电压而变， 故各激励源单独作用时和同时作用时， 各电阻是不变的， 这正是利用叠加原理的依据。

　　4   结  语

　　理想直流电压源在交流通路中的短路处理， 是基于线性电路中激励源作用的叠加特性产生的处理方法。

　　其前提是: 作为含非线性元件的放大电路只有在小信号及静态工作点确定的情况下， 才能转化为线性电路， 才能用叠加原理进行处理。这一分析和阐述， 在理论上，与前面提到的文献相比， 更加全面、准确， 有助于更好地理解这一问题。