你的经验可能是你的枷锁
- 这个三级直接耦合放大电路对于1kHz峰值1V信号的放大
- 三极直接耦合放大电路参数优化
- 被AI欺骗啦：一个有趣的三极直接耦合放大电路的调整
- 一个三极直接耦合放大电路的设计
01为何能够放大1V信号？
一、电路配置结果
今天很高兴，又看到网友这几天对于这样一个三级直连放大电路， 是否能够放大峰值为1V正弦信号， 给出了一个总结的视频。 其中令人兴奋的是，提出这样一个电路配置方案的是一个大一的学生给出了一个方案， 能够对输入峰值1V信号呢进行无失真放大， 现在在人工智能泛滥的情况下， 居然还有那么多年轻同学对这样一个基础电路感兴趣， 这令人感到欣慰。 下面查看一下最终网友给出的这个结果。 为什么对这个结果感兴趣呢？是因为前两天我也对这个电路思考过， 觉得这个电路对于大信号是否能够放大疑虑过。 感觉其中具有理论上的限制。 那么根据网友给出的电路参数， 我在LTspice中进行的实验。 一开始令人感到非常兴奋， 的确能够看到的确在输入1V正弦信号的情况下， 输出了完美的正弦波。 这个电路呢， 它采用了24伏供电。 的确之前我思考的时候呢，仅仅设置工作电压为12伏。 提高它的工作电压， 是否真的能帮助我们来提高这个电路对大动态信号进行放大呢？ 首先我们可以看到 LTspice给出的电路静态工作点， 显然第1级三极管的工作点应该是没有工作在放大状态， 它的集电极电压比它的输电输入基极电压要低， 这令人感到不安。 那下面我们再仔细检查一下， 除了它的静态工作电位不足之外， 我们看一下到底它的第1级放大是否工作在放大状态。
二、第一级状态验证
我们知道判断一个三极管共射放大电路是否处在正常的放大状态。 除了通过它的两个PN节的偏置状态进行判断之外， 还可以通过观察它的基极和集电极之间的放大信号的波形和相位， 来判断是否处在放大状态。 这里呢给出了它的基极输入信号的波形是一个峰值为一伏的正弦波， 它的集电极波形是小得多的一个正弦波， 这是否可以被认为是一个增益小于1的放大状态呢？ 我们仔细观察这两个波形的相位， 我们会惊讶的发现它对应的集电极的信号比输入基极信号超前了90度， 并不是反相关系， 这就让我们知道， 第一级可能上并没有工作在共射放大电路状态。 那么问题来了，这个超前90度的信号是如何被后级进行修正， 最终形成整个电路的负反馈放大的呢？ 关于这个问题我们再次来到第2级三极管， 这个三极管两个PN结处在正常偏置， 处在放大状态的工作点。 它的基极信号非常小， 它的集电极信号是放大之后的正弦信号。 但是我们看到它们之间的相位并不是反相的。 这个问题是由它的发射极阻容偏置引起的， 我们可以看到发射极的电容是十微法， 根据电容容值，我们可以计算出容抗的大小， 信号是1千赫兹，可以计算出对应的容抗。 容抗大概是159欧姆， 这个数值与对应的并联电阻接近。 原则上希望这个旁路电容的容值应该远远小于偏置阻值。 那这里呢它们接近，由此会引起很大的信号的相位变化。 正是通过这一级的相位变化， 最终使得第三级的发射极电压与输入级电压之间呈现负反馈的关系。
三、消除相移
那么为了消除相移，现在呢我们将第2级的发射极旁路电容增加， 这里改的稍微夸张一些， 把它改为1万微法， 彻底消除它所引起的相移。 这样我们可以判断是否第1级相移是因为这个电容引起的， 我们再观察第1级三极管基极、发射极和集电极的电压信号， 此时，它们的关系变得清晰起来， 可以看到这三个信号之间的电压关系， 实际上在大信号输入的情况下， 在信号的正半周，第1级的基极和发射极之间已经出现了正偏，并不是反偏。 发射极与集电极之间只有50毫伏左右， 此时这个三极管在这种情况下， 应该处于深度饱和状态， 它对应的放大能力极大的减小。 但是很奇怪，整个电路的输出， 信号却没有任何失真，也就是在这一级， 虽然它的集电极信号比它的输入信号小得多， 已经衰减了100倍左右。 但它们之间呈现完美的反相关系， 可以看到，此时第一级共射放大电路 实际上是一个增益远小于1的放大电路。
※总结 ※
本文再次分析了这样一个三级直接耦合放大电路的特性。 为什么它能够对输入一伏信号进行完美的放大， 最主要是利用了第1级三极管， 使它处在深度饱和状态。 这样它形成一个增益远小于一的放大电路。 对输入信号进行大约100倍的衰减， 后面经过第2级放大， 大约放大了400倍之后， 再通过最后一级跟随之后， 进行电压串联负反馈。 最终在输出三极管集电极输出完美的正弦波。 正是由于这个电路本身它处在很强的负反馈状态， 所以即使中间某一级没有能够处在正常的放大状态， 也能够通过整个电路的负反馈， 使得输出波形失真很小。 通过这个电路分析，可以看到， 通常情况下，我们在电路中设计所遵循的一些原则， 实际上对于多级放大复杂电路中， 有的时候呢可以打破这些固有的原则。 通过深度负反馈， 可以允许它本身的各级放大电路路处在临界放大状态， 或者是深度饱和放大。 但整个电路输出仍然是正弦波。 我们不禁要感慨， 为什么一个大一的同学能够设计出这个电路的配置参数， 正是因为他本身并没有一些固有的条条框框约束， 最终可以得到这样的一个解题的答案。 如果我们被一些原本固有的电路设计概念约束住， 就使得看似不可能的， 但是实际上可以解决的方法丢失掉。 因此，原有的经验，有的时候有用， 也有的时候反而成为作茧自缚的枷锁， 丢失了更多的可能性。
■ 相关文献链接:
- 这个三级直接耦合放大电路对于1kHz峰值1V信号的放大-CSDN博客
- 三极直接耦合放大电路参数优化-CSDN博客
- 被AI欺骗啦：一个有趣的三极直接耦合放大电路的调整-CSDN博客
- 一个三极直接耦合放大电路的设计-CSDN博客
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