非线性电路的分析方法

时间:2022-10-24 13:35:03 来源:网友投稿

非线性电路广泛应用于测量技术、数字技术、自动控制和无线电通信等方面。而非线性元器件电路的分析和计算,是电子技术课程教学中的重点和难点。本文阐述了分析非线性电路的几种方法,对分析和了解电子产品的性能十分重要。

【关键词】非线性元器件 非线性电路 线性化

电子电路中的元器件,很多是非线性元件,如半导晶体管、开环运放器等。对非线性元器件电路的分析和计算,是电子技术教学中的一大难点。下面介绍几种分析非线性电路的分析方法。

1 图解分析法

1.1 非线性元件的伏安特性图解

在模拟电子电路中,用图解的方法,说明非线性元件晶体管的伏安特性、输入特性和输出特性,比较直观明了,有助于学生对非线性元件晶体管工作特性的理解。

半导体二极管伏安特性:二极管的伏安特性曲线直观地表明了,加在二极管端电压与流过二极管的电流之间的关系,是非线性关系,如图1所示。

半导体三极管伏安特性:三极管的输入特性曲线表明:三极管的输入电压与输入电流之间的关系,是非线性关系;同样,三极管的输出特性曲线表明,其输出集电极电流IC与输出集一射极电压UCE之间为非线性关系。如图2所示。

1.2 图解法求取放大电路静态工作点

在非线性元件晶体管组成的放大电路中,静态工作点Q值的求取,可用图解的方法来确定。在三极管的输出特性曲线上,画直流通路得出的且与负载电阻有关的直流负载线,它与晶体管的某条输出特性曲线的交点Q称为放大电路的静态工作点,如图2所示。

2 微变等效电路分析法

微变等效电路法,就是把非线性电路线性化。在放大电路中,把晶体管等效为一个线性器件。等效的条件是晶体管在小信号(微变量)情况下工作。这样就能在静态工作点附近的小范围内,用直线段近似地代替晶体管的特性曲线。

2.1 晶体管的微变等效

在小信号作用下,晶体管的输入B、E之间可用一个线性电阻等效代替。如图1所示,当输入电压有一微小变化时,基极电流对应一微小变化,两者的比值即为晶体管的线性输入电阻。同样,在小信号作用下,晶体管的输出电路可用一个受控制的电流源来等效代替。在图2中,输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线,集电极电流的微小变化仅与基极电流的微小变化有关,而与C、E之间电压无关,故集电极和发射极之间可等效为一个受控电流源。

2.2 放大电路的微变等效电路

将放大电路交流通路中的晶体管,用其微变等效电路代替,即得到放大电路的微变等效电路,如图3所示。

3 非线性电路分析举例

3.1 集成运算放大电路的非线性应用

当集成运放通过外接电路引入正反馈或者开环时,运算放大器的输入量和输出量之间不再存在线性关系,而处于非线性工作状态。集成运放则可构成各种电压比较器和矩形波发生器等。

3.2 电压比较器的工作原理

运算放大器处在开环状态时,由于电压放大倍数极高,因而输入端只要有微小电压,运算放大器便进入非线性工作区域,其输出电压将达到最大值,成为非线性电路。

在图4中, 当uiUr时,运放输出低电平。

因此,以Ur为界,当输入电压ui变化时,输出端反映出两种状态,高电位和低电位。图4(b)表示输出电压与输入电压之间关系的传输特性。

4 结语

非线性元器件,广泛存在于电子电路中。在对电子产品的性能进行研究时,首先要分析电路工作原理、各单元电路的作用和相互联系,才能确定电路的故障点,知晓电子产品改进的途径等。好的电路分析方法,能有效地解决实际问题。

参考文献

[1]吕国泰.电子技术[M].北京:高等教育出版社,2007.

作者介绍

张燕玉(1961-),女,湖北省黄冈市人。现为湖北黄冈师范学院副教授。研究方向为机电一体化。

作者单位

湖北黄冈师范学院湖北省黄冈市438000

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