$A_v = -g_m(R_C \| R_L)$, $g_m = \dfrac{I_C}{V_T}$
BJT共射极放大电路的Q点、电压增益、频率特性实时计算。改变回路常数,可视化IC-VCE特性曲线和波德图。
Vcc(电源电压)滑块设到12V。这是回路的能量源。R1和R2的滑块,就能看到那个交点上下左右移动。这个位置偏差了,输入大信号时音声就会失真。Rc(集电极电阻)和Re(发射极电阻)。Rc变大增益就上升,但Q点也跟着动。所以Re变小来补正Q点……在模拟器上把两个滑块联动地动一动,就能体感增益和Q点的权衡。现场就是靠这个平衡来见真章。音频放大器的输入级:用于放大来自麦克风或吉他的微弱信号。低失真、稳定的Q点设计决定音质。在模拟器上改变Re移动Q点,就能想象失真的产生。
传感器信号放大:温度传感器、应变片等传来的小电压变化需要被读取,这时必须用到放大。抗噪声设计、特定频带的选择性放大需要理解频率特性(波德图)。
无线通信(RF)的低噪声放大器(LNA):作为天线接收的极微弱电波放大的初级级,是研究的对象。要兼顾高增益和低噪声的参数探索中,这种基础模拟很有用。
教育和回路设计学习:买零件焊接前预测回路行为,寻找最优电阻值。把理论公式和调滑块时图表的变化结合起来,可以加深直观理解。
首先,「为了增益就一个劲地增大Rc」这个想法很危险。确实数式上增益会上升,但Q点的VCE会变得太小,集电极-发射极间接近饱和。比如Vcc=12V、Rc=10kΩ、IC=1mA时,VCE仅约2V。输入信号的负半波会让晶体管完全饱和,波形下半部分被削顶,造成严重失真。其次,「发射极电阻Re设为0Ω就最高增益」也是误解。Re为零时,温度变化导致晶体管特性漂移(如V_BE变化)会直接影响IC,Q点稳定性大幅恶化。实务上IC=1mA时,Re通常设在几百欧到1kΩ。最后,模拟器的「频率特性」主要看中频增益这一点要明确。这里的波德图主要展示耦合电容导致的高、低频截止,并非晶体管本身的频率特性。实际晶体管有ft(截止频率)这个性能极限,它根本上制约着音频放大器的高音延伸和无线回路设计。
VCC=12V、β=150、R1=82kΩ、R2=18kΩ、RC=1.2kΩ、RE=470Ω、RL=10kΩ的情况,基极电流IB≈11μA、集电极电流IC≈1.65mA、VCE≈5.8V、电压增益Av≈−120V/V(41dB)。低频带域(f<100Hz)出现增益下降,高频带域(f>10kHz)因晶体管内部容量而衰减。