电路分析与电子线路经验谈 从线性到非线性

《电子技术基础》是电子类专业一门重要的技术基础课。模拟电路是学生难学、教师难教的一门课程。放大器是模拟电路的入门基础,也是《电子技术基础》的重点和难点,只有解决了这个难题,才能进入电子技术的领域。笔者经过教学实践,逐渐形成了以非线性器件、线性器件与线性放大的主要矛盾,以线性非线性线性为主线,以直流分析和交流分析为主要内容的放大器的分析思路和原则,较好地解决了从《电路》到《电子技术》的过渡,解决了电子技术入门难的问题。

1 从线性到非线性

电子线路是电路的一个分支,是包含有电子器件的电路,而电子器件是非线性器件,所以电子线路是非线性电路。《电路》中一般包括非线性电路一章,但内容少,只是简单介绍,没有引起学生足够的重视。所以《电子技术基础》课一开始就要做好从线性电路到非线性电路的过渡。

《电子技术基础》一开始就讲PN结,PN结是半导体器件的基础。在讨论了PN结的工作原理,得到PN结的伏安特性后,就进入了非线性：其伏安特性曲线为非线性函数。在这里首先要给出线性电阻的定义,引出直流（静态）电阻和交流（动态）电阻的概念,对比线性电阻（伏安特性曲线为通过原点的一条直线,其直流电阻和交流电阻相等且为一常量）可得出如下重要结论：

（1）非线性元件在伏安特性曲线上任一点的直流电阻和交流电阻一般是不相等的。

（2）非线性元件的直流电阻和交流电阻不是一个常数,而是随着静态工作点的不同而变化。

PN结的正向电阻很小,而反向电阻很大。所以,往往把他的非线性概括为单向导电性。二极管就是一个PN结,三极管由2个PN结组成,当他工作在放大状态时,输入特性相当于PN结的正向特性,而输出特性相当于基区注入少数载流子控制下的PN结反向特性。

以上讲的是电子器件的非线性,有了电子器件非线性特点,才有电子线路与一般线性电路的区别,才能理解放大器的工作原理、静态工作点的设置及直流分析和交流分析的不同。

2 非线性带来的放大线路的特点

非线性元件往往会产生新的频率分量,也就是产生非线性失真。这就是电子线路必须考虑的首要问题。如果把交流信号直接加到三极管的发射结上（即不加静态偏置）,则由于发射结的单向导电性,即便忽略了他的死区电压和正向特性的非线性,也会产生严重的非线性失真,这样只有正半周导通,而负半周是截止的（乙类工作状态）。只有将交流信号的中心位置沿电压轴向上平移,即在发射结加正向偏压,并使正向偏压值大于交流信号的振幅值,才能使PN结在交流信号的正、负半周均导通（甲类工作状态）,才能得到不失真的放大,由此得到2条结论：

（1）为了克服PN结单向导电性带来的非线性失真,放大器在加入交流信号之前必须加上直流偏置信号。

（2）放大器线路中既有直流信号,也有交流信号; 2种信号的流通回路可能不同,即既有直流通路,又有交流通路;放大器中各处的电压和电流既有直流分量,又有交流分量,即瞬时量等于直流量加交流量,这就决定了放大器的分析包括直流分析和交流分析2部分,直流分析是确定放大器的直流工作点,交流分析是计算放大倍数,输入和输出电阻、输出功率和效率以及频率响应等性能指标。直流信号与交流信号的通路不同,特别是非线性器件对直流信号和交流信号所呈现的性能不同（直流电阻和交流电阻）,所以直流分析和交流分析要采用不同的电路网络和参数。这些往往被一些同学所忽略,应特别引起注重。

3 微变信号的线性等效电路分析

对微变信号在放大器的分析方法中,把他变为线性电路的分析问题,这样就完成了线性---非线性--- 线性的全过程。但这并不是回到了原来的地方去,而是有了一个质的飞跃和提高。虽然放大线路的交流分析也是线性分析,但必须采用非线性器件在给定的静态工作点上的交流参数,非线性的特点在这里仍然起作用,在很多电子线路中,就是利用电子器件的直流电阻和交流电阻不同这一特点的。利用这一概念可以理解和解释很多电路的工作原理。例如,有源负载就是利用这一特点,在较低的直流电源电压或较大的静态工作电流的情况下,得到一个较大的交流等效电阻,在差动放大电路中,通过对长尾式差动放大器发射极电阻功能的分析,知道他能够有效地减小共模放大倍数而对差模信号没有任何影响,所以他越大越好,如果用线性电阻,在一定的工作电流下,选用大的电阻,就必须受到发射极直流电源电压的限制,这样,选用交流电阻很大而直流电阻很小的有源负载就是很自然。

4 结语

《电路》课程中一般的线性电路分析,到电子器件的非线性,再到放大线路中交流信号的线性分析,至此,对放大线路分析的任务就基本完成了,因为电路就是由电路元件构成的回路,分析电路就是先用电路元件的模型代替这些元件后,利用电路基本定律和基本分析方法,对由电路元件的模型构成的网络求解,电子线路与一般电路的惟一区别就在于他包含有电子器件。现在,当把电子器件也用他的电路模型代替后,电子线路也就变成了一般的电路,其分析也就变成了一般电路的分析,这样讲,是让学生明白,电子线路是电路的一个分支,《电子技术基础》是《电路》的延续和扩展,其基本定律和分析方法是相同的,从而建立一个统一、完整的电路分析的概念。