小信号模型(small signal models)
小信号模型:非线性电路的线性化分析方法
看懂运放与晶体管电路如何被线性化,掌握建模边界
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小信号模型:非线性电路的线性化分析方法
看懂运放与晶体管电路如何被线性化,掌握建模边界
非线性电路的分析困境
上节说小信号模型要把非线性电路『线性化』。但为什么不能直接解非线性方程?一个二极管串联电阻,KVL 写出来就是超越方程——没有闭式解。这就是分析困境的起点。
高速小幅转向均匀可预测;山路同一操作因弯道位置不同而结果迥异
非线性元件的伏安特性
顺着箭头读:从弯曲的i-v曲线出发,看它如何引发两个分析难题,并指向解决方案。
核心思路:工作点附近的线性近似
上一页我们看到二极管伏安曲线是一条弯的指数线——如果信号摆幅大,整条曲线都要参与,线性电路那套方法完全失效。怎么把弯曲的曲线"掰直"?放大镜会给出答案。
放大倍数越大,弯曲越不显眼;只要范围够小,再弯的线也能近似成直线
泰勒展开与小信号近似
把非线性函数在工作点展开为泰勒级数,再丢掉高次项,只留一次项。
小信号的定义与成立条件
前一页泰勒展开截掉高阶项,留下线性项——但截到二阶还是三阶才安全?「小信号」必须有个明确边界,否则线性近似只是数学游戏,不是工程工具。
脚下 1m² 感觉不到弧度,1000 公里外的直尺能看出弯曲——线性近似只允许看脚下那一块
工作点 Q 与小信号增量
Q 点叠加 Δv,沿曲线读 Δi;Q 点切线即线性近似
增量电阻/电导的物理意义
前页泰勒展开给出线性化方程 di ≈ g·dv,其中 g = di/dv|_Q。但为什么偏偏是导数——而非 V/I——能代表'局部电阻'?看 VI 曲线的切线。
山坡各处坡度不同;站在某处迈一小步,所需力气只取决于脚下那段的局部斜率,而非整座山的平均坡度
建立小信号模型的五步法
把非线性电路拆成直流+小信号两部分,分别求解再叠加——这就是建模的标准流程。
非线性电阻的小信号模型
沿箭头读流程:每一步是一次等效变换,从非线性元件逐步得到线性小信号电阻r。
大信号模型 vs 小信号模型
两者名字只差一个字,分析思路却完全相反——选错了整个电路分析都白做。
- 用非线性方程直接描述元件(不近似、不省略)
- 适用于任意工作状态(大信号、大摆幅)
- 精确但通常无解析解(依赖数值迭代)
- 计算量大、难以叠加
- 在工作点处线性化(截取泰勒一阶项)
- 要求扰动幅度足够小(小信号假设)
- 近似但有解析表达式(叠加原理可用)
- 计算量小、可线性叠加
小信号模型的电路符号约定
用 SymPy 演示从小信号模型的三条核心符号约定:大信号分解、直流源置零、非线性元件线性化。
代码用 SymPy 演示三条约定:①大信号 v_GS 拆为 Q 点 + 增量;②DC 电压源短路、电流源开路;③非线性元件在工作点处线性化为 g_m·v_gs 受控源,合起来求得 A_v = -g_m·R_D。
二极管的伏安特性与工作点
上页我们看了几类非线性元件的伏安形状,二极管那条指数曲线最值得展开。它既是大信号静态行为的源头,也是小信号线性化必须围绕的舞台——一切从静态工作点 Q 说起。
整条路是弯的、陡的,盯住 Q 点那一小段近似直线,斜率就是增量电导
二极管小信号模型的推导
从指数方程出发,对工作点求导,得到增量电阻 r_d 的完整过程。
二极管小信号等效电路
从伏安特性出发,沿箭头走完线性化流程,得到交流等效电阻r_d。
正向偏置 vs 反向偏置的模型差异
正偏 r_d 较小,反偏用结电容替代——两种情况不同建模
晶体管小信号模型概述
二极管只有两个端,晶体管有三个——而且是「一个端控制另两个端」的受控源。把上一页的线性化方法再往前推一步,就得到放大器分析的核心工具。
手柄微调产生的水流增量;gm 就是手柄对水流的灵敏度
小信号模型中的叠加原理
原电路拆为直流/交流两条路径,分别求解后再叠加为总响应
温度对小信号模型的影响
前页我们推导出 r_d = V_T / I_D,但一直没追问 V_T 从哪来。V_T = kT/q 直接来自物理常数 k 与温度 T,所以温度一变,r_d 就跟着漂——这是小信号模型的「边界条件」。
温度升高,液柱升高;T 升高,V_T 也线性升高,进而把 r_d 拉大
核心概念自测
小信号模型中,工作点 Q 处非线性电阻的等效电阻取 dV/dI 而非 V/I,根本原因是?
深入思考题
先独立思考再看参考答案,三题层层递进。
参考答案当增量Δv远小于工作点附近曲线的特征尺度时,二阶及以上项相对一阶项为高阶小量,故可略去。
参考答案二阶项误差最先显现,输出中将出现模型未预测的谐波频率分量,即谐波失真。
参考答案若Q点处曲线曲率大、二阶导显著,则一阶线性近似误差剧增,模型可能严重偏离实际。