电子教案4-10.doc

4.1.1级间耦合方式一、放大器的级间耦合方式 级间耦合：放大器级与级之间的连接，其耦合方式有三种：阻容耦合、变压器耦合、直接耦合，如图4.1.1所示。 1阻容耦合：级间通过电容和基极电阻连接 ，如图4.1.1(a)所示。由于电容的“隔直通交”作用，使各级静态工作点相互独立；同时前级输出的交流信号能顺利通过输送到下一级。 2变压器耦合：级间通过变压器连接，如图4.1.1(b)所示。由于初次级之间具有“隔直通交”的性能，使各级静态工作点独立，而前级输出交流信号通过互感耦合顺利输送到下一级。 3直接耦合：级间通过导线（或电阻）直接连接，如图4.1.1(c)所示。前级输出信号直接输送到下一级，但各级静态工作点相互影响。图4.1.1多级放大器的三种耦合方式 (a)阻容耦合(b)变压器耦合(c)直接耦合 对耦合方式的基本要求： 一、信号传输无损失； 二、静态工作点正常； 三、信号失真小，传输效率高。4.1.2阻容耦合多级放大器一、阻容耦合多级放大器的放大倍数 两级阻容耦合放大电路如图4.1.2(a)所示，对应的交流通路如图4.1.2(b)。图 4.1.2阻容耦合两级放大电路 (a)电路(b)交流通路设 第一级的输入电阻为第二级的输入电阻为 第一级交流负载为 第二级交流负载为由放大倍数的定义得：第一级电压放大倍数(4.1.1) 第二级电压放大倍数(4.1.2) 两级电压放大倍数应为 因为, 所以 即 (4.1.3) 结论：两级放大器的电压放大倍数等于单级电压放大倍数与的乘积。 同理，n级放大器的放大倍数为 (4.1.4) 注意，分析多级放大器的放大倍数时要考虑后级对前级的影响。即把后级的输入电阻作为前级负载来考虑。二、放大器的频率特性理想放大器：对于不同频率的信号具有相同的放大倍数。 实际放大器：对不同频率的信号，放大倍数不一样。 频率特性：放大器的放大倍数与信号频率之间的关系，又叫频率响应。图4.1.3放大器的频率响应曲线 单级放大器频响曲线如图4.1.3所示。可分为三个频段： (1) 中频段：信号频率在和之间，放大倍数基本不随信号频率而变化。 中频放大倍数 |：中频段的放大倍数。 上限频率和下限频率：下降到0.707 |时所对应的两个频率。 通频带BW： (2) 低频段：信号频率小于，放大倍数随信号频率下降而减小。 在低频段，放大倍数下降的主要原因是耦合电容和射极旁路电容的容抗增大、分压作用增大造成的。 (3) 高频段：信号频率大于，放大倍数随频率升高而减小。 在高频段，放大倍数下降的主要原因是晶体管结电容的容抗减小、分流作用增大造成的；另外，随频率升高值降低。 三、多级放大器的频率特性 两级放大器的通频带如图 4.1.4 所示。两级放大器中频段的电压放大倍数为 在和处总电压放大倍数为 可见，两级放大器的和两点间的频率范围比单级放大器的和两点间的频率范围缩小了，如图4.1.4(c)所示。 结论表明，多级放大器的放大倍数显然提高了，但通频带比每个单级放大器的通频带窄。级数越多，通频带越窄。图4.1.4两级放大器的通频带 (a)、(b)单级放大器的通频带 (c)两级放大器的通频带 4.2.1反馈及其分类一、正反馈和负反馈 正反馈：反馈信号起到增强输入信号的作用。 判断方法：若反馈信号与输入信号同相，则为正反馈。 负反馈：反馈信号起到削弱输入信号的作用。 判断方法：若反馈信号与输入信号反相，则为负反馈。 二、电压反馈和电流反馈 电压反馈：如图4.2.1(a)所示，反馈信号与输出电压成正比。 判断方法：把输出端短路，如果反馈信号为零，则为电压反馈。 电流反馈：如图4.2.1(b)所示，反馈信号与输出电流成正比。 判断方法：把输出端短路，如果反馈信号不为零，则为电流反馈。图4.2.1电压反馈和电流反馈框图 (a)电压反馈(b)电流反馈 三、串联反馈和并联反馈 串联反馈：如图4.2.2(a)所示，净输入电压由输入信号和反馈信号串联而成。 判断方法：把输入端短路，如果反馈信号不为零，则为串联反馈。 并联反馈：如图4.2.2(b)所示，净输入电流由反馈电流与输入电流并联而成。 判断方法：把输入端短路，如果反馈信号为零，则为并联反馈。 图4.2.2串联反馈和并联反馈框图 (a)串联反馈 (b) 并联反馈 4.2.2负反馈对放大器性能的影响一、放大倍数下降，但稳定性提高以图4.2.4电压串联负反馈电路为例作简要说明。由图可知，反馈电压反馈系数(4.2.1)图 4.2.4电压串联负反馈电路框图 设放大器无反馈时的放大倍数； 净输入电压； 加入负反馈后的放大倍数，则 因为 所以 于是有 (4.2.2) 即 可见，是的 倍，愈大，则比就愈小。 为放大器的反馈深度。如果负反馈很深，即时，则 (4.2.3) 可见，在深度负反馈条件下，反馈放大器的放大倍数仅取决于反馈系数F，而与无关。当晶体管参数、电源电压、环境温度及元件参数发生变化时，负反馈放大器放大倍数受其影响很小，基本不变，从而使放大倍数稳定性获得了提高。 结论：负反馈使放大器放大倍数减小()倍；在深度负反馈条件下负反馈放大器的放大倍数很稳定。二、改善了放大器的频率特性 由图4.2.5 可见，无反馈时，中频段的电压放大倍数为，其上、下限频率分别为和。加入负反馈后，中频段的电压放大倍数下降到。而高频段和低频段由于原放大倍数较小其反馈量相对于中频段要小，因此放大倍数的下降量相对中频段要少，使放大器的频率特性变得平坦。即通频带展宽了，使放大器的频率特性得到改善。 图4.2.5负反馈对频响的改善三、减小了放大器的波形失真 在图4.2.6中，设为无反馈时，输入信号为正弦波（A半周与B半周一样大），由于晶体管特性曲线的非线性，放大器输出信号的发生了失真，出现了A半周大、B半周小的波形。加入负反馈后，反馈信号与输入信号进行叠加产生一个A半周小、B半周大的预失真信号，再经放大器放大，由于放大器对A半周放大能力较大，从而使输出信号中A半周与B半周的差异缩小了，因此放大器的输出波形得到了改善。 图4.2.6负反馈改善波形失真四、改变了放大器输入、输出电阻 放大器引入负反馈后，输入电阻的改变取决于反馈电路与输入端的连接方式；输出电阻的改变取决于反馈量的性质。 1输入电阻的改变 对于串联负反馈，在输入电压不变时，反馈电压削减了输入电压对输入回路的作用，使净输入电压减小，致使输入电流减小，相当于输入电阻增大。即串联负反馈增大输入电阻。 对于并联负反馈，在输入电压不变时，反馈电流的分流作用致使输入电流增加，相当于输入电阻减小。即并联负反馈减小输入电阻。 2输出电阻的改变 电压负反馈维持输出电压不受负载电阻变动的影响而趋于恒定，说明输出电阻比无反馈时的输出电阻要小；而电流负反馈维持输出电流不受负载电阻变动的影响而趋于恒定，说明输出电阻比无反馈时输出电阻要大。即电压负反馈使输出电阻减小；电流负反馈使输出电阻增大。 结论，放大器引入负反馈后，使放大倍数下降；但提高了放大倍数的稳定性；扩展了通频带；减小了非线性失真；改变了输入、输出电阻。4.2.3射极输出器一、射极输出器 4.2.7所示是一个电压串联负反馈放大电路，其反馈信号 取自发射极，若输出端短路，则 ，所以是电压反馈。用瞬时极性法判别，可得和 （即 ）极性相同，反馈信号削弱了输入信号的作用，所以是负反馈。在输入回路中 ，所以是串联反馈。综合看来，电路的反馈类型为电压串联负反馈放大器。 由于信号是从晶体管基极输入、发射极输出，集电极作为输入、输出公共端，故为共集电极电路，又称为射极输出器。图4.2.7射极输出器是一种 图4.2.8交流通路 电压串联负反馈放大器其交流通路如图4.2.8所示。 射极输出器的特性： (1) 电压放大倍数 由图4.2.8可知， 一般很小，则 于是电压放大倍数为 (4.2.4) 可见，射极输出器的输出电压近似等于输入电压，电压放大倍数约等于1，而且输出电压的相位与输入电压相同，故又称射极跟随器。 (2) 输入电阻和输出电阻 输入电阻 设，忽略的分流作用，则输入电阻为 由于，于是，如果考虑的分流作用，则实际的输入电阻为 (4.2.5) 由此可见，与共射极放大电路相比，射极输出器的输入电阻高得多。为了充分利用输入电阻高的特点，射极输出器一般不采用分压式偏置电路。输出电阻 电路如图4.2.9所示，设= 0，令，不计，则输出端外加交流电压产生的电流为 于是得该支路的输出电阻为 图4.2.9分析示意图考虑时，射极输出器的输出电阻为 (4.2.5) 如果信号源内阻很小，则； 若，则射极输出器的输出电阻近似为 (4.2.6) 上式表明，输出电阻比还要小几十倍。所以射极输出器的输出电阻是很小的。4.3.1共基极电路一、共基极电路 共基极放大电路如图4.3.1所示。信号通过从发射极输入、放大后从集电极通过输出，基极通过交流接地，故称为共基极电路。该电路的直流电路采用分压式偏置电路。因此，静态工作点比较稳定。图4.3.1共基极放大电路 (a)交流通路 (b)共基极放大电路图画法之一 (c) 共基极放大电路图画法之二 理论和实验证明，共基极电路具有下列特点： (1)输入电阻低、输出电阻高； (2)电流放大倍数接近于1、并小于1； (3)输出电压与输入电压同相位； (4)较好的高频特性和工作稳定性。 根据其特点，共基极电路广泛应用在高频、宽带放大或对稳定性要求较高的电子线路中。4.3.2三种组态性能比较晶体管的三种组态基本放大电路性能特点不同，可根据需要选择采用，其性能比较可参考表4.3.1。表4.3.1三种组态电路性能比较表组态性能 共发射极 共集电极 共基极 输入阻抗 小 最大 最小 输出阻抗 大 最小 最大 电流放大倍数 大 大 小 电压放大倍数 大 小（接近于1） 大 功率放大倍数 大 较小 大 频率特性 差 好 好 应用情况 应用最广 常用于阻抗变换 常用于高频放大 1判断题 (1)多极放大器的通频带比组成它的各级放大器的通频带窄，级数愈少，通频带愈窄。 正确 错误 (2)共发射极电路也就是射极输出器，它具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗。 正确 错误 (3)射极输出器是共集电极电路，其电压放大倍数小于1，输入电阻小，输出电阻大。 正确 错误 (4)两个放大器单独使用时，电压放大倍数分别为、,这两个放大器连成两级放大器后，总的放大倍数为,则。 正确 错误 (5)画交流放大器的直流通路时，电容要作开路处理，画交流通路时，直流电源和电容器应作短路处理。 正确 错误 (6)多级放大器常采用正反馈来提高电压放大倍数。 正确 错误 (7)晶体管放大器常采用分压式电流负反馈偏置电路，它具有稳定静态工作点的作用。 正确 错误 (8)为了利用输入电阻高的特点，通常射极输出器不用分压式偏置电路。 正确 错误2选择题(1)某三极放大器中，每极电压放大倍数为，则总的电压放大倍数为（）。 A B C(2)在阻容耦合多级放大器中，在输入信号一定的情况下，要提高级间耦合效率，必须（）。 A提高输入信号的频率 B加大电容减少容抗 C减小电源电压(3)三级放大器中，各级的功率增益为：3 dB、20 dB和30 dB，则总功率增益为（）。 A47dB B180dB C53dB(4)放大器的通频带指的是（）。 A频率响应曲线 B下限频率以上的频率范围 C放大器上限频率和下限频率之间的频率范围(5)放大引入负反馈后，它的电压放大倍数和信号失真情况是（）。 A放大倍数下降，信号失真减小 B放大倍数下降，信号失真加大 C放大倍数增大，信号失真程度不变3填空题(1)多级放大器常用的耦合方式有 、 和。(2)阻容耦合放大器的缺点是 ，通常用作 。(3)负反馈对放大器下列方面的影响是：使得放大倍数 ，放大倍数的稳定性 ，输出波形的非线性失真 ，通频带宽度 ，并且 了输入电阻和输出电阻。(4)射极输出器作前级，主要是利用它的 大的特点；放在末级是利用它的 小的特点；放在中间级是兼用它的 大和 小的特点起阻抗变换作用。(5)在多级放大器里，前级是后级的 ，后级是前级的 。只有当负载电阻和信号源的内阻 时，负载获得的功率最大，这种现象称为。(6)射极输出器的特性归纳为：电压放大倍数 ，电压跟随性好，输入阻抗 ，输出阻抗 ，而且具有一定的 放大能力和功率放大能力。(7)反馈放大器由 放大器和反馈电路两部分组成。反馈电路是跨接在 端和 端之间的电路。(8)对共射电路来讲，反馈信号引入到输入端晶体管发射极上，与输入信号串联起来，称为 反馈；若反馈信号引入到输入端晶体管 极上，与输入信号并联起来，称为 反馈。5.1.1直耦放大器的两个特殊问题一、前后级的电位配合问题 两级直耦放大电路如图5.1.1所示。 由于，而很小，使的工作点接近于饱和区，限制了输出的动态范围。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必须解决前后级直流电位的配合问题。 图5.1.1简单的直接耦合电路 二、零点漂移问题 零点漂移：在输入端短路时，输出电压偏离起始值，简称零漂，如图5.1.2所示。 产生零漂的原因：电源电压波动、管子参数随环境温度变化。其中，温度变化是主要因素。图5.1.2零点漂移现象零漂的危害：在直接耦合多级放大器中，第一级因某种原因产生的零漂会被逐级放大，使末级输出端产生较大的漂移电压，无法区分信号电压和漂移电压，严重时漂移电压甚至把信号电压淹没了。因此抑制零漂是直耦放大器的突出问题。5.1.2级间电位调节电路级间电位调节电路 电路如图5.1.3所示，为了避免前后级直流电位的影响，在的发射极接一个电阻，使得 ，增大了管的工作范围。适当调节值，可合理设置前后级的直流电位。为减小对放大倍数的影响，可采用稳压管取而代之。图5.1.3用发射极电阻调节电位 5.1.3差分放大电路一、电路特点 常见的实用差分放大电路如图 5.1.4 所示。特点：由两个完全对称的单管放大器组成，电路结构对称、元件参数对应相等；信号为双端输入、双端输出方式。 输入电压经、分压为相等的和，分别加到两管的基极(双端输入)，输出电压等于两管输出电压之差，即=-(双端输出)。动画：差模、共模信号二、抑制零漂原理 设输入电压=0，因电路完全对称，则，=，=-=0。当温度变化时，两管输出电压的变化量相等，使=，输出电压=-= 0。可见，两管的漂移在输出端相互抵消，从而有效地抑制了零点漂移。动画：Re 的抑制零漂作用三、放大倍数1差模放大倍数 差模信号：大小相等而极性相反的两个信号。 差模输入方式：两管输入信号为差模信号。 在图5.1.4中，当时， ， 放大器为差模输入 放大器双端输出电压 =-=-(-)= 2 设单管放大器的放大倍数为、，且，于是差模放大倍数为 即= (5.1.1) 可见，双端输入、双端输出差放电路的差模放大倍数等于单管放大器的放大倍数。2共模放大倍数 共模信号：大小相等、极性相同的两个信号。 共模输入方式：两管输入信号为共模信号。 在图5.1.5中，两管的输入信号，放大器为共模输入，因电路对称，= 。图5.1.5差分放大器的共模输入方式其双端输出电压=-=0。即共模放大倍数 (5.1.2) 可见，共模输入、双端输出差放电路的共模放大倍数等于零。即对共模信号进行了抑制。 四、共模抑制比 共模抑制比：衡量差分放大器放大差模信号及抑制共模信号的能力。 (5.1.3) 共模抑制比越大，说明差分放大器对称性越好，抑制共模信号的能力越强。五、在电路中的作用 调零电位器。作用是克服电路非对称性。当时，调节，使。 公共射极电阻。作用是引入共模负反馈。对共模信号有负反馈作用，但对差模信号相当于短路。 辅助电源。作用是克服对管压降的影响，防止差分放大管输出动态范围减小。5.2.1外形和符号一、集成运算放大器 1集成电路的外形：常见集成电路外形如图5.2.1所示。 国产集成运放的封装外形主要采用圆壳式和双列直插式。 2集成运放的型号图5.2.1集成电路外形 (a)圆壳式(b)双列直插式(c)扁平式 国家标准（GB 34301989）规定，集成运放的型号通常由字母和阿拉伯数字表示，例如CF741、CF124等，其中字母C表示国家标准，F表示运算放大器，阿拉伯数字表示品种。 3集成运放的管脚顺序及功能 国产第二代集成运放CF741接线如图5.2.2所示。双列直插式集成运放的管脚顺序是，管脚向下，标志于左，序号自下而上逆时针方向排列。管脚功能如下：图5.2.2CF741外接线图脚7接正电源(+9 +18)V，脚4接负电源(-9 -18)V，脚6为输出端，脚1、4、5外接调零电位器，脚3为同相输入端(输出信号与输入信号同相位)，脚2为反相输入端(输出信号与输入信号反相位)。脚8为空脚。国产第一代集成运放F004接线如图5.2.3所示。圆壳式集成运放的管脚顺序是，管脚向上，序号自标志起从小到大按顺时针方向排列。管脚功能如下： 脚7接正电源(+15)V，脚4接负电源(-15)V，脚6为输出端，脚1、4、8接调零电位器，脚3为同相输入端，脚2为反相输入端，脚5、6之间的300k电阻及、的作用是消除自激，可通过调试决定数值。图5.2.3F004外接线图 不同类型运放的管脚排列和管脚功能是不同的，应用时可查阅产品手册来确定。 4集成运放的图形符号 集成运放的图形符号如图5.2.4所示，图(a)是国家新标准(GB4728.131996)规定的图形符号；图(b)是曾用过的图形符号。画电路时，通常只画出集成运放输入和输出端，输入端标“+”号表示同相输入端，标“-”号表示反相输入端。图5.2.4运算放大器的图形符号 5.2.2集成运放的参数一、两种放大倍数 1开环放大倍数 开环放大倍数：无反馈时集成运放的放大倍数，如图5.2.5所示。 (5.2.1)图5.2.5集成运放的开环放大倍数 2闭环放大倍数 闭环放大倍数：有反馈时集成运放的放大倍数称为闭环放大倍数。其数值根据具体电路的反馈情况来计算。 二、集成运算放大器的主要参数 1输入失调电压 当输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电压。一般为毫伏级。它表征电路输入部分不对称的程度，越小，运放性能越好。 2输入失调电流 输入电压为零时，为了使放大器输出电压为零，在输入端外加的补偿电流。其值为两个输入端静态基极电流之差。 3输入偏置电流 输入电压为零时，两个输入端静态基极电流的平均值。一般为微安数量级，越小越好。 4开环电压放大倍数 电路开环情况下，输出电压与输入差模电压变化量之比。越大，集成运放运算精度越高。一般中增益运放的可达倍。 5开环输入阻抗 指电路开环情况下，差模输入电压与输入电流之比。越大，运放性能越好。一般在几百千欧至几兆欧。 6开环输出阻抗 电路开环情况下，输出电压与输出电流之比。越小，运放性能越好。一般在几百欧左右。 7共模抑制比 电路开环情况下，差模放大倍数与共模放大倍数之比。越大，运放性能越好。一般在80dB以上。 8输出电压峰 - 峰值 放大器在空载情况下，最大不失真电压的峰-峰值。 9静态功耗 电路输入端短路、输出端开路时所消耗的功率。 10开环带宽BW 开环电压放大倍数随信号频率升高而下降3 dB所对应的带宽。 以上参数可根据集成运放的型号，从产品说明书等有关资料中查阅。5.2.3集成运放的理想特性1输入信号为零时，输出端应恒定为零； 2输入阻抗 ； 3输出阻抗=0； 4频带宽度BW应从； 5开环电压放大倍数=。 在实际应用和分析集成运放电路时，可将实际运放视为理想运放，以简化分析。5.2.4集成运放应用举例一、简单的比例运算功能 (1) 反相输入比例运算电路 图5.2.6所示的电路，是电压并联负反馈放大电路。 根据运放“理想特性”，而又是有限值，则图5.2.6反相输入比例运算电路(5.2.2)所以 故反相输入比例运放的闭环放大倍数为 (5.2.3) 输出电压为 (5.2.4) 结论：反相输入比例运算电路的闭环放大倍数只取决于与之比，与开环放大倍数无关；输出电压与输入电压成反相比例关系。 由于，即A端的电位接近于零电位，但实际并没有接地，所以通常把A端称为“虚地”。(2) 同相输入比例运算电路 图5.2.7所示的电路，是电压串联负反馈放大电路。 根据运放“理想特性”，而又为有限值。得 ， 因此，输入电压为图5.2.7同相输入比例运算器(5.2.5) 其中 故同相输入比例运放的闭环放大倍数为 输出电压 (5.2.6)从以上分析可以得出结论：同相输入比例运算电路的放大倍数与无关，只取决于与的比值；输出电压与输入电压同相且成比例关系。二、减法比例运算电路 图5.2.8所示的电路是减法比例运算放大电路，。 由图可知 因为，则， 于是有 整理得图5.2.8减法比例运算放大电路 而 因，故 由于,，得 (5.2.7) 结论，输出电压正比于两个输入电压之差。 如果=，则 (5.2.8) 故电路又称为减法器。 三、加法比例运算电路图 5.2.9 所示的电路是加法比例运算放大电路，其中，。 由运放理想特性知，因而。由于A点为“虚地”，因此 整理可得 (5.2.9)若取，上式简化为图5.2.9加法比例运算放大电路 (5.2.10) 结论，电路的输出电压正比于各输入电压之和。 如果= R，则 (5.2.11)故电路称为“加法器”。四、其他其方面的应用举例 1反相器 如果令图5.2.6中的=，则，即输出电压与输入电压在数值上相等且相位相反，称为“反相器”。用图5.2.10所示的符号来表示，图中“”表示放大系数为1。图5.2.10反相器2电压跟随器 如果令图5.2.7同相输入比例运放中的= 0，即输出电压全部反馈到输入端，而且同相。如图5.2.11所示，则 图5.2.11电压跟随器于是= ，即输出电压与输入电压数值相等且同相，称为电压跟随器。 3LM324组成的电平指示电路 (1) LM324简介 LM324是含有四个运放的集成组件。简称四运放集成电路。引线分布如图5.2.12所示。图中，GND为接地端，为电源正极端(6V)，每个运放的反相输入端、同相输入端、输出端均有编号。例如，、分别表示1号运放的反相输入端、同相输入端及输出端。依此类推，、是表示2号运放器的，等等。 图5.2.12LM324四运放外引线图 (2) LM324组成的电平指示器 电平指示电路如图5.2.13所示。从图可见，四个运放的同相输入端连接于由V(2AP9)、组成的整流电路输出端，作为信号的输入端。输出端分别通过限流电阻接有发光二极管、。反向输入端分别经电阻分压网络分压后加上量值不等的正电压。图5.2.13LM324组成的电平指示器 无信号输入时，四个运放同相输入端皆为零电平，因反相输入端皆为正电位，所以各运放输出低电平，因此 各发光二极管均不发光。有信号输入时，经整流后的对地电压(电位)若大于第2脚电位，则第1脚的发光二极管发光。若同相输入端的电位都高于相应运放反相输入端的电位时，四个发光二极管、全部发光。这样，随着音频信号强弱的变化，电路中发光二极管的个数和亮度也随之变化。其中，改变电位器RP1的阻值，可调整发光二极管的亮度。5.2.5集成运放使用常识一、零点调整 方法：将输入端短路接地，调整调零电位器，使输出电压为零。 二、消除自激振荡 方法：加阻容补偿网络。具体参数和接法可查阅使用说明书。目前，由于大部分集成运放内部电路的改进，已不需要外加补偿网络。图5.2.14 电源极性保护 三、保护电路 1电源极性的保护 利用二极管的单向导电特性防止由于电源极性接反而造成集成运放的损坏，如图5.2.14所示。若电源极性错接成上负下正时，两二极管均不导通，等于电源断路，从而起到保护集成运放的作用。 2输入保护 利用二极管的限幅作用对输入信号幅度加以限制，以免输入信号超过额定值损坏集成运放的内部结构，如图5.2.15所示。无论是输入信号的正向电压或负向电压超过二极管导通电压，则和中都会有一个导通，从而限制了输入信号的幅度，起到了保护作用。图5.2.15输入保护电路 （a）反相输入（b）同相输入3输出保护 利用稳压管和接成反向串联电路，如图5.2.16所示。若输出端出现过高电压，集成运放输出端电压将受到稳压管稳压值的限制，从而避免了损坏。图5.2.16输出端过压保护电路6.1.1工作原理 一、LC并联电路 如图6.1.1所示为 LC 并联电路。R为并联电路损耗电阻。1阻抗频率特性 LC 并联电路的阻抗频率特性如图6.1.2(a)所示。它表示了LC并联电路的阻抗Z与信号频率之间的变化关系。当=时，LC 并联电路发生谐振，阻抗最大。当时，电路失谐，阻抗很小。因此，称为谐振频率，又称固有频率，即图6.1.1LC并联电路 可见，元件 L、C取定值时，谐振频率是一个常数。2相位频率特性 LC 并联电路的相位频率特性如图6.1.2(b)所示。它表示了LC并联电路两端电压v和流进并联电路电流i之间的相位角之差 与信号频率之间的变化关系。 当= 时，= 0，电路呈纯阻性； 当 0，电路呈感性； 当 时， 0，电路呈容性； 可见，LC并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质。 图6.1.2LC并联电路的频率特性 （a）阻抗频率特性（b）相位频率特性3选频特性 阻频特性和相频特性统称为LC并联电路的频率特性。它说明了LC并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。LC 电路的阻频特性与 Q 值的关系如图6.1.3所示。 品质因数为 它表征了LC并联电路选频特性的好坏。图6.1.3阻频特性与Q值关系实验和理论证明： R越小，Q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强； R越大，Q值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。 LC并联电路的Q值，一般在几十到一二百之间。 4选频放大器 选频放大器电路如图 6.1.4(a)所示。电路特点是利用LC并联电路作为负载，因此放大电路具有选频放大能力。 工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即= ，放大器输出电压最大；放大倍数最大，如图6.1.4(b)所示。这种表示选频放大器的放大倍数与信号频率关系的曲线，称为调谐放大器的谐振曲线。图6.1.4选频放大器原理 （a）电路（b）谐振曲线 6.1.2两种基本调谐放大电路一、单回路调谐放大器 单回路调谐放大器如图6.1.5所示。 工作原理：输入信号经通过和送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经LC谐振电路选频由耦合输出。 电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的Q值。图6.1.5单回路调谐放大器单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于谐振曲线，它与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。 电路优点：调整方便、工作稳定； 缺点：失真大。二、双回路调谐放大器 双回路调谐放大器如图6.1.6所示。电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。 1互感耦合 互感耦合的双回路调谐放大器如图6.1.6(a)所示。电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。调节、之间的距离或磁心的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。 工作原理：假定和调谐在信号频率上，输入信号通过送到V时，集电极信号电流经产生并联谐振。此时，由于互感耦合，中的电流在回路电感的抽头处产生很大的输出电压。 2电容耦合 电容耦合的双回路调谐放大器如图6.1.6(b)所示。电路特点是通过外接电容实现两个调谐回路之间的耦合，改变的大小就可改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。图6.1.6双回路调谐放大器 （a）互感耦合（b）电容耦合3选择性和通频带与耦合程度的关系： 双回路调谐的谐振曲线如如图6.1.7所示。 (1) 弱耦合时，谐振曲线出现单峰； (2) 强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率处下凹的程度与耦合强度成正比； (3) 临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率处曲线较平坦。 可见，谐振曲线在临界耦合时，与理想的矩形谐振曲线很接近。 结论，双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。图6.1.7双回路调谐的谐振曲线 （a）耦合较弱 （b）耦合适当（c）耦合较强6.2.1自激振荡工作原理 一、LC回路中的自由振荡 如图 6.2.1(a) 所示电路中。当开关 S 合至 “1” 时，电热器被充电，其电压为，开关由 “1” 合至 “2” 时，电容便能通过电感线圈 L 构成放电回路。电容器在放电过程中将其储存的电场能变成电感线圈的磁场能，然后，电感线圈又向电容器 C 充电，把磁场能转换为电场能。这个过程称为电振荡。 自由振荡电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。 阻尼振荡因损耗等效电阻R将电能转换成热能而消耗的减幅振荡，如图6.2.1(b)所示。 等幅振荡利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，如图6.2.1(c)所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC回路的固有频率，即 (6.2.1)图6.2.1LC回路中的电振荡 （a）原理图（b）阻尼振荡波形（c）等幅振荡波形二、自激振荡的条件 振荡电路如图6.2.2所示。 振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 1相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180的偶数倍，即 (6.2.2) 其中，为与的相位差，n是整数。、的相互关系参见图6.2.3。 2振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 = 1(6.2.3)图6.2.2变调谐放大器为振荡器 三、自激振荡建立过程 自激振荡器：在图6.2.2中，去掉信号源，把开关S和“2”点相连所组成的电路。图6.2.3自激振荡器方框图 自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号，振荡管V产生集电极电流，因具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。经 LC 并联电路选出频率为的信号，由输出端输出，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到 = 1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡，如图6.2.4所示。图6.2.4振荡的建立过程 6.2.2LC振荡器 一、变压器耦合式 LC 振荡器电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。常用的有以下两种。 1共发射极变压器耦合LC振荡器 (1) 电路结构 电路结构如图6.2.6(a)所示，图中V为振荡放大管，电阻、是偏置电阻，为稳定工作点发射器负反馈电阻，、为旁路电容，LC并联回路为选频振荡回路，为反馈线圈，为振荡信号输出端，电位器和电容组成反馈量控制电路。图6.2.6共发射极变压器耦合振荡器 （a）电路（b）交流通路 (2) 工作原理 图 6.2.6(a) 的交流通路如图6.2.6(b)所示。对频率f = 的信号，LC选频振荡回路呈纯阻性，此时和反相，即=180o。输出电压再通过反馈线圈，使4端为正电位，即与的=180o。于是，保证了正反馈，满足了相位条件。如果电路具有足够大的放大倍数，满足振幅条件，电路就能振荡。调节可改变输出幅度。 2共基极变压器耦合LC振荡器(1) 电路结构 电路结构如图6.2.7(a)所示。图中V为振荡放大管，电阻、是偏置电阻、为稳定工作点发射极负反馈电阻，为基极旁路电容，为隔直耦合电容，为反馈线圈，L与C串联组成选频振荡电路。 (2) 工作原理 图 6.2.7（a）的交流通路如图6.2.6(b)所示。接通电源瞬间，LC回路振荡电压加到管子基射之间，形成输入电压，经 V 放大后，输出信号经反馈线圈与L之间的互感耦合反馈到管子基射之间，若的反馈极性正确且满足振幅平衡条件,电路产生振荡。图6.2.7共基极变压器耦合振荡电 （a）电路（b）交流通路 综上分析，变压器反馈电路的反馈强度，可通过与之间的距离来调节。变压器耦合振荡电路的振荡频率为 (6.2.4) 若调节L、C，可改变振荡频率。动画： 变压器反馈式 LC 振荡器二、三点式LC振荡电路 电路特点：LC振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。 1电感三点式振荡器 电路如图6.2.8(a)所示，其交流通路如图6.2.8(b)所示。图6.2.8电感三点式振荡器 （a）电路图（b）交流通路相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”，此时2端电位低于1端而高于3端，即与反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。 振幅条件：适当选择与的比值。使，满足振幅条件。电路就能振荡。 由于反馈电压取自两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，越小，反馈越小，不易起振。 电路振荡频率为 (6.2.5) 其中M是与之间的互感系数。 优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫。 缺点：波形失真较大。 2电容三点式振荡器 电容三点式振荡器电路如图6.2.9(a)所示，其交流通路如图6.2.9(b)所示。 相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”。此电压经、分压后，2端电位低于1端而高于3端，即与反相，经V倒相放大后，使1端获“+”电位，形成正反馈，满足相位条件。 振幅条件：适当地选择、的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。 电路振荡频率为 (6.2.6) 而 电路特点：频率较高，可达100 MHz以上。 优点：输出波形好。 缺点：调节频率不方便。图6.2.9电容三点式振荡器 （a）电路图（b）交流通路 6.2.3石英晶体振荡器一、石英晶体的基本特性及其等效电路 1压电效应 石英晶体谐振器如图6.2.11所示。它是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。图6.2.11石英晶体谐振器结构示意图 压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图6.2.12(a)所示。 压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的振荡频率，图6.2.12(b)所示。图6.2.12压电效应和谐振现象 （a）压电效应（b）谐振现象2符号和等效电路 石英晶体振荡器的符号如图6.2.13(a)所示，当晶体不振动时，可用静态电容来等效，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约为。由可知，品质因数Q很大，可达。加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。其等效电路如图6.2.13(b)所示，它有两个谐振频率。 (1) 当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为 (6.2.8) (2) 当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为 (6.2.9) 由于C ，因此和两个频率非常接近。 图6.2.13(c)为石英晶体谐振器的电抗-频率特性，在和之间为感性，在此区域之外为容性。图6.2.13石英晶体谐振器 （a）符号（b）等效电路（c）电抗频率特性（设R0）6.2.4集成运放 LC 振荡器一、用集成运算放大器组成的振荡电路 用集成运算放大器组成的振荡电路如图6.2.16所示。L和C构成选频网络与电阻组成正反馈支路；和组成负反馈支路。当电源接通后，集成运放输出信号经选频网络选出频率为 的信号，从同相端输入，形成正反馈。输出端可输出频率较高的正弦波振荡信号，其信号幅度由电位器调节。 图6.2.16集成运放LC正弦波振荡器 1判断题(1) 正弦波振荡器中，如没有选频网络，就不能引起自激振荡。 正确 错误 (2) 在多级放大器中，级间常常接有去耦滤波电路，用以防止电源内阻的耦合作用引起的自激振荡。 正确 错误 (3) 放大器具有