《 城市轨道交通电工电子（第2版）》（课件） 项目9 放大电路

项目9放大电路项目导读放大电路是具有放大电信号功能的电子电路，在城市轨道交通广播、电气控制等系统中有着非常广泛的应用。本项目主要介绍常见的放大电路，如共发射极放大电路、共集电极放大电路、多级放大电路、功率放大电路、集成运算放大器等的相关知识。知识目标213熟悉放大电路的组成。掌握共发射极放大电路、共集电极放大电路等单级放大电路的特点。掌握多级放大电路的组成、耦合方式及特性。45掌握互补对称功率放大电路的工作原理。掌握集成运算放大器的组成、分类及使用常识。能力目标020103能够测试基本放大电路。能够安装与调试集成功率放大器。能够测试集成运算放大电路的性能指标。思政目标020103养成勇于探索、乐于奉献的创新精神。养成求真务实、开拓进取的工作作风。厚植爱国爱党、服务人民的社会主义情怀。CONTENTS1放大电路概述2功率放大电路3集成运算放大器放大电路概述任务9.1任务引入在电子电路中，通常会涉及很多关于微弱信号放大的问题。例如，地铁广播系统需要将微小的电流信号放大至足够功率以供扬声器发声，压力传感器需要将微小的压力信号转变成较大的电流信号以便于被检测。地铁广播系统、压力传感器等的信号放大功能，都是通过放大电路实现的。那么，什么是放大电路？放大电路的工作原理又是什么呢？放大电路是由三极管（或场效应管）、电阻、电容、电源等组成的，其作用是将微弱变化的电信号（非电信号可通过传感器转变成电信号）放大成幅度足够大且与原信号变化规律一致的信号。如图9-1所示为放大电路的信号放大过程，放大电路将小能量的输入信号放大成较大能量的输出信号。9.1.1放大电路的组成和分类1．放大电路的组成图9-1放大电路的信号放大过程9.1.1放大电路的组成和分类2．放大电路的分类（1）根据信号源的不同，放大电路可分为交流放大电路和直流放大电路。（2）根据工作频率的不同，放大电路可分为低频放大电路、中频放大电路和高频放大电路。（3）根据集成程度的不同，放大电路可分为分立器件放大电路和集成放大电路。（4）根据三极管连接方式的不同，放大电路可分为共发射极放大电路、共基极放大电路和共集电极放大电路。（5）根据放大电路级数的不同，放大电路可分为单级放大电路和多级放大电路。9.1.2放大电路的基本分析方法1．静态分析2．动态分析9.1.3常见放大电路1．单级放大电路1）共发射极放大电路如图9-2所示为共发射极放大电路。输入信号从三极管的基极和发射极之间输入，放大后的输出信号从三极管的集电极和发射极之间输出。图9-2共发射极放大电路9.1.3常见放大电路9.1.3常见放大电路2）共集电极放大电路如图9-3所示为共集电极放大电路。在此电路中，交流信号从基极输入，从发射极输出，因此该电路又称为射极输出器。共集电极放大电路是电流放大电路，主要特点是：电压放大倍数略小于1，输出电压与输入电压同相，输入电阻高，输出电阻低。图9-3共集电极放大电路9.1.3常见放大电路2．多级放大电路如图9-4所示为多级放大电路的组成示意图。它们在电路中分别起到如下作用。（1）输入级用于实现与信号源的衔接并对输入信号进行放大。为减小信号源内阻对输入信号的影响，输入级应具有较高的输入电阻。（2）中间级用于将微弱的输入电压信号放大到足够的幅度，即进行电压放大。（3）输出级用于对信号进行功率放大，以满足输出负载所需要的功率，并实现和负载的阻抗匹配。图9-4多级放大电路的组成示意图1）多级放大电路的组成9.1.3常见放大电路2）多级放大电路的耦合方式多级放大电路前后两级之间的连接称为耦合。常用的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等。图9-5直接耦合的两级放大电路（1）直接耦合。直接耦合是指各级放大电路直接通过导线相连的连接方式。如图9-5所示为直接耦合的两级放大电路，其中前级放大电路的输出端直接与后级放大电路的输入端相连。直接耦合的多级放大电路具有良好的频率特性，既能放大高频交流信号，又能放大缓慢变化的低频交流信号，甚至直流信号。9.1.3常见放大电路图9-6阻容耦合的两级放大电路（2）阻容耦合。阻容耦合是指各级放大电路之间通过电容和电阻相连的连接方式。如图9-6所示为阻容耦合的两级放大电路。阻容耦合的多级放大电路零点漂移幅度较小，且具有体积小、质量轻等优点，因此在分立器件电路中有较多的应用。9.1.3常见放大电路图9-7变压器耦合的两级放大电路（3）变压器耦合。变压器耦合是指各级放大电路之间通过耦合变压器相连的连接方式。如图9-7所示为变压器耦合的两级放大电路。9.1.3常见放大电路3）多级放大电路的特性任务实施----测试基本放大电路任务准备实验器材准备：直流稳压电源、信号发生器、示波器各1台，毫伏表1块，3DG6三极管1只，电阻（1kΩ、4.7kΩ、10kΩ、3.3kΩ、6.8kΩ）5个，电位器（100kΩ）1个，电容（10μF、47μF）2个，实验板1块，导线若干。实施步骤1．连接电路2．调试最佳静态工作点3．放大倍数的测量学生根据自己的答题情况进行自我评价和错题记录，并将相应内容填入表9-2中。表9-2基本放大电路的测试评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分20分

3实施结果测量和计算过程正确，否则每错1处扣5分50分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

功率放大电路任务9.2任务引入在乘坐城市轨道交通列车出行时，乘客往往需要通过列车广播系统来获取列车运行方向、列车到达站点等信息，而列车广播系统的功能则需通过功率放大电路来实现。在功率放大电路的作用下，列车广播系统将微小的音频信号放大成功率尽可能大的交流信号，从而驱动扬声器工作，向乘客传递相关服务信息。那么，什么是功率放大电路？功率放大电路的工作原理又是什么呢？以最小的失真、最高的效率向负载提供尽可能大的输出功率的放大电路，称为功率放大电路，简称功放电路。功放电路中的主要功能器件为三极管，又称功放管。29.2.1功率放大电路概述1．功率放大电路应满足的要求输出功率尽可能大。1效率尽可能高。非线性失真尽可能小。34散热性尽可能好9.2.1功率放大电路概述2．功率放大电路工作状态的分类根据三极管工作状态的不同，可将功率放大电路的工作状态分为甲类、乙类和甲乙类三种，如图9-9所示。甲类工作状态的静态工作点位于放大区，其静态功耗大，效率低，但失真较小；乙类工作状态的静态工作点位于截止区，其静态功耗接近于零，效率高，但存在严重的失真；甲乙类工作状态的静态工作点接近截止区，其静态功耗小，效率高，且失真现象较乙类轻。（a）甲类

（b）乙类

（c）甲乙类图9-9功率放大电路的工作状态双电源互补对称功率放大电路，又称无输出电容功率放大电路，简称OCL电路，如图9-10所示。9.2.2双电源互补对称功率放大电路图9-10OCL电路1静态分析9.2.2双电源互补对称功率放大电路1．工作原理静态时，由于两只三极管的基极都未加偏置电压，因此，它们都不导通，输出电流为零，工作于截止区，属于乙类工作状态。此时，两只三极管发射极的电位为零，负载上无电流。2动态分析9.2.2双电源互补对称功率放大电路（a）输入信号（b）输出信号图9-11OCL电路的输入、输出信号1最大输出功率9.2.2双电源互补对称功率放大电路2．性能参数计算2电源功率9.2.2双电源互补对称功率放大电路3效率9.2.2双电源互补对称功率放大电路4管耗9.2.3单电源互补对称功率放大电路图9-13OTL电路单电源互补对称功率放大电路，又称无输出变压器功率放大电路，简称OTL电路，如图9-13所示。设输入信号为正弦电压，如图9-14（a）所示。

获得完整的输出电压，如图9-14（b）所示。（a）输入信号（b）输出信号图9-14OTL电路的输入、输出信号9.2.4集成功率放大器集成功率放大器具有输出功率大、频率特性好、非线性失真小、外围器件少、成本低、使用方便等优点，因而被广泛地应用在收音机、录音机、电视机、音响系统等设备中。LM386常作为音频放大电路在电话机或袖珍收音机上使用，其外形如图9-15（a）所示。LM386为8脚双列直插塑料封装结构，其各引脚接线示意图如图9-15（b）所示。（a）外形（b）引脚接线示意图图9-15LM386的引脚9.2.4集成功率放大器LM386是一种通用型宽带集成功率放大器，采用的是OTL电路，适用的电源电压为4～10V，常温下的功耗约为660mW。如图9-16所示为LM386的应用接线图。图9-16LM386的应用接线图任务实施----安装与调试功率放大电路任务准备实验器材准备：直流稳压电源、信号发生器、示波器各1台，万用表、交流毫伏表各1块，LM386集成功率放大器1片，电阻（5.1kΩ、1kΩ）2个，电容（220μF、10μF、0.01μF）3个，扬声器1个，实验板1块，导线若干。实施步骤（1）根据图9-17所示电路连接各类实验器材。图9-17实验电路（2）用万用表直流电压挡测量集成功率放大器各管脚的静态工作电压，并将测量结果填入表9-3中。表9-3静态工作电压的测量结果（3）测量最大不失真功率。（4）测量功率放大电路的效率。学生根据自己的答题情况进行自我评价和错题记录，并将相应内容填入表9-5中。表9-2基本放大电路的测试评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分20分

3实施结果测量过程正确，否则每错1处扣5分；计算结果正确，否则每错1处扣5分50分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

集成运算放大器任务9.3任务引入集成运算放大器是应用最为广泛的一种集成电路，由集成运算放大器制成的各类芯片在城市轨道交通中有着各式各样的应用。例如，在城市轨道交通列车机械制动系统中，通常会设有压力传感器，用来监测气缸前后腔之间的压力差。当气缸发生故障时，压力传感器受力发生改变，并将微小的压力信号经集成运算放大器转变成可检测的电流信号，发送到列车控制室，向列车驾驶员示警。那么，集成运算放大器是如何工作的？具体又该如何使用呢？9.3.1集成运算放大器的组成与图形符号集成运算放大器一般由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成，如图9-18所示。图9-18集成运算放大器的组成1．集成运算放大器的组成如图9-19所示为集成运算放大器的图形符号。图9-19集成运算放大器的图形符号2．集成运算放大器的图形符号9.3.2集成运算放大器的分类集成运算放大器主要有以下几种分类方式。（1）根据用途的不同，集成运算放大器可分为通用型集成运算放大器和专用型集成运算放大器两大类。（2）根据供电电源的不同，集成运算放大器可分为双电源集成运算放大器和单电源集成运算放大器两大类。其中，单电源集成运算放大器采用特殊设计，在放大交流信号时失真较小。（3）根据制作工艺的不同，集成运算放大器可分为双极型集成运算放大器、单极型集成运算放大器和双极-单极型集成运算放大器三类。1开环差模增益9.3.3集成运算放大器的使用常识1．集成运算放大器的主要参数2开环共模增益3共模抑制比9.3.3集成运算放大器的使用常识开环共模增益是指集成运算放大器本身的共模增益，它反映了集成运算放大器抗温漂、抗共模干扰的能力，优质集成运算放大器的应接近于零。共模抑制比是指集成运算放大器对差模信号的电压放大倍数与其对共模信号的电压放大倍数之比，可用来综合衡量集成运算放大器的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，其值一般应大于80dB。4差模输入电阻6输入失调电流9.3.3集成运算放大器的使用常识差模输入电阻是指在差模信号作用下集成运算放大器的输入电阻。输入失调电压是指当输入电压为零时，在输入端所要施加的使输出电压也为零的补偿电压。5输入失调电压输入失调电流反映了输入级差放管输入电流的对称程度。其值为当输出电压为零时集成运算放大器两个输入端电流之差的绝对值。1输入保护9.3.3集成运算放大器的使用常识2．集成运算放大器的保护正常工作情况下，集成运算放大器两个输入端之间的差模输入电压应不大于二极管的正向导通电压，共模输入电压取值应在-U～U之间。因此，为防止集成运算放大器电压过大，须连接相应的输入保护电路，如图9-20所示。（a）防止差模电压过大（b）防止共模电压过大图9-20