《电工电子技术应用与实践》-第5章

5.1基本放大电路放大是最基本的模拟信号处理功能，大多数模拟电子系统都应用了不同类型的放大电路。放大电路或称放大器，其作用是把微弱的电信号（电压、电流、功率）放大到所需的量级，而且其输出信号的功率比输入信号的功率大，输出信号的波形与输入信号的波形相同。放大电路也是构成其他模拟电路（如运算、滤波、振荡、稳压等电路）的基本单元电路。1.晶体三极管放大电路晶体三极管放大电路的3种基本组态是共射、共集、共基放大电路，其电路组成、特点及用途如表5−1所示。这3种组态各有优缺点，在应用中，它们可以单独使用，也可以用其中两种电路构成组合单元电路，还可以通过一定的耦合方式连接成多级放大电路。下一页返回5.1基本放大电路2.场效应管放大电路场效应管组成的放大电路与晶体管组成的放大电路的组成原则是一样的，分析方法也一样，只是由于其内部原理不同，因此，它们相对应的具体电路结构不同。场效应管组成的3种基本放大电路分别是共源、共漏和共栅放大电路，但共栅放大电路很少使用。共源与共漏放大电路的组成与特点见表5−2。下面介绍一种常见的共发射极接法的交流放大电路。图5−1所示为共发射极接法的基本交流放大电路。上一页下一页返回5.1基本放大电路输入端接交流信号源（通常可用一个电动势与电阻串联的电压源等效表示），输入电压为ui；输出端接负载电阻RL，输出电压为uo。电路中各个元件的作用如下：（1）晶体管VT晶体管是放大电路中的放大元件，也是控制元件。利用它的电流放大作用，在集电极电路获得放大的电流，该电流受输入信号的控制。同时，能量较小的输入信号ui，通过晶体管的控制作用控制电源所供给的能量，以在输出端获得一个能量较大的信号。（2）集电极电源EC电源除为输出信号提供能量外，还能保证集电结处于反向偏置，以使晶体管起到放大的作用。EC一般为几伏到几十伏。上一页下一页返回5.1基本放大电路（3）集电极负载电阻RC集电极负载电阻也称集电极电阻，它主要是将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。RC阻值一般为几千欧到几十千欧。（4）基极电源EB和基极电阻RB它们的作用是使发射结处于正向偏置，并提供大小适当的基极电流IB，以使放大电路获得合适的工作点。RB阻值一般为几十千欧到几百千欧。上一页下一页返回5.1基本放大电路（5）耦合电容C1、C2它们起到隔直通交的作用。一方面通过C1隔断放大电路与信号源之间的直流通路，通过C2隔断放大电路与负载之间的直流通路，使三者之间无直流联系，互不影响即隔直作用；另一方面又保证交流信号畅通无阻地经过放大电路，沟通信号源、放大电路和负载之间的交流通路即交流耦合作用。通常要求耦合电容上的交流电压减小到可以忽略不计，即对交流信号可视作短路。因此电容值要取得较大，对交流信号频率其容抗相当于零。电容值一般为几微法到几十微法，它用的是极性电容器，连接时要注意其极性。上一页下一页返回5.1基本放大电路图5−1所示中用了两个直流电源，实际上可合二为一。将EB省去，再把RB改接一下，只由EC供电，如图5−2所示。这样，发射结正向偏置，产生合适的基极电流IB。在放大电路中，通常把公共端接“地”，设其电位为零，并作为电路中其他各点电位的参考点。同时为了简化电路的画法，习惯上不画电源符号，而只在连接其正极的一端标出它对地的电压值和极性，如图5−3所示的基本放大电路。如忽略电源EC的内阻，则有VCC=EC。上一页返回5.2直流稳压电路电子设备中都需要稳定的直流电源，功率较小的直流电源大多数都是将50Hz的交流电经过整流、滤波和稳压后获得。5.2.1直流稳压电源的组成与作用小功率直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，如图5−4所示。其各部分的作用如下。1.电源变压器由于其所需直流电压的数值较低，而电网电压比较高，所以在整流前首先应用电源变压器把220V的电网电压变换成所需要的交流电压值。下一页返回5.2直流稳压电路2.整流电路整流电路是利用整流元件的单向导电性，将交流电变成方向不变、但大小随时间变化的脉动直流电。3.滤波电路滤波电路是利用电容器、电感线圈的储能特性，把脉动直流电中的交流成分滤掉，从而得到较为平滑的直流电。4.稳压电路电网电压的波动或负载发生改变会引起输出电压的改变。采用稳压电路可以减轻因电网电压波动和负载变化造成的直流电压变化。上一页下一页返回5.2直流稳压电路5.2.2直流稳压电路的分类直流稳压电路的分类方法有多种，根据直流稳压电路组成的元件类型，可以分为分立元件型直流稳压电路和集成稳压电路；根据直流稳压电路中的核心元件（调整管）与负载之间的连接关系，可以分为并联型直流稳压电路和串联型直流稳压电路；根据直流稳压电路核心元件（调整管）的工作状态，可以分为线性稳压电路和开关稳压电路；根据直流稳压电路的适用范围，可以分为通用型直流稳压电路和专用型直流稳压电路。下面介绍几种常用的直流稳压电路。上一页下一页返回5.2直流稳压电路1.并联型稳压电路（1）组成并联型稳压电路（硅稳压管稳压电路）的组成如图5−5所示，这种稳压电路主要由硅稳压管和限流电阻组成。（2）工作原理输入电压u1波动时会引起输出电压Uo波动。u1升高将引起Uo随之升高，导致稳压管的电流Iz急剧增加，使得电阻R上的电流IR和电压UR迅速增大，从而使Uo基本保持不变。反之，当u1减小时，UR相应减小，仍可保持Uo基本不变。当负载不变而电网电压变化时的稳压过程如图5−6所示。上一页下一页返回5.2直流稳压电路当负载电流发生变化引起输出电压Io发生变化时，同样会引起Iz的相应变化，使得Uo保持基本稳定。如当Io增大时，IR和UR均会随之增大，使得Uo下降，这将导致Iz急剧减小，使IR仍维持原有数值，保持UR不变，使得Uo得到稳定。当电网电压不变而负载变化时的稳压过程如图5−7所示。（3）特点并联型稳压电路具有结构简单，负载短路时稳压管不会损坏等优点。但其输出电压不能调节，且负载电流变化范围小，只适用于负载电流较小、稳压要求较低的场合。上一页下一页返回5.2直流稳压电路2.串联型稳压电路（1）电路的组成及各部分的作用串联型稳压电路一般由取样环节、基准电压、比较放大环节、调整环节4个部分组成，如图5−8所示。可以看出，这是一个由分立元件组成的串联型稳压电路，各组成部分的作用如下：1）取样环节。它由R1、RP、R2组成的分压电路构成，并将输出电压Uo分出一部分作为取样电压UF，送到比较放大环节。2）基准电压。它由稳压二极管Dz和电阻R3构成稳压电路，为电路提供一个稳定的基准电压Uz，并作为调整、比较的标准。上一页下一页返回5.2直流稳压电路3）比较放大环节。它由VT2和R4构成的直流放大器组成，作用是将取样电压UF与基准电压Uz之差放大后，再控制调整管VT1。4）调整环节。它由工作在线性放大区的功率管VT1组成，VT1的基极电流IB1受比较放大电路输出的控制，它的改变又可以使集电极电流IC1和集、射电压UCE1改变，从而达到自动调整稳定输出电压的目的。（2）工作原理当输入电压Ui或输出电流Io变化引起输出电压Uo增大时，取样电压UF相应增大，使VT2管的基极电流IB2和集电极电流IC2随之增大，VT2管的集电极电位UC2下降，因此VT1管的基极电流IB1减小，使得IC1减小，UCE1增大，Uo下降，从而使Uo保持基本稳定。其稳压过程如图5−9所示。上一页下一页返回5.2直流稳压电路同理，当Ui或Io变化使Uo降低时，调整过程相反，UCE1将减小使Uo保持基本不变。从上述调整过程可以看出，该电路是依靠电压负反馈来稳定输出电压的。如果用集成运算放大器替代分立元件的比较放大电路，则得到采用集成运算放大器的串联型稳压电路，如图5−10所示。可以看出，其电路组成部分、工作原理及输出电压的计算与前述电路完全相同，唯一不同之处是放大环节采用集成运算放大器而不是晶体管。因此，该电路的稳压性能将会更好。上一页下一页返回5.2直流稳压电路5.2.3集成稳压电路集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路。因而它具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。集成稳压器的类型很多，作为小功率的直流稳压电源应用最为普遍的是三端式集成稳压器。三端式集成稳压器是指集成稳压电路仅有输入、输出、接地（或公用）三个接线端子的集成稳压电路。根据稳压电路的输出电压类型，可以分为三端固定式集成稳压器和三端可调式集成稳压器两种；根据稳压电路的输出电压极性，可以分为正电压输出型（W7800）和负电压输出型（W7900）两种。上一页下一页返回5.2直流稳压电路常见的三端集成稳压器的引脚排列如图5−11所示。1）集成稳压电路的基本电路如图5−12所示。在基本电路中，输出电压Uo=Uz。2）提高输出电压的电路如图5−13所示。在上述电路中，输出电压Uo=Uxx+Uz。3）能同时输出正、负电压的电路如图5−14所示。4）三端可调式集成稳压电路如图5−15所示。该电路的主要性能是输出电压可调范围为1.2～37V，最大输出电流为1.5A，输出与输入电压差的允许范围为3～40V。上一页返回5.3实训项目5.3.1简易自动充电器制作实训简单易做的自动充电器，该充电器电路简单，元件易取，它能对多节镍氢电池、镍镉电池、碱性电池及普通锰锌电池分别或单独进行充电，且充满自停，电路如图5−16所示。220V交流电压经变压器变为6V低压交流电，经VDl～VD4整流后得到脉动直流电，三端可调稳压集成电路LM317输出稳定的直流电压，通过VTl～VT4给各电池进行充电。充电前，先调节RP，使三端可调稳压器LM317的输出电压为预定值Uo，当被充电电池的电压Ue上升到Uo=0.65V时，晶体管截止，充电终止，同时相应的充电指示灯LED熄灭。下一页返回5.3实训项目对镍氢电池和镍镉电池充电时，可将Uo调至1.45V，对碱性电池或锰锌电池充电时，可将Uo调至1.7V。各电池的充电电流由电阻R6～R9的阻值决定，镍氢电池和镍铜电池的充电电流通常为该电池容量的1/10，碱性电池或锰锌电池的充电电流通常在50～1mA（5号电池为50mA，1号电池为100mA），充电电流越大，充电的速度越快，但充电效果要比小电流充电稍差。B选用次级输出电压为6V，功率为5W左右的小型电源变压器，若次级输出电压在6V以上，可适当调整电阻R6～R9的阻值，R6～R9的额定功率选用1/4～1/2W即可，其余电阻均为1/8W。晶体三极管可选用如9013、9014及8050等小功率三极管，LEDl～LED4选用5mm红色发光二极管，整流二极管VD1～VD4选用1N4001～1N4007均可。上一页下一页返回5.3实训项目5.3.2分立元件稳压电源制作实训高稳定度分立元件稳压电源是一种简单、实用、性能良好的稳压电源，它的输出电压可从1.5～15V连续可调，其最大优点是在输入电压变化范围内，其比较放大的“取样比”始终为1，这就解决了普通可调稳压电源（包括带辅助电源的稳压电源）中“取样比”随输出电压变化，且输入最低电压和最高电压时“取样比”相互矛盾的问题。因而其电压调整灵敏度高，稳压性能好；经测试，该电路在整个输出电压范围内，输出电流为1A时的电压波动不超过0.2%。这种稳压器适用于一些对稳压性能和精度要求高的电路中，其电路原理图如图5−17所示。上一页下一页返回5.3实训项目LED、R2、R3、VT3组成一恒流源，为VTl、VT2和VT3提供2～3mA的电流。LED在这里一方面做电源指示灯，另一方面还作为稳压二极管使用，该二极管的稳压值应大于VT3的BE结正向压降（约0.7V），但也不能太大，否则会降低最高输出电压值。调整R3可使恒流源电流保持在2.5mA左右。R1、RP、VD1组成一连续可调恒压源，为VT5的基极提供15V的基准电压，R1为稳压二极管VD1的限流