电工电子技术教学设计 基本放大电路 电子教案

PAGE17PAGE1第页单元一：基本放大电路教学目标知识目标：了解放大电路的概念，掌握放大电路的组成及各组成元件的作用；理解单管共射放大电路的工作原理，掌握放大电路信号放大及倒相作用；了解动态分析的含义；熟悉动态分析的微变等效电路法；掌握动态情况下放大电路的输入电阻、输出电阻及电压放大倍数的概念及其求解方法；了解功率放大器的概念和用途，熟悉功放的技术要求；了解零漂的概念及其对电路的影响。了解集成功率放大器的功能及使用方法。能力目标：会分析基本放大电路，稳定工作放大电路。素质目标：培养学生会分析放大电路应用放大电路的能力。教学重点基本放大电路，稳定工作点的放大电路，功率放大电路的分析。教学难点基本放大电路、功率放大电路的原理与应用。教学手段实物演示；教学板书；电子课件教学学时10H教学内容与教学过程设计注释任务一基本交流电压放大电路的分析(一)放大电路的组成1.单管低压放大电路的组成由NPN型（如果采用PNP型管，则电源、电容和极性都反向）晶体管组成的电压放大电路。它由直流电源、晶体管、电阻和电容组成。图7-2共射极基本放大电路图7-2所示的单管放大电路中有两个电流回路：一个是由发射极E、信号源、电容、基极B回到发射极E，称之为放大电路的输入回路；另一个是从发射极E经电源、集电极电阻、集电极C回到发射极E的回路，称之为放大电路的输出回路。因输入回路和输出回路是以发射极为公共端的，故称为共发射极放大电路。2.各元件的作用（1）晶体管VT是放大电路的放大元件，是整个电路的核心器件。（2）集电极直流电源（3）基极电源和基极电阻（4）耦合电容、（二）放大电路的分析1.直流通路和交流通路直流通路是指直流电流所通过的路径。由于电容、具有隔直流的作用，因此电容对于直流信号视为开路，画直流通路时，要把电路中、断开，其它元件保留就可得到直流通路；交流通路是交流信号所通过的路径，画交流通路时，将直流电源对地交流短路，耦合电容、的容抗很小，也视为短路，其它元件保持不变，便可得到交流通路。（a）(a)图7-4基本共射极电路的直流通路和交流通路（a）直流通路（b）交流通路2.静态分析（1）估算法—根据放大电路的直流通路确定静态值求出静态时的基极电流。因为=+(7-1)则(7-2)通常>>所以(7-3)集电极电流(7-4)静态时的集-射极电压=-(7-5)静态时、、的值称为放大电路的静态工作点。（2）用图解法确定静态值图解法是指在晶体管的特性曲线上，直接用作图的方法来分析放大电路的工作情况。在放大电路的输入回路中，只有基极电流是需要计算的，可以通过式(7-2)求得。而晶体管的输出特性曲线是非线性的，因此放大电路的输出回路是一个非线性电阻电路，要通过图解法来确定静态工作点。所谓图解法，即电路的工作情况由负载线和非线性元件的伏安特性曲线的交点确定，这个交点就是静态工作点。静态工作点既要符合晶体管的输出特性曲线，又要满足放大电路直流通路输出回路方程式，即。图7-5图解法求静态工作点在晶体管输出特性曲线上，根据找出和两个特殊点，把这两个点分别作为横轴和纵轴的截距，连接两点便得到电路线性部分的直流负载线。如图7-5所示。这条直线的斜率为。由直流输出回路的集电极负载电阻确定。根据上述分析可知，和既是输出特性曲线上某点的坐标值，又是直流负载线上某点的坐标值。直流负载线与晶体管的某条（由确定）输出特性曲线的交点Q，即为放大电路的静态工作点。Q点所对应的坐标值即为晶体管静态工作时的电流和和电压值。3.动态分析图解法1）交流负载线动态时由于交流信号的加入，输出回路中的电压和电流关系可由方程式=-确定，该方程表示的直线为交流负载线，它确定了动态工作点（即输出电压和电流的瞬时值），交流负载为=∥。在交流信号作用下，工作点将沿交流负载线移动。用点斜式过Q点作斜率为-1/的直线，这就是交流负载线。由于=∥，所以＜，故一般情况下交流负载线比直流负载线陡。如图7-6所示。图7-6交流负载线交流负载线也可由方程式=-求出当=0时的值（或=0时的的值）作出。2）放大电路各极电压、电流图解分析放大电路动态时的电流、和电压均含有两个分量，一个是静态时的直流分量、和，另一个是由输入电压引起的交流分量、和。即电路中的电流和电压是交直流分量的叠加。设输入信号电压，则=+=+即信号源输出电压通过电容加到晶体管的基极，从而引起基极电流的变化,变化使集电极电流随之变化，=+=+的变化量在集电极电阻上产生压降，集—射极之间的电压当增大时，就减小；减小时，就增大，所以的变化正好与相反。中的直流分量被电容滤掉，交变分量经耦合传送到输出端，称为输出电压，负号表明输出信号与输入信号相位相反。（2）放大电路的微变等效电路分析法1）晶体管的微变等效电路晶体管的输入特性曲线如图7-8所示，当信号很小时，特性曲线在小范围内近似为直线，即晶体管对交流小信号而言相当于一个动态电阻，用来表示。图7-8晶体管输入特性曲线图7－8中，在小范围内，静态工作点Q附近的特性曲线与切线重合，使成为常数，所以有动态电阻称为晶体管的输入电阻。对于小功率晶体管，可用下式估算：(7-6)式中为发射极静态电流值，的值一般为几百欧到几千欧。由此晶体管的输入回路可以等效为如图7-9的形式。称为晶体管的输出电阻，由此可见晶体管的输出回路并非恒流源，而是具有内阻的电流源。即输出回路应由β和内阻并联而成。如图7-11所示。由于的阻值很高，约几十千欧至几百千欧，可视为开路，因此在画微变等效电路时一般不画出。2）电压放大倍数的计算若不接负载（即空载，=∞）时，则有(7-10)显然，不接负载时的电压放大倍数比有负载时高。式中负号表示输出电压与输入电压相位相反。如果信号源含有的内阻不可忽略，因此对信号源的电压放大倍数为(7-12)任务二稳定静态工作点的电路（一）温度对静态工作点的影响从上节分析可知，为了使放大电路不失真地放大，必须给晶体管设置合适的静态工作点，使之工作在放大区，远离饱和区和截止区。固定偏置放大电路虽然比较简单，易于调整，但在外部因素（如温度变化、晶体管老化等）影响下，会引起静态工作点的不稳定，严重时会使输出信号失真，导致放大电路无法正常工作。在这些因素中，影响最大的是温度变化。我们知道，固定偏置电路的静态工作点是由基极偏流和直流负载线共同确定的。显然偏流与直流负载线的斜率受温度的影响很小，可忽略不计。但集电极电流是随温度而变化的，当温度上升时增大。这是因为环境温度的变化会引起晶体管的参数β、、的变化，而β、、的变化均会导致集电极电流增大，反映在输出特性曲线上，对应于不同值的各条输出特性曲线都向上平移，静态工作点将沿着负载线向上移动，接近饱和区，如果此时输入信号略有增大，就会出现饱和失真，严重时放大电路将无法正常工作。（二）分压式偏置放大电路图7-18为应用比较广泛的能够稳定静态工作点的分压式偏置单管放大电路，与固定偏置放大电路相比，增加了电阻、和电容。1．静态工作点稳定过程温度变化对静态工作点的影响主要反映在集电极电流的变化上，因此稳定工作点的实质就是设法保持基本不变。分压式偏置放大电路采取了两方面的措施来稳定：（1）利用、分压来得到固定的基极电位。由电路可知：==(7-15)（2）利用发射极电阻。当环境温度变化，发射极电位发生变化，随之产生变化，工作点自动调整，使基本不变。集电极电流≈=≈(7-16)当固定不变时，、也稳定不变。由以上可知，只要满足式>>、>>两个条件，则、、均与晶体管参数无关，不受温度变化的影响，静态工作点得以保持不变。在估算时，一般可选取=（5～10），=（3～5）V。分压式偏置电路稳定静态工作点的物理过程可表示如下：T↑→IC↑→VE↑→UBE↓—IC↓←IB↓←————2．静态工作点的估算估算放大电路的静态值要用它的直流通路。图7-19所示为分压式偏置电路的直流通路。图7-19分压式偏置电路的直流通路由式(7-15)求出==而≈≈=所以=--≈-(+)（7-17）任务三多级放大电路的分析基本放大电路是由一个晶体管组成的单管放大电路，它们的放大倍数是极有限的，通常只有数十倍。然而在实际应用中，放大电路的输入信号一般都是很微弱的，需要将微弱的输入信号放大到几千倍，获得足够的电压幅值和功率，才能驱动负载工作。为此，常将若干个单极放大电路连接起来，组成多级放大电路。图7-20多级放大电路的组成框图多级放大电路中，输入级要具有较高的输入电阻，以便同高内阻的输入信号源相匹配；中间级，主要承担电压放大的任务，常采用共发射极放大电路；输出级，直接与负载相连，担负着电路功率放大任务。在多级放大器中，每两个单级放大器之间的连接方式叫耦合。通常采用的耦合方式有：阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种方式。无论哪种耦合电路，对其基本要求是：1.级连以后，要保证各级放大电路的静态工作点互不影响；2.在信号逐级传递过程中，要尽量减小失真；3.尽量减少信号电压在耦合电路上的损失。（一）阻容耦合放大电路的组成及原理多级放大电路之间，通过电阻和电容的连接来传递信号称为阻容耦合。图7-21所示为一个典型的两级阻容耦合放大电路，每一级都采用的是分压式偏置放大路。根据对耦合电路的要求，耦合电容对交流信号的容抗必须很小以使前级输出信号电压尽量无损失地传输到下一级输入端。信号频率越低，电容值应越大，耦合电容通常取几微法到几十微法。信号源或前一级放大器的输出信号在耦合电阻上产生压降，作为下一级放大器的输入信号。图7-21两级阻容耦合放大电路（二）多级放大电路的电压放大倍数计算在输入信号较小时，放大电路处于线性工作状态，各项参数均为常数，则多级放大电路也可用微变等效电路表示，如图7-22所示。图中各级放大倍数的计算与单级共发射极放大电路相同。但在计算每一级放大倍数时，必须考虑前、后级的影响。因前一级的输出为后一级的输入，即=，故前一级的负载电阻应包含后一级的输入电阻。图7-22两级阻容耦合放大电路的微变等效电路第一级电压放大倍数为（7-18）式中=∥∥=∥=∥第二级电压放大倍数为（7-19）式中=∥由于两级放大电路是逐级进行放大，其总的电压放大倍数为（7-20）由此可知，如果有n级放大电路，那么总的电压放大倍数为（7-21）任务四功率放大电路的分析（一）功率放大电路概述实际电子技术应用中，当电子线路的负载为某种执行机构，例如使扬声器、继电器、记录仪表或伺服电机等设备，就要求它能为负载提供足够大的交流功率，以驱动负载。通常把这种电子线路的输出级称为功率放大电路，简称“功放”。1．功率放大器的技术要求：（1）要求输出功率尽可能大为了获得大的输出功率，充分利用晶体管的放大性能，要求输出的电压和电流都有足够大的幅度。因此，晶体管往往在接近极限运用状态下工作。晶体管的极限状态由极限参数、、所限定，工作时不得超过极限值进入非安全工作区。将交流输出电压的有效值与交流输出电流的有效值的乘积定义为输出功率，即=×（2）效率要高输出功率（交流能量）是由直流电源通过晶体管转换而来的。在能量转换过程中，管子必然要消耗一部分能量，这就存在一个效率问题，所谓效率就是输出交流功率与电源供给的直流功率的比值，即%显然η愈大，效率愈高。（3）非线性失真要小为了提供足够大的功率，功率放大电路工作在大信号状态，由于管子的非线性，所以不可避免要产生非线性失真，并且输出功率越大，非线性失真越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对矛盾。技术上对电声设备常常要求其非线性失真尽量小，最好不失真。而对控制电机和继电器等方面，则要求以输出较大的功率为主，对非线性失真要求不是很高。（4）晶体管的散热问题在功率放大器中，由直流电源供给的功率，一部分转换为交流信号输出功率，另一部分则消耗在晶体管上，使管子的温度升高，甚至烧毁。因此必须要考虑晶体管的散热问题。通常是对晶体管加装一定面积的散热片。2．提高功率放大电路效率的途径功率放大器的效率与静态工作点的设置有有密切关系。由前面分析可知，在放大电路中，当静态工作点大致工作在负载线的中央时，在输入信号整个周期内都有电流流过晶体管，这类工作方式称为甲类放大，如图7-23（a）所示。当电路处于甲类放大工作状态时，集电极静态电流取得较大，流过晶体管的电流永不为零，因此不论有无输入信号，电源供给的功率总是不变的。在没有输入信号时，电源功率全部消耗在管子和电阻上。当有输入信号时，其中一部分转换为有用的输出功率，另一部分转换为管耗。信号愈大，输送给负载的功率愈多，即使在理想情况下，甲类放大电路的效率最高也只能达到50﹪。实际效率一般不超过40﹪。从以上分析可以看出，静态电流是造成管耗大、效率低的主要原因。(a)(b)(c)图7-23放大电路的工作状态(a）甲类(b）甲乙类(c）乙类由于静态时≈0，所以乙类电路放大时管耗基本为零。当有交流信号输入时，电源供给的直流功率大部分可以转换为交流输出，说明效率提高了。但是乙类放大电路存在严重的失真，在交流输入信号的整个周期中，只有半个周期有电流流过晶体管，负半周管子处于截止状态。因此，既要保持静态时管耗小，又要使输出失真小，只能从电路的结构上想办法。（二）互补对称功率放大电路1．乙类互补对称功率放大电路（1）电路组成和工作原理为了克服乙类放大电路中的波形失真，可以设想，如果能用两个晶体管，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周工作，而另一个在负半周工作，同时使两管的输出波形都能加到负载上，则负载上就可以获得一个完整的波形，这样既能提高效率，又能减小失真。在此设想的基础上产生了互补对称乙类功率放大电路，图7-24所示就是由两个射极输出器组成的互补对称放大电路。(a)(b)(c).图7-24乙类互补对称功率放大电路(a）NPN型射极输出器(b）PNP型射极输出器(c）乙类互补对称放大电路（2）“交越”失真问题如果将静态工作点选择在晶体管特性曲线的截止区，即≈0，尽管两管可以选择的完全对称，但是由晶体管的输入特性曲线可知，实际的晶体管都存在正向死区，即当小于阈值电压时，基本为零，从而使输出信号不跟随输入信号变化，在信号的正、负交界处出现了如图7-26所示的失真，故称作交越失真。图7-26交越失真克服交越失真的措施是避开阈值电压区，将静态工作点设置的稍稍提高一点，让每一个晶体管工作在微导通状态，即使电路工作在甲乙类状态。这样两管在静态时已有较小的基极电流，当输入信号一加入，则总有一个管子导通，从而使它们在轮流导通时，在交接点附近输出波形比较完整，失真较小。2．单电源互补对称功率放大电路单电源的互补对称电路，又称无输出变压器（OTL）的互补对称放大电路。与图7-27相比，省去了一个电源（-），在互补推挽输出管的发射极和负载电阻之间增加了电容。图7-28单电源的互补对称电路VT1、VT2是一对输出特性相近，导电特性相反的功放管，利用电阻、及二极管VD1、VD2为VT1和VT2建立很小的偏流，使其工作在输入特性曲线的近似直线部分。选择适当的和，使E点的电压为。因为二极管VD1的压降和VT1的基射极电压相等，所以A点的电压也为。在静态（即=0）时，输入耦合电容和输出耦合电容被充电到，以代替OCL电路中的电源-。（三）集成功率放大器集成功率放大器应用时只需要外接少量元件，就可组成适用的功率放大电路。该电路失真小，噪音低、静态工作点无需调整，电源电压可在8～18V范围内选择，使用灵活。图7-29是D2002集成电路的外形，它有五个引脚，使用时应紧固在散热片上。图7-29D2002型集成电路外形图7-30是用D2002组成的低频功率放大电路。图7-30D2002组成的低频功率放大电路输入信号经耦合电容