《模拟电子技术与应用》-第3章

3.1放大电路的基本结构放大电路的基本结构如图3.1.1（ａ）所示，主要由信号源、放大电路、直流电源、负载组成。在电子电路中，放大的对象是小信号变化量。信号源提供需要放大的小信号，信号源可以将日常生活的非电信号（温度、压力、湿度……）转化为模拟电信号（电压、电流）。在多级放大电路中，前一级的输出信号也可以作为后一级的信号源。下一页返回3.1放大电路的基本结构

信号源可以等效为电压源和电流源，如图3.1.1（ｂ）所示，RS为信号源内阻，理想电压源的内阻RS≈０，理想电流源的内阻RS≈∞。基本放大电路由半导体三极管（晶体管或场效应管）构成，此时要求晶体管工作在放大区，场效应管工作在恒流区。单级放大电路结构简单，但性能较差，若单级放大电路达不到实际要求，可将单级放大电路构成多级放大电路，以提高电路性能。上一页下一页返回3.1放大电路的基本结构

放大的前提是信号不失真，如果输出信号产生失真则电路就谈不上放大，保证信号不失真的前提是放大电路有合适的静态工作点。放大的特征为功率放大，表现为输出电压大于输入电压，或者输出电流大于输入电流，或者二者兼之。直流电源一方面为半导体三极管提供合适的偏置，保证管子工作在放大区，不失真地放大小信号，另一方面承担了能量转换的作用。放大的本质是在输入小信号的作用下，通过有源元件（晶体管）对直流电源进行转换和控制，使负载从电源中获取能量更大的信号。上一页返回3.2基本组态放大电路3.2.1共发射极放大电路（CE）１．电路结构分压偏置共发射极放大电路如图3.2.2所示。电路中小信号由基极输入，放大后的信号由集电极输出，发射极作为电路的公共端，故电路组态为共发射极。RL为负载电阻。C1、C2为耦合电容，具有隔直通交的作用，保证信号源和负载对放大电路静态工作点没有影响，为了减小交流小信号在耦合电容上的损耗，要求耦合电容容抗较小，一般采用容量较大的电解电容。下一页返回3.2基本组态放大电路

CE为旁路电容，分析直流信号时，CE开路，保证RE对电路静态工作点有作用；分析交流信号时，CE短路，保证RE对电路的动态参数没有影响，这要求CE的容抗越小越好，在低频小信号电路中常采用容量较大的电解电容，使用时注意电容正极的接法。RB1、RB2为基极分压电阻，RC为集电极电阻，RE为发射极电阻，直流电源VCC为晶体管提供合适的静态偏置，使管子工作在放大状态。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

２．静态分析电路处于放大状态时静态工作点一般采用估算法求解，其步骤为：（1）画出电路的直流通路。（2）选择回路，计算基极电压UBQ。（3）选择回路，计算晶体管的ICQ、IBQ、UCEQ。绘制直流通路时，电容看作开路，如图3.2.3（ａ）所示，故电路中虚线部分没有直流信号流过，不属于直流通路，电路直流通路如图3.2.3（ｂ）所示。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

基极电流IBQ很小，故IBQ<<IRB2，因此IRB1＝IRB2，选择回路①，由基尔霍夫定律可得：选择回路②，由基尔霍夫定律可得：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

由放大特征方程可得：选择回路③可得：由于晶体管的UBEQ、β、ICEQ等参数都与环境温度有关，这些变化会引起ICQ的变化，从而引起电路静态工作点的漂移，严重时使管子工作在饱和区或截止区，从而使输出信号产生失真。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

分压偏置共发射极放大电路可以很好地解决这个问题，这里以温度升高为例进行分析，温度升高时，分压偏置共发射极放大电路的ICQ变化过程如图3.2.4所示。当温度升高时，ICQ增大，则发射极电阻RE上的压降增大，发射极电压UEQ增大，而UBQ是由RB1、RB2分压得到的，与温度无关，因此UBEQ减小，基极电流IBQ减小，ICQ减小，这样由于RE的反馈作用，使电路温度变化时，ICQ保持不变，稳定了电路的静态工作点。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

３．动态分析放大电路的动态分析主要是求解电路的３个动态参数：电压放大倍数（Au）、输入电阻（Ri）、输出电阻（Ro）。首先绘制电路的交流通路，电容可看作短路，直流电源VCC对交流信号视为短路，如图3.2.5（a）所示，为了便于绘制小信号等效电路，将图3.2.5（a）中所有元件排列成一行，整理后的交流通路如图3.2.5（b）所示。将交流通路中的晶体管用小信号模型代替，得到电路的小信号等效电路，如图3.2.6（a）所示。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

１）电压放大倍数（Au）由静态分析得到的ICQ可求出晶体管的rbe:输入电压ui＝ib·rbe，输出电压uo＝－βib·（RC∥RL），由于规定输出电压为上正下负，但是实际电压方向由下到上，故输出电压增加负号，所以电压放大倍数为：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

电压放大倍数中的负号说明输出信号与输入信号极性相反。２）输入电阻输入电阻为从输入端口看进去的等效电阻，由图3.2.6（a）可知，输入端口两端电阻为Ri＝rbe∥RB1∥RB2

（3.2.7）３）输出电阻输出电阻按照2.2.4节中介绍的方法计算，首先令电压源置零，信号源内阻保留，然后将负载换成电压源ｕ，上正下负，产生的电流为ｉ，如图3.2.6（b）所示，通常通过讨论电流关系可计算出输出电阻。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

由图3.2.6（b）可知，i＝iRC＋βib，由于电压源为０，故ib＝０，则受控电流源βib＝０，而iRC＝u／RC，因此，电路的输出电阻Ro等于：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

3.2.2共集电极放大电路（CC）１．电路结构共集电极放大电路如图3.2.8所示，电路中小信号由基极输入，放大后的信号由发射极输出，集电极作为电路的公共端，故电路为共集电极电路，也称为射极输出器。其中，C1、C2为耦合电容，RB为基极分压电阻，RS为信号源内阻，RE为发射极电阻，RL为负载电阻。２．静态分析首先绘制电路的直流通路，如图3.2.9所示。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

上一页下一页返回选择回路①可得：由放大特征方程可得：CQ＝βIBQ选择回路②可得：UCEQ＝VCC－ICQ

·Ｒ３．动态分析共集电极放大电路的交流通路和小信号等效电路如图3.2.10所示。3.2基本组态放大电路

１）电压放大倍数Au输入电压ui＝ib·rbe＋（１＋β）ib·（RE∥RL），输出电压uo＝－βib·（RE∥RL），所以电压放大倍数为：２）输入电阻Ri输入电阻为从输入端口看进去的等效电阻，由图3.2.10（ｂ）可知：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

３）输出电阻Ro令电压源置零，负载换成电源ｕ，产生的电流为ｉ，小信号电路如图3.2.11所示，则Ro＝ｕ／ｉ。基极电流ib＝ｕ／（rbe＋RS∥RB），方向向上，则受控电流源方向向上，如图3.2.11所示，则：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

3.2.3共基极放大电路（CE）１．电路结构共基极放大电路如图3.2.12所示，电路中小信号由发射极输入，信号由集电极输出，基极作为电路的公共端，故电路构成共基极电路。２．静态分析首先绘制电路的直流通路，如图3.2.13所示，由图可见，共基极放大电路的直流通路与分压偏置共发射极放大电路的直流通路相同.上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

３．动态分析共基极放大电路的交流通路和小信号等效电路如图3.2.14所示。１）电压放大倍数Au输入电压ui＝-ib·rbe，输出电压uo＝－βib·（RC∥RL），所以电压放大倍数为：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

共基极放大电路的电压放大倍数较大，而且Au为正值，说明共基极放大电路输入信号与输出信号极性相同。２）输入电阻Ri输入电阻为从输入端口看进去的等效电阻，由图3.2.14（ｂ）可知，Ri＝RE∥Ｒ′。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

３）输出电阻Ro输出电阻按照2.2.4节中介绍的方法计算，首先令电压源置零，信号源内阻保留，然后将负载处换成电压源ｕ，且上正下负，产生的电流为ｉ。由于电压源为０，故ib＝０，则受控电流源βib＝０，受控电流源可看作开路，因此可求出电路的输出电阻，为：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

3.2.4场效应管放大电路１．电路结构共源极放大电路如图3.2.15所示，Ｖ为Ｎ沟道增强型场效应管，C1、C2为耦合电容，CS为旁路电容，RG1、RG2为分压电阻，RG2上的压降为场效应管的栅极提供偏置电压，故该电路称为分压式自偏压放大电路。RG3上没有电流，对电路的静态工作点没有影响，RD为漏极负载电阻，RS为源极电阻。上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

２．静态分析主要求解场效应管的IDQ、UGSQ、UDSQ，保证管子工作在恒流区，可以很好地放大小信号。如图3.2.15所示电路的直流通路如图3.2.16

所示，由于RG3上没有电流，故没有绘制在直流通路中。由于场效应管栅极电流为０，故：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

管子的栅源电压为：当管子工作在饱和状态时，管子的漏极电流为：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

管子的漏源电压为：３．动态分析如图3.2.15所示电路的小信号等效电路如图3.2.17所示。电路中输入电压ui＝ugs，输出电压uo＝－gmugs·（RD∥RL），所以电压放大倍数为：上一页下一页返回3.2基本组态放大电路

输入电阻为从输入端口看进去的等效电阻，由图3.2.17可知：输出电阻按照2.2.4节中介绍的方法计算，首先令电压源置零，信号源内阻保留，然后将负载换成电压源ｕ，产生的电流为ｉ。由于电压源为０，故ugs＝０，则受控电流源gmugs＝０，受控电流源可看作开路，因此可求出电路的输出电阻为：Ro＝RD（3.2.25）上一页返回3.3差分放大电路

3.3.1差放电路的结构及输入输出方式１．差分放大电路的结构差分放大电路的基本电路如图3.3.1所示，电路结构左、右对称，三极管V1、V2是两个对管，V1、V2两管集电极电阻RC阻值相等。电路共有两个输入端口，输入信号ui1、ui2分别加在V1、V2的基极，称为１端口和２端口；电路有两个输出端口，uo1、uo2分别由V1、V2的集电极输出，称为３端口和４端口，每半边V1、V2分别组成共发射极放大电路。下一页返回3.3差分放大电路因此，在直接耦合中第一级一般采用差分放大电路，用来抑制零点漂移。直接耦合放大电路如图3.5.5所示，第一级为恒流源差分放大电路，第二级为由PNP管构成的共发射极放大电路。电路要求静态时输出电压为零，则R4的压降UR4＝VEE；由此可得三极管V3的集电极电流ICQ3

＝UR4／R4；则R3上的压降UR3＝ICQ3·R3。上一页下一页返回3.3差分放大电路对称电路的元件参数完全相同，管子特性也相同，则三极管集电极静态电位随温度的变化情况也相同，电路以两个三极管的集电极电位差作为输出，那么由温度漂移引起的电压变化量就相互抵消，从而有效地克服了温度漂移。上一页下一页返回3.3差分放大电路但是，因为静态时V1、V2的发射结零偏，无法正常工作。一般在V1、V2的发射极增加相应元件构成不同类型的差分放大电路。在V1、V2的发射极增加电阻和负电源－VEE的差放称为长尾式差分放大电路，如图3.3.2（ａ）所示；在V1、V2的发射极增加电流源的差放称为恒流源差分放大电路，如图3.3.2（ｂ）所示。电流源有多种，如图3.3.2（ｃ）所示为如图3.3.2（ｂ）所示电路中用到的某一种恒流源。上一页下一页返回3.3差分放大电路２．差放的输入输出方式若信号加到1端和2端之间，则称为双端输入，如图3.3.1所示。若信号仅从一个输入端和地之间加入，另一端接地，则称为单端输入，如图3.3.3（ａ）所示。若信号从V1和V2的集电极输出，则称为双端输出，如图3.3.3（ｂ）所示。若信号仅从V1和V2的集电极对地输出，另一端开路，则称为单端输出，如图3.3.3（ｃ）所示。上一页下一页返回3.3差分放大电路3.3.2差分放大电路的静态分析１．长尾式差分放大电路双端输出长尾式差分放大电路双端输出时的直流通路如图3.3.4所示，由图可知，双端输出时，由于电路左、右完全对称，两管的静态工作点完全相同，因此只要求出某一管的静态工作点即可，这里求解V1管的静态工作点。双端输出时，由于VCQ1＝VCQ2，故负载上的电流为０，可以认为负载断开。上一页下一页返回3.3差分放大电路由于V1、V2两管参数一样，故IEQ1

＝IEQ2，则IRE＝2IEQ1≈2ICQ1。首先估算IRE，选择回路得：故可求得：上一页下一页返回3.3差分放大电路由放大特征方程得:UCEQ1求解采用以下方式：其中：VCQ1＝VCC－ICQ1·RC，VEQ1＝－UBEQ1。上一页下一页返回3.3差分放大电路２．长尾式差分放大电路单端输出单端输出时，信号可以从３端口输出，也可以从４端口输出，两种情况求解Ｑ点方法相同，这里以信号由３端口输出为例进行讲解。单端输出时，直流通路如图3.3.5所示。由图可知，单端输出时由于电路不再对称，两个对管V1、V2的静态工作点是不同的。上一页下一页返回3.3差分放大电路但是，计算IBQ1

和IBQ2的回路①和回路②相同，回路中包含的电量也近似相同，因此IBQ1

≈IBQ2

，故ICQ1

≈ICQ2，VEQ1≈VEQ2，但是VCQ1和VCQ2不等，因此UCEQ1不等于UCEQ2，两管的UCEQ要分别去求。通过比较图3.3.4

和图3.3.5可知，单端输出时IBQ、ICQ、VEQ、VCQ2

的求解方法和双端输出的完全相同，仅VCQ1的求解方法不同。上一页下一页返回3.3差分放大电路首先估算IRE，选择回路得：故可求得：上一页下一页返回3.3差分放大电路由放大特征方程得：UCEQ2求解采用以下方式：其中：VCQ1＝VCC－ICQ1·RC，VEQ1＝－UBEQ1

.上一页下一页返回3.3差分放大电路３．恒流源差分放大电路的静态分析恒流源差分放大电路的直流通路如图3.3.6（a）所示。对于此类恒流源差放，计算静态工作点按照以下步骤进行：（1）先求尾电流源中的URB2

；（2）求解IEQ3（近似等于ICQ3）；（3）求解ICQ1、ICQ2（ICQ1＝ICQ2＝0.5ICQ3）及IBQ1、IBQ2；（4）求解UCEQ1、UCEQ2.上一页下一页返回3.3差分放大电路恒流源部分电路如图3.3.6（b）所示，在V3基极有两个分压电阻，该部分电路和分压偏置共发射极放大电路的直流通路非常类似，如图3.3.6（c）所示。因此，V3的基极电流可以忽略不计，选择

3.3.6（a）图中的回路①可估算出URB2:上一页下一页返回3.3差分放大电路选择回路②可求得V3管的发射极电流IEQ3

：上一页下一页返回3.3差分放大电路3.3.3差分放大电路的小信号分析差分放大电路的输入信号共有3种形式：差模信号、共模信号、比较信号。为讨论方便，V1基极输入信号称为ui1，V2基极输入信号称为ui2；V1集电极的输出信号称为uo1，V2集电极的输出信号称为uo2。１．小信号输入方式１）差模信号差模信号（Differential－modesignal）定义：ui1和ui2为大小相等、相位相反的一对信号，即ui1＝－ui2。上一页下一页返回3.3差分放大电路当差模信号输入时，总的差模输入信号uid＝ui1－ui2，总的差模输出信号uod＝uo1－uo2。差模信号输入时，电压放大倍数称为差模电压放大倍数（Aud），Aud＝uod／uid。２）共模信号共模信号（Common－

modesignal）定义：ui1和ui2为大小相等，相位相同的一对信号，即ui1＝ui2。当共模信号输入时，总的共模输入信号uic＝（ui1+

ui2）／２，总的共模输出信号uoc＝uo1－uo2。共模信号输入时，电压放大倍数称为共模电压放大倍数（Auc），Auc＝uoc／uic。上一页下一页返回3.3差分放大电路３）比较信号比较信号定义：ui1和ui2为大小不等的一对信号。比较信号是由差模信号和共模信号组成的，其中：差模信号是用来被放大的信号，共模信号是噪声或温度漂移信号。上一页下一页返回3.3差分放大电路实际中，输入到差分放大电路的信号是既有差模信号也有共模信号的比较信号，只不过差分放大电路可以放大差模信号，同时抑制共模信号。差分放大电路的输出信号是差模信号和共模信号的叠加，即：４）共模抑制比实际电路中，既有共模信号输入，也有差模信号输入。上一页下一页返回3.3差分放大电路为了放大差模信号，抑制共模信号，通常用共模抑制比（KCMR）（Commonmode

Rejection）来表征这种能力，定义为差模电压放大倍数和共模电压放大倍数之比的绝对值，即：共模抑制比越大，说明差分放大电路对共模信号的抑制能力越强，当电路理想对称时，共模抑制比趋于无穷大。上一页下一页返回3.3差分放大电路由于共模抑制比较高，所以电路中常用分贝来表示，即：２．差分放大电路的差模动态分析小信号输入时，长尾式差分放大电路的交流通路如图3.3.7（ａ）所示，恒流源的电流源部分可以等效为电阻rs，其交流通路如图3.3.7（ｂ）所示，二者电路结构相同，只是rs阻值远大于RE的阻值。上一页下一页返回3.3差分放大电路当差模信号输入时，1端口和2端口信号大小相同、极性相反，因此V1、V2发射极的交流电流大小相等、方向相反，则长尾电阻RE或恒流源动态电阻rs上流过的交流电压为０，故RE、rs在差模信号输入时不起作用，相当于短路，则长尾式差分放大电路和恒流源差分放大电路的交流通路如图3.3.7（ｃ）所示，故差模动态分析时完全相同。上一页下一页返回3.3差分放大电路１）双入双出差模动态分析双入双出差分放大电路的交流通路如图3.3.8（ａ）所示，此时电路左、右完全对称。由于差模信号输入且V1、V2均构成共发射极放大电路，故uo1＝－uo2，因此负载RL中间位置的电位为0，则左边电路的负载为RL／2，右边电路的负载为RL／2，等效电路如图3.3.8（ｂ）所示。差模电压放大倍数为：上一页下一页返回3.3差分放大电路差模输入电阻Rid为从两个输入端口看进去的等效电阻，由图3.3.8（a）可知：差模输出电阻Rod为从两个输出端口看进去的等效电阻，由图3.3.8（ａ）可知：上一页下一页返回3.3差分放大电路２）双入单出差模动态分析若信号由３端口输出，如图3.3.10（ａ）所示。则差模电压放大倍数为：则差模电压放大倍数为：上一页下一页返回3.3差分放大电路３）单端输入差模动态分析单端输入差分放大电路的交流通路如图3.3.12（a）所示，1端口有信号输入，2端口信号为０。将该电路的输入信号进行等效变换，变换后电路如图3.3.12（ｂ）所示，由图可知单端输入时差放既有差模信号输入也有共模信号输入，差模信号uid＝ui1／２－（－ui1／２）＝ui1，共模信号uic＝（ui1／２＋ui1／２）／２＝ui1／２。上一页下一页返回3.3差分放大电路３．差放的共模动态分析共模信号输入时，V1、V2管发射极交流电流相等，此时流过长尾电阻（或恒流源等效电阻）的交流电流i不为０，而且i＝２iRE（或i＝２irs），如图3.3.13所示，即RE（rs）对共模信号起作用。上一页下一页返回3.3差分放大电路１）双端输出双端输出时，电路完全对称，左、右半边电路的放大倍数相同，１、２端口的输入信号相同，故３、４端口的输出信号完全相同，即：uo1＝uo2，故uoc＝uo1－uo2＝０，因此双端输出时，有：上一页下一页返回3.3差分放大电路２）单端输出单端输出时，电路不完全对称，若信号由３端口输出，则：若信号由4端口输出，则：上一页下一页返回3.3差分放大电路电路如图3.3.14（ａ）所示，负载加在３端口，为了得到半边电路，需要将RE分解到每半边电路中，分解规则为：保证RE分解前后，其上的交流电压保持不变。分解前，u=i·RE＝2ie1·RE；假设分解后电阻为Ｒ，则uR＝ie1·Ｒ＝2ie1·RE，可见只有Ｒ＝２RE才能保证分解前后RE的交流电压保持不变，分解后的等效电路如图3.3.14（ｂ）所示。上一页下一页返回3.3差分放大电路如图3.3.14（b）所示电路的半边电路如图3.3.15（a）所示，小信号等效电路如图3.3.15（b）所示。共模电压放大倍数为：此外，共模输入电阻为：上一页下一页返回3.3差分放大电路单端输出时共模输出电阻为：3.3.4电流源１．基本电流源图3.3.16（ａ）为差分放大电路中最基本的电流源（即恒流源），这种电路结构非常类似于分压偏置共发射极电路的结构。上一页下一页返回3.3差分放大电路其工作原理为，当晶体管外围元件和电源电压合适时，晶体管工作在放大状态，由晶体管的输出特性曲线图3.3.16（ｂ）可知，晶体管工作在放大区时iC基本恒定，可以将该电路作为电流源为其他电路提供恒定的静态电流。同时，由输出特性曲线可知，放大区中曲线基本平行于横轴，故晶体管的动态电阻rce很高。此外，只要晶体管的uCE大于饱和压降，就能保证管子工作在放大区。上一页下一页返回3.3差分放大电路因此，在差分放大电路单端输出时，可以采用恒流源代替长尾电阻，首先恒流源可以为电路提供较为恒定的电流，其次该电路只需要较小电压，最后恒流源较大的动态电阻可以提高差放对共模信号的抑制能力。一般常用图3.3.16（ｃ）所示的符号表示恒流源，IO为恒流源的静态电流，rs为恒流源的动态电阻。上一页下一页返回3.3差分放大电路２．镜像电流源１）晶体管构成的镜像电流源由晶体管构成的镜像电流源电路如图3.3.17（a）所示，V1、V2为两个特性完全相同的晶体管，其中V1管的基极和集电极相连，使得UCE＝UBE，这样只要VCC和R取值合适，V1管就工作在放大区，不可能进入饱和区。由于V1、V2基极互连、发射极互连，使得UBE1＝UBE2，故IB1＝IB2，而两管的β相等，使IO＝IC2＝βIB2＝βIB1＝IC1≈IREF。上一页下一页返回3.3差分放大电路可见，由于电路的特殊结构，使IREF和IO呈镜像关系，因此该电路称为镜像电流源，IREF为参考电流，IO为输出电流。当β>>2时，有：上一页下一页返回3.3差分放大电路２）MOS管构成的镜像电流源由MOS构成的镜像电流源如图3.3.17（ｂ）所示，M1管的栅极和漏极互连，则UGS1＝UDS1，这使M1工作在饱和区，不会处于可变电阻区。当M1和M2的沟道长度Ｌ足够长时，可忽略沟道长度调制效应，则：上一页下一页返回3.3差分放大电路３．比例电流源比例电流源电路如图3.3.18所示，图中，IREF为参考电流，为：当β》2且IREF和IO相差不大时，有：上一页下一页返回3.3差分放大电路由于UBE1≈UBE2，故可得：由此可见，比例电流源中参考电流源IREF主要由电阻Ｒ决定，输出电流IO和参考电流IREF成比例关系，而改变R1、R2的比值可改变IREF和IO的比值。上一页返回3.4功率放大电路3.4.1功率放大电路的类型按功放输出级功放管的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。单端放大器的输出级由一个放大元件完成对信号正、负两个半周的放大，前面介绍的晶体管的ＣＥ、ＣＣ、ＣＢ等电路属于单端放大器。推挽放大器的输出级有两个放大器，两个放大器在整个周期中轮流导通，共同完成信号的放大任务。按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称Ａ类）、乙类功放（又称Ｂ类）、甲乙类功放（又称ＡＢ类）、丙类和丁类功放（又称Ｄ类）。下一页返回3.4功率放大电路甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正、负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器，甲类功放管的导通角为２π，如图3.4.1（ａ）所示。甲类功放管的工作点Ｑ设定在负载线的中点附近，前面介绍的基本组态放大电路属于甲类工作方式。但是，甲类静态功耗较大、效率很低，目前基本上不再使用这些电路作为功放电路。上一页下一页返回3.4功率放大电路乙类功放是指晶体管仅在正半周或负半周导通，导通角为π，如图3.4.1（ｂ）所示。乙类功放管的静态工作点是直流负载线和输出特性曲线横轴的交点，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率，因此，其静态功耗非常小、效率高，但是输出信号产生失真。甲乙类功放界于甲类和乙类之间，其导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期，其导通角介于π～２π。甲乙类功放的静态功耗较小、效率较高。当甲乙类功放采用两管推挽工作时，可以有效避免交越失真，因此甲乙类功放获得了极为广泛的应用。上一页下一页返回3.4功率放大电路丙类功放指晶体管仅有小于半个周期的导通时间，即导通角介于０～π。丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高、体积小的优点。3.4.2OCL功率放大电路1.乙类OCL功率放大电路１）电路结构OCL功率放大电路如图3.4.2所示，V1和V2为两个功率互补对管，信号从两管的基极输入，信号从两管的发射极输出。上一页下一页返回3.4功率放大电路电路采用双电源供电，＋VCC和－VEE，电路输出端没有耦合电容，故称为OCL（ＯｕｔｐｕｔＣａｐａｃｉｔｏｒｌｅｓｓ）功放。２）静态分析静态时，ui＝０，故VB＝０Ｖ；由于电路为双电源供电，V1和V2为互补对管，因此UCE1＝－UCE2＝VCC，VE＝0Ｖ，负载上静态电流IRL＝０Ａ，负载静态电压URL＝０Ｖ，说明在静态时负载上没有直流电流流过，静态功耗为０。上一页下一页返回3.4功率放大电路３）动态分析OCL功放电路中，信号从V1、V2的基极输入，从V1、V2的发射极输出，功率管V1、V2均构成共集电极电路，故输入信号与输出信号大小相等、极性相同。当输入信号为正半周时，VB＞0，V1管的发射结正偏，V1管导通；V2管的发射结反偏，V2管截止，此时VCC通过V1向RL提供电流iRL，电路的输出波形与输入波形近似相等，如图3.4.3(a)所示。上一页下一页返回3.4功率放大电路当输入信号为负半周时，VB＜０，V1管的发射结反偏，V1管截止；V2管的发射结正偏，V2管导通，此时－VEE通过V2向RL提供电流iRL，电路的输出波形与输入波形近似相等，如图3.4.3（ｂ）所示。OCL功率放大电路的性能指标计算如下：（1）输出功率Po。输出功率定义为输出电流的有效值和输出电压的有效值的乘积，即：上一页下一页返回3.4功率放大电路其中，Uom为输出电压的峰值，可见当电路元件确定后，如果要提高电路的输出功率，需要增大输出电压的峰值。（2）直流电源提供的功率PD。假设输出信号为正弦波，uo＝Uomｓｉｎωｔ，则电源提供的电流io＝uo／RL，该电流是变化量，故电源提供的功率也是变化量，求解电源提供的功率可以求其平均值。上一页下一页返回3.4功率放大电路此外，VCC和VEE只工作半个周期，而且VCC和VEE提供的功率是相等的，所以直流电源提供的功率等于VCC提供功率的２倍，即PD＝２PD1。（３）功放的效率η。上一页下一页返回3.4功率放大电路由式（3.4.1）、式（3.4.2）可知，Po和PD的大小由Uom大小决定，当Uom达到最大值时，输出功率和电源提供的功率也达到最大值。图3.4.4为V1管的输出特性曲线，Ｑ点坐标为（VCC，０），为了避免V1进入饱和区，故输出电压峰值的最大值Uomm＝VCC－UCES

，UCES

为管子的饱和压降。最大不失真输出功率Pom为：上一页下一页返回3.4功率放大电路电源提供功率的最大值PDm为：（４）功耗。在功率放大电路中，电源提供的功率一部分转换成输出功率，另一部分则消耗在晶体管上，功耗用ＰＴ表示，因此PT

＝PD－Po。上一页下一页返回3.4功率放大电路每个晶体管的平均功耗可用下式表示：为了得到功耗的最大值，可将PT1对Uom求导数，即：上一页下一页返回3.4功率放大电路可得：当Uom＝·VCC≈0.6VCC时，管耗达到最大。２．甲乙类OCL功率放大电路设管子为硅管，只有UBE＞0.7Ｖ时，NPN管才会真正导通，也就是ui＞0.7Ｖ时，V1导通；只有UBE＜－0.7Ｖ时，PNP管才会真正导通，也就是ui＜－0.7Ｖ时，V2导通；所以，两管交替时，V1、V2均截止，此时输出信号uo＝０，称之为交越失真。输入、输出信号波形如图3.4.5所示。上一页下一页返回3.4功率放大电路为了消除交越失真，显然应给晶体管的发射结增加很小的正向偏压，电压大小近似等于发射结的导通电压，即晶体管在静态时处于微弱导通状态。只要ui＞０，NPN管就处于导通状态，只要ui＜０，PNP管就处于导通状态，从而消除交越失真。由于静态时，晶体管中电流不为０，故管子工作在甲乙类状态。甲乙类OCL功率放大电路如图3.4.6所示，在图3.4.3的基础上增加了两个二极管D1

、D2和两个电阻R1、R2.

上一页下一页返回3.4功率放大电路3.4.3OTL功率放大电路1．静态分析由于R1＝R2，D1和D2为同种类型的二极管（其导通电压为UD（on）），故：VB＝VCC／２，VB1＝VCC／２＋UD（on）），VB2＝VCC／２－UD（on））。V1、V2为功率对管，故：UCE1＝－UCE2＝VCC／２，故VE＝VCC／２。因此，UBE1＝UD（on）），UBE2＝－UD（on）），此时三极管处于微弱导通状态，故：IB＝IC≠０。由于静态时两个三极管发射极电位等于VCC／２，这保证了交流输出信号正、负半周对称。上一页下一页返回3.4功率放大电路２．动态分析OTL功放电路中，输入信号为正半周时，V1管导通，V2管截止，VCC供电，有效电源电压为VCC／２；输入信号为负半周时，V1管截止，V2管导通，电容Ｃ充当电源为V2供电；在整个周期中，V1、V2管交替工作，电路均为射极输出器，即输出信号与输入信号相等。由于OTL功放电路中只有一个直流电源VCC，故将公式中的VCC变为OCL电路的相关公式中的VCC的即可，OTL电路相关参数计算公式如下。上一页下一页返回3.4功率放大电路（１）输出功率Po。当输出电压达到最大值（VCC－UCES）时，输出功率达到最大，其值为：上一页下一页返回3.4功率放大电路（２）直流电源提供的功率PDm。最大不失真输出时为：（３）功放的效率η。上一页下一页返回3.4功率放大电路3.4.4集成功率放大电路１．LM1875及其应用LM1875是美国国家半导体器件公司生产的音频功放芯片，采用V形5脚单列直插式塑料封装结构，封装如图3.4.11所示。该功放芯片在±25V电源电压供电、４Ω负载时可获得20Ｗ的输出功率，在±30V电源供电、８Ω负载时可获得30Ｗ的功率，芯片内置多种保护电路。上一页下一页返回3.4功率放大电路芯片特点：（１）V形5脚单列直插式塑料封装结构，仅５只引脚；（２）开环增益可达９０ｄＢ；（３）极低的失真，１ｋＨｚ、２０Ｗ时失真仅为０．０１５％；（４）内置ＡＣ和ＤＣ短路保护电路；（５）内置超温保护电路；（６）峰值电流高达４Ａ；上一页下一页返回3.4功率放大电路（７）极宽的工作电压范围（16～60Ｖ）；（８）内置输出保护二极管；（９）外接元件非常少，ＴＯ－２２０封装；（１０）输出功率大，Po＝２０Ｗ（RL＝４Ω）。LM1875典型应用电路如图3.4.12所示。上一页下一页返回3.4功率放大电路电路中C3电容防止后级的LM1875直流电位对前级电路的影响。放大电路由LM1875、R4、R3、C6等组成，电路的放大倍数由R4与R3的比值决定，由于信号从LM1875的同相端输入，故构成同相比例放大电路，放大倍数为：C6用于稳定LM1875的第4脚直流零电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C7、R5的作用是防止放大器产生低频自激。本放大器的负载阻抗为4～16Ω。上一页下一页返回3.4功率放大电路C1、C2、C4、C5用于滤除直流电源中的高频噪声和低频噪声，保证电源提供恒定的直流电压。为了保证功放有较好的音质，电源变压器的输出功率不得低于80Ｗ，输出电压为±25Ｖ。２．TDA1521及其应用TDA1521是荷兰飞利浦公司设计的高性能双通道音频功放，在电压为±１６Ｖ、阻抗为８Ω时，输出功率为２×１５Ｗ，此时的失真仅为０．５％。上一页下一页返回3.4功率放大电路输入阻抗为20ｋΩ，输入灵敏度为600ｍＶ，信噪比达８５ｄＢ。其电路设有等待、静噪状态，具有过热保护、低失调电压高纹波抑制，而且热阻极低，特别适合作为立体声音响设备左、右两个声道的功放。实际应用中，在组装双通道功放或ＢＴＬ功放时，通常首选双通道集成功放。TDA1521的内部电路结构、引脚排列和典型应用电路如图3.4.13所示。上一页下一页返回3.4功率放大电路图中，两个通道的功放均构成OCL电路，输入电压经220ｎＦ的隔直耦合电容加到各通道的输入端，输出端直接接至扬声器负载。输出端所接的２２ｎＦ电容与8.2Ω电阻串联组成的支路为相位补偿电路，用以防止自激；C3、C4和C7均为电源去耦电容。使用时，应给TDA1521外接散热器，散热器应与负电源相连。上一页下一页返回3.4功率放大电路３．集成功放的使用注意事项（１）厂家给出的集成功放性能参数往往是典型数据，而实际使用中集成功放的性能参数与工作条件有关，在不同的工作条件下，参数值可能不同，因此，使用时应进一步查阅手册，以获得符合实际情况的数据。应用时，应尽量采用手册中推荐的工作条件，因为此条件下电路的综合性能通常比较好。尤其使用较大功率的集成功放时，必须按照手册要求安装规定规格的散热装置，否则容易烧毁。上一页下一页返回3.4功率放大电路（２）集成功放应用电路的最大不失真功率可用ＯＣＬ、ＯＴＬ等电路的相应公式进行估算，可见其最大不失真功率与负载和电源电压值有关，但最大不失真功率不仅与负载和电源电压值有关，还受到电路极限参数的限制，使用时电路不能工作到超出极限参数的范围。上一页返回3.5多级放大电路

3.5.1多级放大电路的结构及耦合方式多级放大电路的结构简图如图3.5.1所示，其中，与输入信号相连接的第一级放大电路称为输入级，一般选择差分放大电路，其主要作用是抑制共模信号，同时差分放大电路具有一定的放大能力。与负载连接的电路称为输出级，一般选择功率放大电路，主要用于提高电路的输出功率。输入级和输出级之间称为中间级，一般选择共射极放大电路，主要用于提高电路的电压放大倍数。下一页返回3.5多级放大电路

3.5.2多级放大电路的性能指标分析基于单级放大电路的分析基础，多级放大电路动态参数的求解可以最终转化为单级放大电路的分析。以二级放大电路为例，如图3.5.2所示。在多级放大电路中存在多个名称不同，却是同一个量的信号，这里从左到右依次分析。（1）总的输入信号也是第一级的输入信号，即ui＝ui1；（2）总的输入电阻也是第一级的输入电阻，即Ri＝Ri1；上一页下一页返回3.5多级放大电路

（3）第一级电路可以作为第二级电路的信号源，即uo1＝ui2；（4）第一级电路的输出电阻相当于第二级电路信号源的内阻，即Ro1＝RS2；（5）第二级电路的输入电阻相当于第一级电路的负载电阻，即Ri2＝RL1；（6）总的输出信号也是第二级的输出信号，即uo＝uo2；（7）总的输出电阻也是第二级的输出电阻，即Ro＝Ro2；上一页下一页返回3.5多级放大电路

总电路的电压放大倍数为：即总电路的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积。总的输入电阻：Ri＝Ri1（3.5.2）总的输出电阻：Ro＝Ro2（3.5.3）上一页下一页返回3.5多级放大电路

3.5.3阻容耦合多级放大电路如图3.5.3所示为阻容耦合二级放大电路，Ｃ为耦合电容，第一级为共发射