电工电子技术-6

６.１基本放大电路的组成在各种各样的检测电路及控制电路中经常遇到用微弱的电信号去控制较大功率的负载.这就需要将微弱的电信号在不失真的条件下通过放大电路对其放大,使其获得更多的能量,电路放大的基本特征是功率放大.为实现这一目的,任何放大电路都需要直流电源供电,在微弱信号的作用下,通过放大电路的控制将直流能量转换为交流能量输出到负载.这就是放大作用的实质,而三极管就是能够控制能量的元件,它们是放大电路中的核心元件.将放大电路看成一个两端口的有源网络,如图６-１所示,从输入端看进去可等效为一个电阻Ri,相当于信号源的负载;从输出端看进去可等效为一个有内阻的电压源,其内阻为输出电阻Ro.图中为正弦波信号源,Rs

为信号源内阻,RL

为放大电路的负载电阻,是放大电路的驱动对象.将框图中放大电路设计为基本共射放大电路,如图６-２所示.下一页返回６.１基本放大电路的组成在图６-２所示电路中,三极管为核心元件,起放大作用,将输入信号的变化体现在基极上微小的电流变化,再放大成较大的集电极电流.直流电源＋VCC与基极电阻Rb

相配合使发射结电压正偏同时为三极管提供一个合适的直流基极电流;直流电源＋VCC与集电极电阻Rc相配合使集电结反偏,形成集电极回路电流,同时又是负载的能源.集电极电阻Rc

将集电极电流的变化转换成电压的变化,使电路有电压放大的作用.耦合电容C１和C２分别将信号源与放大电路、放大电路与负载连接起来,耦合电容的容量应足够大,一般选微法级电容,在输入电压的频率范围内其容抗可忽略不计,即对交流信号可视为短路,使信号几乎无损失地进行传递.耦合电容对于直流量的容抗为无穷大,因此,C１和C２又分别将信号源与放大电路、放大电路与负载的直流量隔离开来.所以可将耦合电容的作用概括为“隔直通交”上一页返回６.２放大电路的静态分析６.２.１用直流通路分析静态指标静态分析要确定放大电路的静态指标:IBQ、ICQ、UCEQ.可在直流通路中求.直流通路是直流电源单独作用下直流电流流经的通路,画直流通路时:①US

视为短路,但保留RS;②电容视为开路;③电感相当于短路(线圈电阻近似为０).在分析中,将UBEQ作为已知条件,令ICQ＝βIBQ,列写三极管输入、输出回路方程,估算出静态指标.６.２.２用图解法分析静态指标用图解法分析静态指标就是利用非线性电阻图解法的原理,将三极管这个非线性元件的工作情况由其输出的伏安特性曲线和三极管所在输出回路的负载线的交点来确定.这个交点即静态工作点,由它确定静态指标.下一页返回６.２放大电路的静态分析在图６-３所示的直流通路中,输出回路应满足方程UCE＝VCC－ICRc(６２)这是基本共射放大电路的直流负载线,其在横轴的截距为VCC,在纵轴的截距为VCC/Rc,斜率为－１/Rc.另一条线为输出特性曲线中IB＝IBQ的曲线.两条线的交点即静态工作点.由它确定静态指标.上一页返回６.３放大电路的动态分析６.３.１用微变等效电路法分析由于三极管具有非线性的输入特性和输出特性,使得电路分析方法较复杂.为简化分析,在低频小信号作用下,将三极管看成为一个线性两端口网络(图６-５),用一个线性等效模型电路来等效三极管,采用一般电路的方法来分析电路.因其只适用于动态分析,故还可称之为交流等效模型,又因交流等效模型只适用于小信号变化量作用时的情况,故又称为微变等效电路.１.三极管的微变等效模型三极管的微变等效模型是在低频小信号作用下,根据三极管的输入、输出特性曲线在静态工作点附近的小范围内,用直线近似替代特性曲线而得到的.下一页返回６.３放大电路的动态分析输入特性曲线用Q点切线来近似替代Q点附近的曲线.当UCE为常量时,b-e间动态电压与基极动态电流之比,记作rbe,如图６-６所示,因其物理意义是b-e间的动态电阻,因此三极管输入特性可用rbe等效代替.三极管低频小信号输入电阻常用下列公式估算:式中:rbb′＝１００~３００Ω,可在手册中查出.常温下,UT＝２６mV.IEQ

为发射极静态电流,因而静态电流越大,rbe愈小.三极管输出特性曲线是一组近似与横轴平行的直线,在UCE为常量时动态集电极电流与基极电流之比,就是电流放大系数β,如图６-７所示.上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析由此三极管输出回路可用受控电流源ic＝βib

代替,表示输入电流ib

对输出电流ic

的控制作用.此外,由三极管的输出特性曲线还可以看出输出特性曲线略向上翘,可用管压降变化量与集电极动态电流之比来描述,称rce为管子的输出电阻,如图６-８所示.因为三极管的输出特性曲线较为平直,因此,rce数值很大,通常在几百千欧以上,所以rce上的电流可忽略不计.由此,三极管微变等效模型如图６-９所示.注意,该等效模型一般只适用于低频小信号.上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析２.放大电路的微变等效电路法放大电路的微变等效电路法是指在放大电路的交流通路中将三极管用微变等效模型取代,用线性电阻电路的分析方法分析交流性能指标.画交流通路时,①大容量电容相当于短路;②直流电源相当于短路(内阻为０).基本共射放大电路的交流等效电路如图６-１０所示.电压放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的重要指标.定义为根据图６-１０可列出上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析将上述公式整理可得基本共射放大电路电压放大倍数的表达式:式(６-１０)中负号表示与相位相反.从数学角度出发,增大β和Rc,减小Rb

或rbe,均可增大的数值.但从电子电路的概念出发,β大的管子rbe也大,因而采用换管子的方法有时效果不明显.实际上,最常用的方法是通过减小基极电阻Rb(即增大IEQ)以减小rbe的方法来增大.有时也通过增大Rc来增大.需要强调的是,不管采用哪种方法,都应首先保证Q点合适,否则将毫无意义.上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析１)输入电阻Ri放大电路与信号源相连接就成为信号源的负载,可用一个电阻来等效.输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻,定义为输入电压有效值和输入电流有效值之比,即在信号源确定的情况下,Ri

越大,从信号源索取的电流越小,信号源内阻的压降越小,放大电路的输入电压降越大.因此,若要从信号源获得更大的输入电压,则选Ri

较大的放大电路;若要从信号源获得更大的输入电流,则放大电路的Ri

应较小.上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析根据图６-１０可列出基本共射放大电路的输入电阻为Ri＝Rb∥rbe(６-１２)２)输出电阻Ro对于负载电阻RL,放大电路总可等效成一个有内阻的电压源,其内阻就是放大电路的输出电阻Ro.Ro越小,负载电阻RL变化时,Uo的变化越小,说明放大电路的带负载能力越强.因此通常希望放大电路的输出电阻小一些.根据戴维宁定理,图６-１０中令RL＝∞开路,且电路的＝０,＝０时＝０.因此,基本共射放大电路的输出电阻Ro＝Rc(６-１３)上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析应特别指出,根据输入电阻和输出电阻的物理意义,它们是所分析的放大电路自身的动态参数,因此,Ri

中不应含有Rs,因为Rs

是前级电路的输出电阻或实际信号源的内阻;而Ro

中不应含有RL,因为RL

是后级电路的输入电阻或者实际的负载.６.３.２用图解法分析图解法不仅能够分析静态指标也能够分析放大电路的动态指标.利用图解法进行分析就是在静态分析基础上,用作图的方法来分析输入输出交流量之间的传输情况和相互关系.上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析１.电压放大倍数分析从图６-１０可知,uo＝uCE＝－iC(Rc∥RL)＝－βibR′L,uCE并不沿直流负载线变化,而应沿斜率为－１/(Rc∥RL)的直线变化.由交流通路决定的负载线为交流负载线.分析电路工作原理可知,当信号为０时,晶体管的集电极电流为ICQ,管压降应为UCEQ,故交流负载线应过Q点.因此,只要过Q点作斜率为－１/(Rc∥RL)的直线,就是交流负载线,如图６-１１所示.只有当电路空载,即RL＝¥时,直流、交流负载线才会重合.利用如下过程可以求解电压放大倍数:ui→ib→ic→uce(即uo)如图６-１１所示,测量uo

的峰峰值(或峰值)与ui的峰峰值(或峰值),它们之比即为Au,即上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析由图６-１１输入与输出的波形可知uo

与ui

变化相反,即反相.因此基本共射放大电路电压放大倍数的表达式中符号为负号.２.波形非线性失真分析对放大电路最基本的要求就是输出信号基本不失真.引起失真的原因很多,其中最主要的是静态工作点不合适.在基本共射放大电路中,若Q点过高,三极管进入了饱和区,导致集电极动态电流ic

产生饱和失真,由于输出电压uo

与ic

的变化相反,从而导致波形产生底部失真,如图６-１２(a)所示.因三极管饱和而产生的失真称为饱和失真.在基本共射放大电路中,若Q点过低,三极管b-e间电压总量uBE

小于其开启电压uON,三极管因截止而产生失真,输出波形顶部失真如图６-１２(b)所示.因三极管截止而产生的失真称为截止失真.上一页下一页返回６.３放大电路的动态分析由此,为使三极管工作在较为合适的工作状态下,应选择合适的静态工作点.从交流负载线可以看出,输出电压不产生饱和失真的最大幅值为(UCEQ－UCES),UCES为饱和管压降;不产生截止失真的最大幅值为ICQR′L.因此最大不失真输出电压为为了使Uom尽可能大,应将Q点设置在放大区内负载线的中点,即其横坐标值为(VCC－UCES)/２.３.图解法的优缺点图解法直观、形象,便于进一步理解放大电路的工作原理.由于输入特性和输出特性是实测得到的,因此切合实际,适用于Q点的求解、失真等问题的定性分析;但由于作图难于准确,且过程烦琐,所以不易定量求解Au.上一页返回６.４放大电路静态工作点的稳定电源电压的波动、元件的老化以及环境温度的变化等因素都会影响静态工作点的稳定.静态工作点不稳定会使得动态参数不稳定,影响电路的放大效果,甚至使电路无法正常工作,因此稳定Q点是必要的.在影响工作点稳定的因素中温度的变化是最为主要的.当环境温度变化时,例如温度升高时,集电极静态电流ICQ增大、管压降UCEQ减小,静态工作点向饱和区偏移.若温度升高同时减小基极静态电流,从而使集电极电流有减小的趋势,则静态工作点就可能基本不变.图６-１３所示为典型的分压式偏置静态工作点稳定电路,其直流通路如图６-１３(b)所示.若参数满足I１≫IBQ,对硅管而言,I１＝(５~１０)IBQ则下一页返回６.４放大电路静态工作点的稳定因而有可以认为,当温度变化时UBQ和ICQ(IEQ)与三极管参数基本无关,数值基本不变.分压式偏置电路稳定工作点的过程中,Re

起着重要作用:当温度升高时,UBQ

基本不变,三极管的输出回路电流ICQ(IEQ)增大,通过发射极电阻Re

上产生的电压UEQ(即Re上的电压)的升高,导致b-e间电压UBEQ减小,使IBQ随之减小,故ICQ减小,从而达到稳定Q点的目的.Re越大,稳定性越好.但过大会使发射极电位增高,UCEQ较小,电路静态工作点不合适.上一页返回６.５差分放大电路６.５.１静态分析１.电路的组成图６-１６所示为典型的差分放大电路,为双端输入双端输出的电路结构,具有结构对称性且电路参数理想对称的特性,即Rb１＝Rb２＝Rb,Rc１＝Rc２＝Rc,三极管的特性完全相同;为了设置合适的静态工作点,也为了使电源与信号源“共地”,电路采用两电源供电;电路中射极电阻为公共的射极电阻.２静态工作点分析静态时,uI１＝uI２＝０,由于电路对称,所以有UBEQ１＝UBEQ２＝UBEQ,IBQ１＝IBQ２＝IBQ,ICQ１＝ICQ２＝ICQ,IEQ１＝IEQ２＝IEQ,UCQ１＝UCQ２＝UCQ,电阻Re

中的电流为下一页返回６.５差分放大电路根据输入回路方程为通常,在电路设计时Rb

的数值较小,而基极电流IBQ

也很小,因而可将Rb

的电压忽略不计,所以基极静态电位UBQ近似为０.只要合理选择Re,并与电源VEE相匹配,就可以设置合适的静态发射极和基极电流,分别为上一页下一页返回６.５差分放大电路根据输出回路列方程为UCEQ＝UCQ－UEQ≈VCC－ICQRc＋UBEQ(６-２３)uO＝UCQ１－UCQ２＝０(６-２４)可见,差分放大电路是靠选择合适的射极电源和射极电阻来确定差分电路的静态电流的,由于VEE和Re

参数稳定,所以差分放大电路的静态工作点比较稳定.上一页下一页返回６.５差分放大电路６.５.２动态分析１.对共模信号的抑制作用在两个输入端所加电压大小相等、方向相同的信号,这样的信号称之为共模信号,用uIc表示,如图６-１７所示.当差分放大电路加共模信号时,uI１＝uI２＝uIc,由于参数理想对称,ΔiB１＝ΔiB２,ΔiC１＝ΔiC２,ΔuC１＝ΔuC２.所以uO＝uC１－uC２＝(UCQ１＋ΔuC１)－(UCQ２＋ΔuC２)＝０(６２５)可见在参数理想对称时,差分放大电路对共模信号无放大作用.上一页下一页返回６.５差分放大电路环境温度变化时两只差分管参数的变化相同,集电极静态电流的变化相等(ΔICQ１＝ΔICQ２),集电极静态电位的变化也相等(ΔUCQ１＝ΔUCQ２),因而输出电压的变化为０.所以可将温度变化等效成共模信号.实际上,差分放大电路对共模信号抑制作用不但利用对称性而且还利用Re

对共模信号的负反馈作用:射极电组Re将电路输出回路电流iE１、iE２的变化转换成射极电位的变化,引起的射极电位的变化ΔuE＝２ΔiERe,反馈到输入端影响输入回路的电压uBE１、uBE２,抑制集电极电位的变化.在可能的情况下,Re

阻值越大,共模负反馈越强,在共模信号作用时集电极电位的变化将越小.实际上,任何差分放大电路都不可能真正理想对称.为了衡量电路对共模信号的抑制作用,引入参数共模放大倍数Ac:上一页下一页返回６.５差分放大电路|Ac|越小,说明电路的对称性越好,理想情况下,Ac＝０.２.对差模信号的放大作用若在差分放大电路的两个输入端之间加输入电压uId,如图６-１８所示,则由于电路的对称性,等效于在两个输入端加入大小相等、方向相反的信号,这种电压称为差模信号.uI１＝－uI２＝uId/２,信号源的中点相当于公共端,如图中所标注.由于差模信号的作用,因此两个管子的发射极电流变化方向相反,流过电阻Re的电流保持不变,Re两端的电压也就不变,因而E点的交流电位可视为“地”;由于负载电阻的中点电位同样不变,也可视为“地”.因此,输入差模信号时的交流等效电路如图６-１８(b)所示.放大电路输入差模信号时的放大倍数称为差模放大倍数,记作Ad,则上一页下一页返回６.５差分放大电路由图可知因而可见,差模放大倍数Ad

与单管共射放大电路的放大倍数相等,即差分放大电路是通过牺牲一个管子的放大倍数来换取低温漂的.输入电阻是从电路的两个输入端看进去的等效电阻,即Ri＝２(Rb＋rbe)(６-３１)输出电阻是从两个输出端看进去的等效内阻,即Ro＝２Rc上一页下一页返回６.５差分放大电路３共模抑制比为了综合考察差分放大电路对差模信号的放大作用和对共模信号的抑制作用.特引入指标参数———KCMR,称之为共模抑制比,定义为其值越大,说明电路性能越好.理想情况下KCMR＝∞.上一页返回６.６功率放大电路６.６.１无输出电容的互补对称功率放大电路(OCL电路)１工作原理无输出电容的互补对称功率放大电路原理图如图６-１９所示,其工作原理是:静态时,ui＝０,T１和T２的基极间的电压等于两只二极管的导通电压,即,UB１B２＝UBE１＋UBE２＝UD１＋UD２因而使得T１和T２管处于临界导通状态,通常有很小的集电极电流,故也称它们工作在微导通状态.由于T１、T２对称,uo＝０,电路的静态功耗为零.当输入正弦波电压信号ui＞０后,正半周T１导通、T２截止.由于二极管的动态电阻很小,故可以认为二极管动态电压为０,T１和T２管的动态电位近似相等,即ub１≈ub２≈ui.下一页返回６.６功率放大电路电路由＋VCC供电,电流从＋VCC经T１的ce、RL

至地,uo跟随ui

变化,其最大峰值可接近＋VCC;负半周时T２导通、T１截止,电路由－VCC供电,电流从地经RL、T２的ce至－VCC,uo＝ui,uo

跟随ui

变化,由于两只管子特性对称,输出电压正负对称.综上所述,OCL电路在信号的正负半周,T１、T２管交替工作(称为互补),两路电源交替供电,输出电压双向跟随.由于晶体管的导通时间超过半个周期,故处于甲乙类工作状态.若晶体管饱和压降的数值为UCES,则负载电阻上能够获得的交流电压的峰值为(VCC－UCES),因而最大不失真输出电压所以最大输出功率上一页下一页返回６.６功率放大电路可以证明功率放大电路的效率在理论上可达７８.５％.OCL电路采用直接耦合方式,因而低频特性好.但是它必须用两路电源供电,因而为整个电路的设计带来不便.下面介绍由单电源供电的功率放大电路.６.６.２无输出变压器的互补对称功率放大电路(OTL电路)OTL电路与OCL电路一样,均采用射极输出形式,且均为互补电路,只是其输出与负载电阻用电容耦合,如