《电工电子技术应用》-学习情境六

学习情境6电子助记器的制作【学习目标】1.认识基本放大电路的原理。2.认识分压偏置电路的原理。3.认识射极放大器的原理。4.认识多级放大电路的原理。5.学会制作电子助记器，能检查、排除电子助记器的常见故障。6.培养学生的环保意识、革新意识和创造意识。【看一看】电子助记器图6-1所示为电子助记器。这个电子助记器电路有一个话筒和一个耳机，还有一些电子元件，使用时只要对话筒轻轻说话，通过放大电路的放大作用，耳机就能发出宏亮的声音，因而有助于加强记忆。电子助记器的组成如图6-2所示。上一页返回1.知识准备1.1基本放大电路的认识1.1.1基本放大电路的简介【看一看】认识基本放大电路放大电路的作用是把微弱的电信号进行放大，得到所需的较大的信号。在生产过程中，常常需要检测和控制一些与设备有关的非电量(温度、声音、光、力和位移)。这些非电量的变化可以用传感器转换成微弱的电信号，这些微弱的电信号必须经过放大电路的放大后才能驱动继电器、显示仪表等执行机构动作。放大电路广泛应用于自动控制系统、仪器仪表、音响设备、通信设备、电视机和计算机等电子设备中。图6-3是由晶体三极管、电源、电阻和电容构成的基本放大电路。下一页返回1.知识准备1.1.2基本放大电路的工作原理【认一认】基本放大电路的组成如图6-4所示，基本放大电路由以下几个部分组成:(1)品体管V;(2)电源VCC;(3)基极偏置电阻RB;(4)集电极负载电阻RC;(5)耦合电容C1、C2;(6)负载RL，如扬声器、蜂鸣器等。由于发射极既是输入端也是输出端，所以此放大电路也称为共发射极放大电路。上一页下一页返回1.知识准备基本放大电路中各元件的作用如图6-5所示。在如图6-5所示的电路中，当有交流信号输入时，交流信号与直流量叠加在一起，为了区分交流量和直流量，用IB、IC、UBE、UCE表示直流量，用ib、ic、ube、uce表示交流量，用iB、iC、uBE、uCE表示交直流叠加量(总量)。【学一学】基本放大电路的分析1.放大电路的静态分析交流放大电路处于静态(ui=0,ii=0)时，电路中的电压、电流都是直流量，可以用把电容支路断开后的直流通路来分析计算，如图6-6所示。放大电路静态时，IB、IC

和UCE对应于三极管输出特性曲线上的一个点，称之为静态工作点，用符号Q表示。上一页下一页返回1.知识准备静态工作点由下列式子进行估算:式中，管压降UBEQ很小，硅管取0.7V，锗管取0.3V，常常可以忽略不计。静态工作点设置合适，放大电路就能正常工作。2.放大电路的动态分析上一页下一页返回1.知识准备在动态时，放大电路在直流量与交流量的共同作用下工作。动态分析就是在静态工作点确定后分析信号的传输情况，主要是确定放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等。放大电路进行动态分析时要用到交流通路。将电容视为短路即可得到交流通路，如图6-7所示。1)图解法以图6-4的电路图为例说明图解法分析的过程，已知β=50,RL=3kΩ。(1)静态工作点的估算上一页下一页返回1.知识准备(2)在晶体管的输出特性曲线中，画出直流负载线和交流负载线。直流负载线反映静态时电流IC和电压UCE的关系。式子UCE=VCC-ICRC中，分别取VCC=0、IC=0，则分别可得坐标轴上的特殊点为UCE=12V,IC=4mA，连接这两点就为直流负载线，直流负载线的斜率为tanα=一1/RC。直流负载线与IB=40μA的输出特性曲线的交点则为静态工作点Q，如图6-8所示。交流负载线反映动态时电流iC和电压uCE的关系。由于对交流信号，C2可视为短路，RL与RC是并联关系，则R’L=RL//RC=3kΩ//3kΩ=1.5kΩ，过Q点作斜率为tan=-1/R’L=-0.66的直线，即为交流负载线，如图6-8所示。上一页下一页返回1.知识准备(3)在输出特性曲线左边和下边分别作iC=f(t)和uCE=f(t)两个坐标系;在输入特性曲线左边和下边分别作iB=f(t)和uCE=f(t)两个坐标系。(4)在输入特性曲线上找到工作点Q，自工作点向uCE=f(t)坐标系作垂线，以此垂线为零点画出输入信号的波形图，由输入信号的两峰点向输入特性曲线作垂线分别交于Q1,Q2两点。(5)由Q,Q1,Q2三点向iB=f(t)坐标系作三条水平线，与纵轴的交点分别为IB,IB1和IB2。以IB1和IB2为最大和最小值根据的uCE周期画出iB一个周期的波形图。(6)在输出特性曲线上，找到IB,IB1和IB2所对应的曲线与交流负载线的交点Q,Q1,Q2。上一页下一页返回1.知识准备(})由Q,Q1,Q2向iC=f(t)和uCE=f(t)两个坐标系分别作三条垂线和三条水平线，与电压和电流轴的交点分别为UBE、

UBE1、

UBE2

、IC

、IC1、IC2

，以UBE1、

UBE2为最小和最大值在uCE=f(t)坐标系画出电压uCE的波形图，以IC1、IC2为最大和最小值在iC=f(t)坐标系画出电流iC的波形图。由图6-8的波形可知，由于Q点设置合适，iC与uCE的波形没有失真，但uCE与uBE的波形相位相反。如果静态工作点设置不当，输出信号波形与输入信号波形就会存在差异，这就是放大电路的失真，如图6-9所示。当Q点设置过低时，晶体管在正弦电压的负半周处于截止状态，iC的负半周和uCE的正半周被削平，这种失真称为截止失真;当Q点设置过高时，晶体管在正弦电压的正半周处于饱和状态，iC的正半周和uCE的负半周被削平，这种失真称为饱和失真。上一页下一页返回1.知识准备2)微变等效电路法用图解法分析放大电路虽然简单直观，但不够精确。对于小信号情况下放大电路的定量分析，往往采用微变等效电路分析法。晶体管可以用微变等效电路表示，如图6-10所示。晶体管输入电阻rbe的估算公式为:晶体管输出回路是一个等效受控电流源βib，其大小和方向均受基极电流ib的控制。因此，输出回路可以看成受控电流源电路ic=βib用晶体管微变等效电路代替交流通路(图6-7)中的晶体管，就得到共发射极放大电路的微变等效电路，如图6-11所示。上一页下一页返回1.知识准备(1)电压放大倍数的估算。电压放大倍数是指放大电路的输出电压与输入电压之比。由输出回路可得由输入回路可得上一页下一页返回1.知识准备注意:放大倍数为负值，表示输出电压与输入电压的相位相反。(2)放大电路的输入电阻Ri。放大电路的输入电阻Ri就是从输入端看进去的等效电阻。由图6-11可得在实际应用中，总是希望输入电阻大一些。这是因为输入电阻越大，放大电路从信号源吸取的电流就越小，就可以减轻信号源的负担。此外，输入电阻越大，信号源内阻的压降就越小，而放大电路获得的输入电压就越高。上一页下一页返回1.知识准备(3)放大电路的输出电阻R0。放大电路的输出电阻尺)就是从输出端(不含负载电阻)看进去的等效电阻，即在实际应用中，总是希望输出电阻小一些。这是因为输出电阻越小，负载电阻的变化对输出电压的影响就越小，表明放大电路带负载的能力就越强。上一页下一页返回1.知识准备例题6-1放大电路如图6-4所示，其中β=50,RL=3kΩ。求放大倍数输入电阻Ri和输出电阻R0。上一页下一页返回1.知识准备1.2静态工作点的稳定为了使放大信号不失真，需要设置一个合适的静态工作点，并且要保持这个静态工作点的稳定。但在很多情况下，放大电路的静态工作点并不稳定。如电源电压发生变化、电路参数发生变化、晶体管老化等。最主要的原因是晶体管温度的变化引起静态工作点的变化。在这里，介绍两静态工作点稳定的放大电路:分压式偏置放大电路和集电极一基极偏置放大电路。1.2.1分压式偏置放大电路【看一看】认识分压式偏置放大电路上一页下一页返回1.知识准备1.分压式偏置放大电路的组成图6-12为分压式偏置放大电路，Rb1、Rb2分别为上、下偏置电阻，VCC经其分压后得到固定的基极电压UBQ；

RC为发射极电阻;Ce为发射极旁路电容。Rc和Ce的作用如图6-12所示。2.静态工作点的稳定如图6-13

(a)所示，I1=I2+IBQ，若使I2＞＞

IBQ，则I1≈

I2，可得故可认为UBQ为常数。上一页下一页返回1.知识准备电路的静态工作点稳定过程如下:图6-14为分压式偏置放大电路的工作原理。【算一算】电路参数的估算1.静态工作点的估算上一页下一页返回1.知识准备2.交流参数的估算由图6-13(b)可得分压式偏置放大电路的微变等效电路，如图6-15所示。由图6-15可以估算分压式偏置放大电路的交流参数如下:上一页下一页返回1.知识准备1.2.2集电极一基极偏置放大电路【学一学】集电极一基极偏置放大电路的工作原理图6-16为集电极一基极偏置放大电路和直流通路，Rb起到将UCEQ的变化反馈回输入端的作用，以稳定静态工作点。上一页下一页返回1.知识准备电路的静态工作点稳定过程如下:上一页下一页返回1.知识准备1.3认识多级放大电路在实际应用中，单级放大电路往往不能将微弱的输入电信号放大为电压、功率都满足需要的电信号。因此，常常把多个单级放大电路串联起来使用，以构成多级放大电路。在多级放大电路中，前、后相邻两级之间的连接方式称为耦合，常用的级间连接方式有直接耦合、变压器耦合、阻容耦合和光电耦合四种。1.3.1认识和比较多级放大电路的耦合方式【看一看】认识四种耦合方式图6-17为多级放大电路的四种耦合方式:直接耦合、变压器耦合、阻容耦合和光电耦合。上一页下一页返回1.知识准备【比一比】比较四种耦合方式多级放大电路耦合方式的比较如表6-1所列。1.3.2多级放大电路的分析计算进行多级放大电路的分析计算时，各级静态工作点的计算方法与单级放大电路的计算方法相同，在此不再重复介绍。分析交流特性时，放大电路的各级是相互联系的，可画出交流通路或微变等效电路进行分析计算，如图6-18所示，此图是图6-17(c)阻容耦合两级放大电路的微变等电路。【算一算】计算电压放大倍数和输入输出电阻此处，电压放大倍数和输入输出电阻的计算以图6-17(c)为例进行计算。上一页下一页返回1.知识准备1.电压放大倍数由于多级放大电路的各级是互相串联起来的，前一级的输出就是后一级的输入，所以总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即2.输入和输出电阻1)输入电阻在多级放大电路中，每一级输入电阻就是前一级的负载，多级放大电路总的输入电阻就是第一级的输入电阻，因此上一页下一页返回1.知识准备为了不使放大倍数降得太低，一般希望输入电阻越大越好。2)输出电阻从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻，就是多级放大电路的输出电阻，因此

R0≈

RC2(6.15)为了使放大电路带负载能力强，一般希望输出电阻低一些。上一页下一页返回1.知识准备例题6-2如图6-17(c)所示，已知RB1=43kΩ，RB2=20kΩ，RB3=30kΩ，RB4=15kΩ，RC1=12kΩ，RC2=3.6kΩ，rbe1=1kΩ，rbe2=1.5kΩ，β1=β2=45，RL=120kΩ。求放大倍数、输入电阻Ri和输出电阻R0。解:根据图6-18的微变等效电路可知，第二级的输入电阻就为第一级的负载电阻，即第二级的输入电阻上一页下一页返回1.知识准备上一页下一页返回第一级的放大倍数第一级的放大倍数总的电压放大倍数放大电路的输入电阻放大电路的输出电阻1.知识准备【学一学】频率特性及通频带1.阻容耦合多级放大电路的频率特性在阻容耦合放大电路中，除级间耦合电容、隔直耦合电容之外，还存在三极管结电容、分布电容等，这些电容的容抗因输入电信号的频率不同而不同，放大电路输出电信号的相位及大小会受此影响而发生变化。因此，放大电路的电压放大倍数与输入电信号的频率有关，两者之间的关系曲线称为幅频特性，如图6-19所示。2.阻容耦合多级放大电路的通频带当输入电信号的频率在一定范围内，放大电路的电压放大倍数下降到0.707倍，这个频率范围称为通频带。上一页下一页返回1.知识准备如图6-17所示，fL和fH分别称为上限频率和下限频率。输入电信号的频率过低时，级间耦合电容和隔直耦合电容的容抗较大，在放大电路中产生较大的压降而降低输出电压，使放大倍数降低。输入电信号的频率过高时，与输出电阻并联的三极管结电容及分布电容较小，使输出阻抗降低较多而降低输出电压，使放大倍数降低。多级放大电路比单级放大电路存在更多的电容，其电压放大倍数受频率变化的影响程度增加，即通频带变窄，使用时应注意。上一页返回2.任务实施【看一看】电子助记器的实物图电子助记器的实物示意和电路原理如图6-20所示。【学一学】电子助记器的电路结构及工作原理1.结构及元件作用电路由三极管VT1、VT2、

VT3、VT4组成四级放大电路，各级之间采用阻容耦合，C1、C2、C3、C4为耦合电容；R2、R4、R7、R10分别为各级晶体管基极的偏置电阻;扬声器Y是VT4的负载;BM是电路的信号源(把声音信号变为电压电流信号)。2.电路的工作原理下一页返回2.任务实施

当BM有电信号输出加到C1的正极上，经过C1耦合到VT1的基极上，经过VT1放大输出到R3上，此时第一级放大结束。第一级放大后的信号通过C3耦合加到VT2的基极上，因为偏置电阻R4比R2小，VT2的基极电流比VT1的基极电流大，因此VT2的放大能力比VT1大。电信号经过VT2放大后加到R5上，此时第二级放大结束。第二级放大后的电信号经过C4耦合送到VT3的基极，因为偏置电阻R7比R4小，VT3的基极电流比VT2的基极电流大，因此VT3的放大能力比VT2大。经过C4耦合后的信号经过VT3再次放大后送到R8上，经过C5耦合加到VT4的基极上，经过VT4放大后输出给扬声器Y，扬声器就发出声音。上一页下一页返回2.任务实施【做一做】电子助记器的安装与调试1.元器件选择参照电路原理图核对元器件数日、型号，如表6-2所列。2.元器件检测用万用表检测所需元器件。3.安装按图6-20连接好电路。把电路板焊接好后必须认真检查，不允许有短路，要确保元件安装接线正确后才能通电。通电后，应检查各元件有无发热等异常情况。上一页下一页返回2.任务实施4.电路调试与检测用万用表电流挡分别串在三极管VT1,VT2,VT3,VT4的集电极，从后级开始逐渐向前级调整偏置电阻R10、R7、R4、R2的阻值，使其电流分别为5mA,0.5mA,0.45mA,0.4mA左右。调整好偏置电阻后，检测晶体管各极的电位，判断晶体管的工作状态，把测量和判断结果记录在表6-3中。上一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识根据输入回路和输出回路公共端的不同，放大电路共有三种组态，即共发射极组态、共集电极组态和共基极组态。前面介绍过的基本放大电路和静态工作点稳定的放大电路就是共发射极组态电路。【看一看】认识放大电路的三种组态晶体管在电路中的三种基本连接方式对应着三种组态，如图6-21所示。下一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识3.1认识共集电极放大电路【看一看】认识共集电极电路图图6-22所示为共集电极放大电路的电路图、直流通路和交流通路。【学一学】共集电极放大电路的介绍共集电极放大电路由于是从发射极输出信号，所以一也称射极输出器。1.射极输出器的工作原理电源VCC给晶体管VT的集电结提供反偏电压，通过基极偏置电阻Rb给发射结提供正偏电压，使晶体管VT工作在放大状态。输入信号ui通过耦合电容C1加到晶体管的基极，经过晶体管的放大，输出信号电压u0从发射极通过输出耦合电容C2送到负载RL上。上一页下一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识2.射极输出器的静态工作点由图6-22(b)经分析可得3.射极输出器的特点(1)电压放大倍数小于1，而接近1。输出电压与输入电压同相，输出电压随着输入电压的变化而变化，所以该电路也称射极跟随器。电路虽然没有电压放大作用，但有电流放大和功率放大作用。上一页下一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识(2)输入电阻高。射极输出器的输入电阻为式中，R’L=RC//RL。射极输出器的输入电阻要比共发射极电路的大很多，可达几十千欧至几百千欧。(3)输出电阻低。射极输出器的输出电阻为式中，R’S=RS//Rb。所以，射极输出器的输出电阻较小，一般仅为几欧姆至几十欧姆。上一页下一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识3.2认识共基极放大电路【看一看】认识共基极电路图图6-23所示为共基极放大电路的电路图、直流通路和交流通路。【学一学】共基极放大电路的介绍1.共基极放大电路的工作原理在图6-23(a)的共基极放大电路中，Rc为集电极电阻，Rb1、Rb2为基极分压电阻，大电容Cb保证基极对地交流短路。在共基极放大电路中，输入信号是由三极管的发射极与基极两端输入的，再由三极管的集电极与基极两端获得输出信号。因为基极是共同接地端，所以称为共基极放大电路，如图6-23(c)所示。上一页下一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识2.共基极放大电路的静态工作点如图6-23(b)所示，共基极放大电路的直流通路与分压式偏置电路的直流通路完全相同，静态工作点的求法也相同。3.共基极放大电路的特点(1)输出电压与输入电压同相，电压放大倍数与共发射极放大电路一样。共基极放大电路的输入电流大于输出电流，没有电流放大作用。(2)输入电阻低。(3)输出电阻与共发射极放大电路的相同。【比一比】比较三种组态1.共发射极组态上一页下一页返回3.能力与知识拓展—认识共集电极放大电路的认识共发射极放大电路有较大的电压放大倍数和较大的电流放大倍数，输入电阻中等，输出电阻较大，一般只要对输入电阻、输出电阻和频率响应没有特殊要求的地方均可采用，因此)’一泛应用于低频电压放大电路的输入级、中间级和输出级。2.共集电极组态共集电极放大电路只能放大电流不能放大电压，有电压跟随的特点，输入电阻最大，输出电阻最小。常用于电压放大电路的输入级和输出级，也可以用于两级放大电路之间实现阻抗匹配。3.共基极组态共基极放大电路只能放大电压不能放大电流，输入电阻小，电压放大倍数和输出电阻与共发射极放大电路相当。频率特性是三种组态中最好的电路，常用于高频放大器、高频振荡器及宽频带放大电路。上一页返回思考与练习61.填空题(1)静态工作点Q是指放大电路静态时——、——和——对应于三极管输出特性曲线上的一个点。(2)在动态时，放大电路在——量与——量的共同作用下工作。(3)当Q点设置过低时，晶体管在正弦电压的负半周处于截止状态，iC的负半周和uCE的正半周被削平，这种失真称为——;当Q点设置过高时，晶体管在正弦电压的正半周处于饱和状态，iC的正半周和uCE的负半周被削平，这种失真称为——。(4)在实际应用中，总是希望输入电阻——些，输出电阻——些。(5)多级放大电路的耦合方式有——、——、——和——四种。(6)放大电路有——、——和——三种组态。下一页返回思考与练习62.选择题(1)在画基本放大电路的交流通路时，电容C视作——，直流电源VCC视做——。A.开路，短路;B.短路，开路;C.开路，开路;D.短路，短路。(2)放大电路的通频带是指——。A.上限频率以上的范围B.下限频率以下的范围C.上限频率与下限频率之间的范围D.上限频率以下的范围(3)当静态工作点设置过低时，放大电路——。A.可以正常工作B.处于饱和失真C.处于截止失真D.处于饱和失真和截止失真上一页下一页返回思考与练习6(4)关于放大器的输入电阻大，下面判断错误的是——。A.有利于减小前一级的负担B.降低多级放大电路的放大倍数C.可以减轻信号源的负担D.可以得到较大的输入电压(5)放大电路外接负载电阻RL后，输出电阻RO将A.不变B.增大C.减小D.等于RL(6)放大电路外接负载电阻RL后，电压放大倍数Au将A.不变B.增大C.减小D.等于13.判断题(1)在放大电路中，基极偏置电阻Rb的作用是三极管基极提供合适的偏置电流。()(2)当放大电路没有接人交流信号时，电路处于静态工作状态。()上一页下一页返回思考与练习6(3)阻容耦合放大电路可以放大变化缓慢的信号。()