《电工电子技术》-第四章

4.1放大电路的基础知识4.1.1放大电路的组成放大电路的组成如图4-1所示。图中信号源是所需放大的电信号，它可由将非电信号物理量变换为电信号的换能器提供，也可为前一级电子电路的输出信号，但它们都可等效为电压源或电流源电路，RS为它们的内阻，US为理想电压源。负载是接受放大电路输出信号的元件(或电路)，它可由将电信号变成非电信号的输出换能器构成，也可为下一级电子电路的输入电阻，一般情况下它们都可等效为一纯电阻RL(实际上它不可能为纯电阻，可能是容性阻抗也可能是感性阻抗，但为了分析问题方便起见，一般都把负载用一纯电阻RL来等效)。下一页返回4.1放大电路的基础知识信号源和负载不是放大电路的本体，但由于实际电路中信号源内阻RS及负载电阻RL不是定值，因此它们都会对放大电路的工作产生一定的影响，特别是它们与放大电路之间的连接方式(称藕合方式)，将会直接影响到放大电路的正常工作。

直流电源用以供给放大电路工作时所需要的能量，其中一部分能量转变为输出信号输出，还有一部分能量消耗在放大电路中的电阻、器件等耗能元件中。基本单元放大电路由单个三极管构成，但由于单元放大电路性能往往达不到实际要求，所以实际使用的放大电路是由基本单元放大电路组成的多级放大电路，或是由多级放大电路组成的集成放大器件构成，这样才有可能将微弱的输入信号不失真地放大到所需大小。上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识由此可见，放大电路中除含有源器件、直流电源外，还应具有提供放大电路正常工作所需直流工作点的偏置电路，以及信号源与放大电路、放大电路与负载、级与级之间的耦合电路。要求偏置电路不仅要给放大电路提供合适的静态工作点电流和电压，同时还要保证在环境温度、电源电压等外界因素变化以及器件更换时，维持工作点不变。常采用的偏置电路主要有分压式电流负反馈偏置电路、恒流源偏置电路等。藕合电路应保证有效地传输信号并使之损失最小，同时使放大电路直流工作状态不受影响。常用的藕合方式有直接耦合和电容耦合等。上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识4.1.2放大电路的主要性能指标一个放大电路性能如何，可以用许多性能指标来衡量。放大电路的主要性能指标有放大倍数、输入电阻、输出电阻等。

1.放大倍数放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，它有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等表示方法，其中电压放大倍数应用最多。 电压放大倍数Au=uo/ui

电流放大倍数Ai=io/ii

功率放大倍数Ap=po/pi上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识工程上常用分贝(dB)来表示放大倍数，称为增益，它们的定义分别为电压增益Au(dB)=20lg|Au|电流增益Ai(dB)=20lg|Ai|功率增益Ap(dB)=20lg|Ap|例如，某放大电路的电压放大倍数}A,}I=100，则电压增益为40dB。2.输入电阻放大电路的输入电阻是“从输入端向放大电路内看进去的等效电阻”，它等于放大电路输出端接实际负载电阻RL后，输入电压ui与输入电流ii之比，即Ri=ui/ii

。上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识对于信号源来说，Ri就是它的等效负载，即

ui=usRi/(RS+Ri)3.输出电阻对负载RL而言，放大电路的输出端可等效为一个信号源，等效信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。它等于“从负载两端向放大电路看进去的等效电阻”，即

Ro=(uot/uo-1)RL其中:uot为负载RL开路时放大电路的输出电压;uo为接负载RL时放大电路的输出电压。由于输出电阻Ro的存在，放大电路实际输出电压uo要比uot小，Ro越小，输出电压uot受负载RL的影响就越小。若Ro=0则uo=uot，即uo的大小将不受RL大小的影响，称为恒压输出;当RL<<Ro时即可得到恒流输出。因此，Ro的大小反映了放大电路带负载能力的大小。上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识必须指出，以上所讨论的放大电路的输入电阻和输出电阻不是直流电阻，而是在线性运用情况下的交流电阻，用符号R带有小写字母下标i和o表示。同时，在一般情况下，放大电路的RL和Ro不仅与电路参数有关，Ri还与RL有关;Ro还与RS有关。

4.通频带放大电路中通常含有电抗元件(外接的或有源放大器件内部寄生的)，它们的电抗值与信号频率有关，这就是放大电路对于不同频率的输入信号有着不同的放大能力。所以，放大电路的电压放大倍数可表示为信号频率的函数，即

上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识其中:Au(f)表示电压放大倍数的模与信号频率的关系，称为幅频特性;而则表示输出电压与输入电压之间的相位差与信号频率的关系，称为相频特性。幅频特性与相频特性总称为放大电路的频率特性或频率响应。

图4-2所示为放大电路的典型幅频特性曲线。一般情况下，在中频段的放大倍数不变，用Aum表示，在低频段和高频段放大倍数都将下降，当下降到时的低端频率和高端频率，称为放大电路的下限频率和上限频率，分别用fL和fH表示。fH和fL之间的频率范围称为放大电路的通频带，用BW表示，即BW=fH-fL

。上一页下一页返回4.1放大电路的基础知识放大电路所需的通频带由输入信号的频带来决定，为了不失真地放大信号，要求放大电路的通频带应大于信号的频带。如果放大电路的通频带小于信号的通频带，由于信号低频段或高频段的放大倍数下降过多，放大后的信号不能重现原来的形状，也就是输出信号产生了失真。这种失真称为放大电路的频率失真，由于它是由线性的电抗元件引起的，在输出信号中并不产生新的频率成分，仅是原有各频率分量的相对大小和相位发生了变化，故这种失真是一种线性失真。放大电路除了上述指标外，针对不同的使用场合，还有一些其他指标，如非线性失真系数、最大不失真输出电压、最大输出功率、效率等。上一页返回4.2基本组态放大电路4.2.1共发射极放大电路1.电路组成NPN型晶体管构成的共发射极放大电路如图4-3所示。待放大的输入信号源接到放大电路的输入端，通过电容C1与放大电路相藕合，放大后的输出信号通过电容C2的耦合，输送到负载RL,C1和C2起到藕合交流信号的作用，称为耦合电容。为了使交流信号顺利通过，要求它们在输入信号的频率范围内的容抗很小，因此，它们的容量均取得较大。在低频放大电路中，常采用有极性的电解电容器。这样，对于交流信号C1和C2可视为短路。为了不使信号源及负载对放大电路直流工作点产生影响，则要求C1和C2的漏电流应很小，即C,和C2还具有隔断直流的作用，所以，C1和C2也可称为隔直流电容器。下一页返回4.2基本组态放大电路直流电源UCC通过Rb1,Rb2,Rc,Re使晶体管获得合适的偏置，为晶体管的放大作用提供必要的条件，Rb1和Rb2称为基极偏置电阻，Re称为发射极电阻，Rc称为集电极负载电阻，利用Rc的降压作用(将晶体管集电极电流的变化转化称为集电极电压的变化)，从而实现信号的电压放大。与Re并联的电容Ce，称为发射极旁路电容，用以短路交流，使Re对放大电路的电压放大倍数不产生影响，故要求它对交流信号的容抗越小越好，因此，在低频放大电路中Ce通常也采用电解电容器。上一页下一页返回4.2基本组态放大电路2.直流分析将如图4-3所示电路中所有电容均断开即可得到该放大电路的直流通路，如图4-4所示。由图可见，晶体管的基极偏置电压是由直流电源UCC经过Rb1、Rb2的分压而获得，所以，图4-4所示电路又称为“分压式偏置电路”。当流过Rb1和Rb2的直流电流I1远大于基极电流IBQ时可得到晶体管基极直流电压UBQ为由UEQ=UBQ-UBEQ，所以晶体管发射极直流电流为

IEQ=(UBQ-UBEQ)/RE晶体管集电极、基极的直流电流分别为上一页下一页返回4.2基本组态放大电路晶体管c和e之间的直流管压降为

由于晶体管的、ICBO(ICEO)和UBE等参数都与温度有关。当温度升高时刀和ICBO(ICEO)增大，而管压降UBE下降，这些变化都将引起放大电路静态工作电流ICQ的增大;反之，若温度下降ICQ将减小。由此可见，放大电路的静态工作点会随工作温度的变化而漂移，这不但会影响放大倍数等性能，严重时还会造成输出波形的失真，甚至使放大电路无法正常工作，而分压式偏置电路可以较好地解决这一问题。若图4-4所示电路满足I1>=(5210)IBQUBQ>=(5210)UBEQ上一页下一页返回4.2基本组态放大电路则可以近似认为UBQ由Rb1、Rb2的分压而固定，与温度无关。当温度上升时，因为UBEQ=UBQ-IEQRE

，由于UBQ固定，UBEQ将随之减小，从而迫使IBQ减小，牵制了的增加，使ICQ基本维持恒定。这就是负反馈作用，它是利用直流电流ICQ(IEQ)的变化通过Re而实现负反馈作用的，所以称为直流电流负反馈。

由以上分析不难理解在分压式电流负反馈偏置电路中，当更换不同参数晶体管时，其静态工作点电流ICQ也可基本维持恒定。上一页下一页返回4.2基本组态放大电路3.性能指标分析如图4-3所示的电路中，由于C1、C2、CE的容量均较大，对交流信号可视为短路，直流电源UCC的内阻很小，对交流信号也可视为短路，这样便可得到如图4-5所示的交流通路。然后再将晶体管V用H参数小信号电路模型替换，便可得到放大电路的小信号等效电路由图可求得放大电路的下列性能指标关系式。(1)电压放大倍数Au上一页下一页返回4.2基本组态放大电路(2)输入电阻RiRi=Rb1//Rb2//rbe(3)输出电阻RoRo=Rc

4.2.2共集电极放大电路(射极输出器)1.电路组成及直流分析射极输出器的电路如图4-6所示。从图可以看出，三极管集电极直接接到直流电源上，输出信号从发射极电阻两端引出，所以称作射极输出器。从该电路的微变等效电路(图4-6)上可以看到.集电极是输入回路和输出回路的公共端.所以又称为共集放大电路门。上一页下一页返回4.2基本组态放大电路所以2.交流分析如图4-7所示。

上一页下一页返回4.2基本组态放大电路一般有，所以，而略小于1。Au略小于1，表明输出电压幅度和输入电压近似相等;Au>0，说明输出电压和输入电压同相位。故射极输出器又称为射极跟随器。上一页下一页返回4.2基本组态放大电路3.射极输出器的应用射极输出器的特点是电压跟随，即输入电阻很大、输出电阻很小、电压放大倍数接近于1而小于1。由于具有上述特点，射极输出器常被用作多级放大电路的输入级和输出级或作为隔离用的中间级。

首先，可以利用它作为测量放大器的输入级。由于它具有输入电阻高，从信号源取用的电流小的特点，因此可以提高测量精度并减小对被测电路的影响。上一页下一页返回4.2基本组态放大电路其次，在利用射极输出器作为中间级时，其高输入阻抗对前一级影响很小;对后一级来说，因它的输出电阻低，又有射极跟随性，在与输入电阻不高的共射放大电路配合时，既可保证输入相位不变，又可起到阻抗变换作用，从而提高多级放大电路的放大能力。最后，射极输出器输出电阻低，所以它带载能力强。若放大器的负载是一个变化的负载，在负载变化时，为了保证放大器的输出电压比较稳定，就要求放大器具有低输出电阻才行。这时就可以用射极输出器作为放大器的输出级。上一页返回4.3功率放大器

电子设备中，常要求放大电路的输出级带动某些负载工作。例如，使仪表指针偏转，使扬声器发声，驱动自控系统中的执行机构，等等。因而要求放大电路有足够大的输出功率。这种放大电路统称为功率放大器。4.3.1对功率放大电路的一般要求前面介绍的放大电路都是将输入信号放大的电压放大电路。对电压放大电路的要求是使负载得到放大的不失真的电压信号;对功率放大电路则主要要求它输出足够大的输出功率，一般要求有以下几点。下一页返回4.3功率放大器(1)在电子元件参数允许的范围内，放大电路的输出电压和输出电流都要有足够大的变化量，以便根据负载的要求，提供足够的输出功率。

(2)具有较高的效率。放大电路输出给负载的功率是由直流电源提供的。在输出功率较大的情况下，如果效率不高，不仅造成能量浪费，而且消耗在电路内部的电能将转换为热量，使管子、元件等温度升高。

(3)尽量减少非线性失真。由于功率放大电路的工作点变化范围大，因此，输出波形的非线性失真问题要比小信号放大电路严重得多。应对这个问题特别注意。上一页下一页返回4.3功率放大器传统的功率放大电路和负载之间往往采用变压器耦合的方式，通过变压器的阻抗变换作用，实现阻抗匹配，使负载得到最大的输出功率。这种方法频率特性差，特别是因为不利于电路的集成化，故已逐渐废除。目前的功率放大电路主要采用无输出变压器的功放电路，这类电路称为OTL,OCL型功率放大电路。4.3.2OCL互补对称式功率放大电路1.电路和工作原理OCL(OutputCapacitorLess)无输出电容，互补对称式功率放大电路，简称OCL电路，如图4-8所示。上一页下一页返回4.3功率放大器电路中两只三极管，V1为NPN型，V2为PNP型，但两管材料和特性参数相同，特性对称。由+UCC1，和-UCC2两个对称直流电源供电。该电路可以看成是两个复合的射极跟随器。下面分析电路工作原理。静态时:由于两管特性对称，供电电源对称，两管射极电位UE=0,V1和V2均截止，电路中无功率损耗。动态时:忽略发射结死区电压，在ui的正半周内，V1导通，V2截止。V1以射极输出器的形式向负载输出功率。电流方向如图4-8中实线箭头所示。上一页下一页返回4.3功率放大器最大输出电压幅度受V1管饱和的限制，约为+UCC1。在负半周，V2导通，V1截止。V2以射极输出器的形式向负载输出功率。电流方向如图4-8中虚线箭头所示。最大输出电压幅度受V2管饱和的限制，约为-UCC2

如上所述，两个三极管的静态电流均为0。这种只在信号半个周期内导通的工作状态称为乙类工作状态。在图4-8电路中，尽管两只三极管都只在半个周期内导通(工作在乙类状态)，但它们交替工作，使负载得到完整的信号波形，这种形式称为“互补”。上一页下一页返回4.3功率放大器图4-8电路的特点是:电路简单，效率高，低频响应好，易集成化。缺点是:电路输出的波形在信号过零的附近产生失真(见图4-8(b))。由于三极管输入特性存在死区，在输入信号的电压低于导通电压期间，V1和V2都截止，输出电压为零，出现了两只三极管交替波形衔接不好的现象，故出现了图4-8(b)中的失真，这种失真称为“交越失真”。

2.输出功率和效率在OCL电路中，每只三极管集电极静态电流为零，因而该电路效率高。上一页下一页返回4.3功率放大器(1)输出功率Po。当输入正弦信号时，每只三极管只在半周期内工作，忽略交越失真，并设三极管饱和压降UCES=0，在时输出电压幅度最大。最大交流输出功率为对正弦波而言，幅值与有效值之间有:所以输出功率能够达到的最大值为上一页下一页返回4.3功率放大器(2)效率直流电源送入电路的功率，一部分转化为输出功率，另一部分则损耗在三极管中。OCL电路的效率为其中:Po为电路输出功率;PE为直流电源提供的功率。每个直流电源只提供半波电流，其电流平均值是每个直流电源提供的功率上一页下一页返回4.3功率放大器两个直流电源提供的总功率OCL电路最高效率为这是OCL电路在理想情况下(UCES=0。)的最高效率。上一页下一页返回4.3功率放大器3.OTL互补对称式功放电路

OCL电路结构简单，但存在双电源供电的问题。所以在分立元件电路中常用单电源互补对称功放电路，又称OTL(OutTransformerLess)电路。

OTL电路如图4-9所示。它与图4-8的OCL电路相比，去掉了负电源，接入了一个隔直流的电容器C。

静态时:调整R1大小，由于三极管V1和V2对称，可使UE=UA=UCC/2。上一页下一页返回4.3功率放大器动态时:输入信号ui叠加在静态值UA=UCC/2上。当ui为正半周时，ui>UCC/2,V1导通，V2截止。输出回路电流路径为UCC->V1->C->RL。公共端，电流方向如图4-9中实线所示，此时电容器C被充电;当ui为负半周时，UA<UCC/2,V2导通，V1截止，输出回路由已充电的电容器放电来提供电流，电流路径为C(+)->V2->公共端->RL->C(-)。电流方向如图4-9中虚线所示。

RL在以上过程中获得完整的正弦电流。在上述过程中，V1导通时对电容器C充电;V2导通时电容器C放电。只要电容C的容量选得足够大，使电容充、放电时间常数远大于信号周期，那么在信号变化过程中，电容两端的电压就基本保持不变，电容器就起到了电源的作用。上一页下一页返回4.3功率放大器

4.功率放大电路的集成器件在功率放大电路方面，从元件到电路系统，目前都有品种繁多的集成功放器件可供选用。例如，单片集成功率晶体管LM195便是单片集成功率晶体管中的一个典型产品。它比分立的功率晶体管具有更好的性能:它带有内部保护电路，且总电流放大倍数可达106，基极驱动电流只需3μA，可产生1.8A的集电极电流。又如，5G37集成功率放大器，内部是由两级直接藕合电路组成的功率放大电路，当电源电压为6~20V时，能向8Ω负载提供2~3W不失真功率。再如集成功放LM384，可以经阻容耦合向8Ω.负载提供5W输出功率。随着电子技术的发