多級(jí)放大電路及集成運(yùn)算放大器

第3章多級(jí)放大電路及集成運(yùn)

算放大器

3.1多級(jí)放大電路

3.2差動(dòng)式放大電路3.3功率放大電路

3.4集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)介

13.1多級(jí)放大電路

在實(shí)際的電子設(shè)備中，為了得到足夠大的放大倍數(shù)或者使輸入電阻和輸出電阻達(dá)到指標(biāo)要求，一個(gè)放大電路往往由多級(jí)組成。多級(jí)放大電路由輸入級(jí)、中間級(jí)及輸出級(jí)組成，如圖3.1所示。于是，可以分別考慮輸入級(jí)如何與信號(hào)源配合，輸出級(jí)如何滿足負(fù)載的要求，中間級(jí)如何保證放大倍數(shù)足夠大。各級(jí)放大電路可以針對(duì)自己的任務(wù)來(lái)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，本章只討論由輸入級(jí)到輸出級(jí)組成的多級(jí)小信號(hào)放大電路。2

圖3.1多級(jí)放大電路框圖

33.1.1級(jí)間耦合方式多級(jí)放大電路是將各單級(jí)放大電路連接起來(lái)，這種級(jí)間連接方式稱為耦合。要求前級(jí)的輸出信號(hào)通過(guò)耦合不失真地傳輸?shù)胶蠹?jí)的輸入端。常見的耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合及直接耦合三種形式。下面分別介紹三種耦合方式。

1.阻容耦合阻容耦合是利用電容器作為耦合元件將前級(jí)和后級(jí)連接起來(lái)。這個(gè)電容器稱為耦合電容，如圖3.2所示。第一級(jí)的輸出信號(hào)通過(guò)電容器C2和第二級(jí)的輸入端相連接。4圖3.2阻容耦合兩級(jí)放大電路(a)電路;(b)直流通路5圖3.2阻容耦合兩級(jí)放大電路(a)電路;(b)直流通路6阻容耦合的優(yōu)點(diǎn)是：前級(jí)和后級(jí)直流通路彼此隔開，每一級(jí)的靜態(tài)工件點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響。便于分析和設(shè)計(jì)電路。因此，阻容耦合在多級(jí)交流放大電路中得到了廣泛應(yīng)用。阻容耦合的缺點(diǎn)是：信號(hào)在通過(guò)耦合電容加到下一級(jí)時(shí)會(huì)大幅衰減，對(duì)直流信號(hào)（或變化緩慢的信號(hào)）很難傳輸。在集成電路里制造大電容很困難，不利于集成化。所以，阻容耦合只適用于分立元件組成的電路。7

2.變壓器耦合變壓器耦合是利用變壓器將前級(jí)的輸出端與后級(jí)的輸入端連接起來(lái)，這種耦合方式稱為變壓器耦合，如圖3.3所示。將V1的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器T1送到V2的基極和發(fā)射極之間。V2的輸出信號(hào)經(jīng)T2耦合到負(fù)載RL上。Rb11、Rb12和Rb21、Rb22分別為V1管和V2管的偏置電阻，Cb2是Rb21和Rb22的旁路電容，用于防止信號(hào)被偏置電阻所衰減。8圖3.3變壓器耦合兩級(jí)放大電路9變壓器耦合的優(yōu)點(diǎn)是：由于變壓器不能傳輸直流信號(hào)，且有隔直作用，因此各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響。變壓器在傳輸信號(hào)的同時(shí)還能夠進(jìn)行阻抗、電壓、電流變換。變壓器耦合的缺點(diǎn)是：體積大、笨重等，不能實(shí)現(xiàn)集成化應(yīng)用。10

3.直接耦合直接耦合是將前級(jí)放大電路和后級(jí)放大電路直接相連的耦合方式，這種耦合方式稱為直接耦合，如圖3.4所示。直接耦合所用元件少，體積小，低頻特性好，便于集成化。直接耦合的缺點(diǎn)是：由于失去隔離作用，使前級(jí)和后級(jí)的直流通路相通，靜態(tài)電位相互牽制，使得各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響。另外還存在著零點(diǎn)漂移現(xiàn)象?，F(xiàn)討論如下：（1）靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制。如圖3.4所示，不論V1管集電極電位在耦合前有多高，接入第二級(jí)后，被V2管的基極鉗制在0.7V左右，致使V2管處于臨界飽和狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)電路無(wú)法正常工作。11

圖3.4直接耦合放大電路12(2)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。由于溫度變化等原因，使放大電路在輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因是由于溫度變化而引起的。因而，零點(diǎn)漂移的大小主要由溫度所決定。要使用直接耦合的多級(jí)放大電路，必須解決靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響和零點(diǎn)漂移問(wèn)題，解決方法我們將在差動(dòng)式放大電路中討論。13

3.1.2耦合對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?.信號(hào)源和輸入級(jí)之間的關(guān)系信號(hào)源接放大電路的輸入級(jí)，輸入級(jí)的輸入電阻就是它的負(fù)載，因此可歸結(jié)為信號(hào)源與負(fù)載的關(guān)系。如圖3.5所示，放大電路的輸入電壓和輸入電流可用下面兩式計(jì)算：(3—1)(3—2)14圖3.5信號(hào)源內(nèi)阻、放大電路輸入電阻對(duì)輸入信號(hào)的影響(a)信號(hào)源內(nèi)阻降低輸入電壓;(b)信號(hào)源內(nèi)阻降低輸入電流15

2.各級(jí)間關(guān)系中間級(jí)級(jí)間的相互關(guān)系歸結(jié)為：前級(jí)的輸出信號(hào)為后級(jí)的信號(hào)源，其輸出電阻為信號(hào)源內(nèi)阻，后級(jí)的輸入電阻為前級(jí)的負(fù)載電阻。如圖3.6所示,第二級(jí)的輸入電阻為第一級(jí)的負(fù)載，第三級(jí)的輸入電阻為第二級(jí)的負(fù)載，依次類推。1）多級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)因?yàn)?6所以總的電壓放大倍數(shù)為即總的電壓放大倍數(shù)為各級(jí)放大倍數(shù)的連乘積。2）多級(jí)放大電路的輸入、輸出電阻多級(jí)放大電路的輸入電阻就是第一級(jí)的輸入電阻，其輸出電阻就是最后一級(jí)的輸出電阻，如圖3.6所示。17例3.1電路如圖3.2所示，已知UCC=6V，Rb1=430Ω，Rc1=2kΩ，Rb2=270kΩ，Rc2=1.5kΩ，rbe2=1.2kΩ，β1=β2=50,C1=C2=C3=10μF，rbe1=1.6kΩ，求：(1)電壓放大倍數(shù)；(2)輸入電阻、輸出電阻。

解(1)電壓放大倍數(shù)18在工程上電壓放大倍數(shù)常用分貝表示，折算公式為上題用分貝可表示為(2）輸入電阻、輸出電阻19

3.1.3組合放大電路根據(jù)前面分析：三種基本組態(tài)電路的性能各有特點(diǎn)，根據(jù)三種組態(tài)電路不同的特點(diǎn)，將其中任意兩種組態(tài)相組合，可以構(gòu)成不同的放大電路，使其更適合實(shí)際電路的需要。下面介紹幾種常見的組合放大電路。

1.共集－共射極組合電路如圖3.7所示，電路增益主要由共射極電路提供，共集電極電路主要用來(lái)提高輸入電阻。輸入電阻20電壓放大倍數(shù)因?yàn)樗允街?1圖3.7共集—共射極組合電路(a)共集—共射極組合電路;(b)共集—共射極組合電路交流通路22圖3.7共集—共射極組合電路(a)共集—共射極組合電路;(b)共集—共射極組合電路交流通路23

2.共射—共基極組合放大電路如圖3.8所示，由于后級(jí)的輸入電阻為前級(jí)的輸出負(fù)載電阻，而共基極組態(tài)電路的輸入電阻很小，使前級(jí)共射極組態(tài)電路的電壓增益減小，因此，組合電路的電壓增益主要由共基電路提供。24圖3.8共射－共基極組合放大電路(a)共射－共基極組合電路;25

圖3.8共射－共基極組合放大電路(b)共射－共基極組合電路交流通路輸入電阻2627

3.1.4放大電路的頻率特性在實(shí)際應(yīng)用中，放大器所放大的信號(hào)并非單一頻率，例如，語(yǔ)言、音樂(lè)信號(hào)的頻率范圍在20～20000Hz，圖像信號(hào)的頻率范圍在0~6MHz，還有其它范圍。所以，要求放大電路對(duì)信號(hào)頻率范圍內(nèi)的所有頻率都具有相同的放大效果，輸出才能不失真地重顯輸入信號(hào)。實(shí)際電路中存在的電容、電感元件及三極管本身的結(jié)電容效應(yīng)，對(duì)交流信號(hào)都具有一定的影響。所以，對(duì)不同頻率具有不同的放大效果。因這種原因所產(chǎn)生的失真稱為頻率失真。28

1.幅頻特性共射極放大電路的幅頻特性如圖3.9所示。從幅頻特性曲線上可以看出，在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)，曲線平坦，這個(gè)頻率范圍稱為中頻區(qū)。在中頻區(qū)之外的低頻區(qū)和高頻區(qū)，放大倍數(shù)都要下降。引起低頻區(qū)放大倍數(shù)下降的原因是由于耦合電容C1、C2及Ce的容抗隨頻率下降而增大所引起。29

圖3.9共射極放大電路的幅頻特性(a)電路；(b)幅頻特性30高頻區(qū)放大倍數(shù)的下降原因是由于三極管結(jié)電容和雜散電容的容抗隨頻率增加而減小所引起。結(jié)電容通常為幾十到幾百皮法，雜散電容也不大，因而頻率不高時(shí)可視為開路。在高頻時(shí)輸入的電流被分流，使得IC減小，輸出電壓降低，導(dǎo)致高頻區(qū)電壓增益下降，如圖3.10所示。31

圖3.10高頻通路32

2.通頻帶把放大倍數(shù)Aum下降到時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱為下限頻率fL和上限頻率fH，夾在上限頻率和下限頻率之間的頻率范圍稱為通頻帶fBW。(3—4)兩級(jí)放大電路的幅頻特性如圖3.11所示。由圖可見，多級(jí)放大電路雖然提高了中頻區(qū)的放大倍數(shù)，但通頻帶變窄了，這是一個(gè)重要的概念。33

圖3.11兩級(jí)放大電路的通頻帶34

圖3.11兩級(jí)放大電路的通頻帶35

圖3.11兩級(jí)放大電路的通頻帶363.2差動(dòng)式放大電路

前面提到了在多級(jí)放大電路中采用直接耦合存在著兩個(gè)特殊問(wèn)題，一是靜態(tài)工作點(diǎn)的相互影響，二是零點(diǎn)漂移。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，可采用差動(dòng)式放大電路。

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3.2.1基本差動(dòng)式放大電路圖3.12所示為基本差動(dòng)式放大電路，它由兩個(gè)完全相同的單管共射極電路組成。差動(dòng)式放大電路有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端，要求電路對(duì)稱，即V1、V2的特性相同，外接電阻對(duì)稱相等，各元件的溫度特性相同，即Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，RS1=RS2。38圖3.12基本差動(dòng)式放大電路39

1.工作原理1)靜態(tài)分析靜態(tài)時(shí)Ui1=Ui2=0。由于電路左右對(duì)稱，輸入信號(hào)為零時(shí)，IC1=IC2，UC1=UC2，則輸出電壓

Uo=ΔUC1-ΔUC2=0當(dāng)電源電壓波動(dòng)或溫度變化時(shí)，兩管集電極電流和集電極電位同時(shí)發(fā)生變化。輸出電壓仍然為零?？梢姡M管各管的零漂存在，但輸出電壓為零，從而使得零漂得到抑制。402)動(dòng)態(tài)分析（1）差模輸入。放大器的兩個(gè)輸入端分別輸入大小相等極性相反的信號(hào)(即Ui1=-Ui2)，這種輸入方式稱為差模輸入。差模輸入信號(hào)差模輸出電壓41差模電壓放大倍數(shù)即差動(dòng)式放大電路的差模電壓放大倍數(shù)等于單管共射極電路的電壓放大倍數(shù)。由于Rbrbe，如果接上RL，則式中42由于兩管對(duì)稱，RL的中點(diǎn)電位不變相當(dāng)于交流的地電位，對(duì)于單管來(lái)講負(fù)載是RL的一半，即RL。輸入電阻

ri=2(RS+rbe)(3—6)因此輸入回路經(jīng)兩個(gè)管的發(fā)射極和兩個(gè)RS，則輸出電阻ro=2Rc(3—7）因此輸出端經(jīng)過(guò)兩個(gè)Rc。43(2)共模輸入。在差動(dòng)式放大電路的兩個(gè)輸入端，分別加入大小相等極性相同的信號(hào)(即Ui1=Ui2)，這種輸入方式稱為共模輸入。共模輸入信號(hào)用Uic表示。共模輸入時(shí)(Uic=Ui1=Ui2)的輸出電壓與輸入電壓之比稱為共模電壓放大倍數(shù)，用Ac表示。在電路完全對(duì)稱的情況下，輸入信號(hào)相同，輸出端電壓Uo=Uo1-Uo2=0,故Ac=Uo/Ui=0,即輸出電壓為零，共模電壓放大倍數(shù)為零。這種情況稱為理想電路。44(3)抑制零點(diǎn)漂移的原理。在差動(dòng)式放大電路中，無(wú)論是電源電壓波動(dòng)或溫度變化都會(huì)使兩管的集電極電流和集電極電位發(fā)生相同的變化,相當(dāng)于在兩輸入端加入共模信號(hào)。由于電路的完全對(duì)稱性,使得共模輸出電壓為零，共模電壓放大倍數(shù)Ac=0，從而抑制了零點(diǎn)漂移。這時(shí)電路只放大差模信號(hào)。45

3.共模抑制比在理想狀態(tài)下，即電路完全對(duì)稱時(shí)，差動(dòng)式放大電路對(duì)共模信號(hào)有完全的抑制作用。實(shí)際電路中，差動(dòng)式放大電路不可能做到絕對(duì)對(duì)稱，這時(shí)Uo≠0，Ac≠0，即共模輸出電壓不等于零。共模電壓放大倍數(shù)不等于零，Ac=Uo/ΔUi。為了衡量差動(dòng)式電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力,引入共模抑制比，用KCMRR表示。(3—8)46共模抑制比的大小反映了差動(dòng)式放大電路差模電壓放大倍數(shù)是共模電壓放大倍數(shù)的KCMRR倍，(3—9)47由上式可以看出，KCMRR越大，差動(dòng)式放大電路放大差模信號(hào)（有用信號(hào)）的能力越強(qiáng)，抑制共模信號(hào)（無(wú)用信號(hào)）的能力越強(qiáng)，即KCMRR越大越好。理想差動(dòng)式電路的共模抑制比KCMRR→∞。后面我們將討論如何提高共模抑制比。由于KCMRR＝|Ad/Ac|,即在保證Aud不變的情況下，如何降低Ac，從而提高KCMRR。48

3.2.2帶Re的差動(dòng)式放大電路上面介紹的基本差動(dòng)式放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制是靠電路兩側(cè)的對(duì)稱性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但對(duì)于各管自身的工作點(diǎn)漂移沒(méi)有抑制作用，若采用單端輸出，則差模和共模放大倍數(shù)相等，這時(shí)KCMRR＝1，失去了差動(dòng)式放大電路的作用。即使是雙端輸出，由于實(shí)際電路的不完全對(duì)稱性，仍然有共模電壓輸出。改進(jìn)方法是在不降低Aud的情況下，降低Ac從而提高共模抑制比。帶公共Re的差動(dòng)式放大電路如圖3.13所示，這種電路也稱為長(zhǎng)尾式差動(dòng)放大電路。由于KCMRR是由差模電壓放大倍數(shù)和共模電壓放大倍數(shù)共同決定的，下面分別分析Re對(duì)共模電壓放大倍數(shù)和差模電壓放大倍數(shù)的影響。49圖3.13帶Re的差動(dòng)式放大電路50

1.靜態(tài)分析如圖3.14所示，由于流過(guò)Re的電流為IE1和IE2之和，又由于電路的對(duì)稱性，則IE1=IE2，流過(guò)Re的電流為2IE1。靜態(tài)工作點(diǎn)的估算：51圖3.14直流等效電路（a）直流偏置電路；（b）直流等效電路52

2.穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的過(guò)程加Re后，當(dāng)溫度上升時(shí)，由于IC1和IC2同時(shí)增大，穩(wěn)定過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)負(fù)反饋過(guò)程，關(guān)于負(fù)反饋在第四節(jié)講解。T(°C)↑→IC1↓IC1↑IC2↑IC2↓→IE↑→URe↑→UE↑→UBE1↓→IB1↓UBE2↓→IB2↓53

Re越大工作點(diǎn)越穩(wěn)定，但Re過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)UE高使靜態(tài)電流減小，加入負(fù)電源-UEE可補(bǔ)償Re上的壓降。3.動(dòng)態(tài)分析（1）Re對(duì)差模信號(hào)的影響。如圖3.15所示，加入差模信號(hào)時(shí)由于Ui1=-Ui2，則ΔIE1=-ΔIE2，流過(guò)Re的電流ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=0。對(duì)差模信號(hào)來(lái)講，Re上沒(méi)有信號(hào)壓降，即Re對(duì)差模電壓放大倍數(shù)沒(méi)有影響。差模電壓放大倍數(shù)

54圖3.15Re對(duì)差模放大倍數(shù)的影響55（2）Re對(duì)共模信號(hào)的影響。如圖3.16加入共模信號(hào)時(shí)，由于Ui1=Ui2，則ΔIE1=ΔIE2，流過(guò)Re1的電流ΔIE=ΔIE1+ΔIE2=2ΔIE1，ΔUE=2ΔIE1Re，對(duì)于共模信號(hào)可以等效成每管發(fā)射極接入2Re的電阻。其中輸入電阻輸出電阻56即Re使共模電壓放大倍數(shù)減小，而且Re越大，Ac越小，KCMRR越大。共模電壓放大倍數(shù)為不加Re時(shí)57

圖3.16輸入共模信號(hào)

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圖3.16輸入共模信號(hào)

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3.2.3具有恒流源的差動(dòng)式放大電路通過(guò)對(duì)帶Re的差動(dòng)式放大電路的分析可知，Re越大，KCMRR越大，但增大Re，相應(yīng)的UEE也要增大。顯然，使用過(guò)高的UEE是不合適的。此外,Re直流能耗也相應(yīng)增大。所以，靠增大Re來(lái)提高共模抑制比是不現(xiàn)實(shí)的。設(shè)想，在不增大UEE時(shí)，如果Re→∞，Ac→0,則KCMRR→∞，這是最理想的。為解決這個(gè)問(wèn)題，用恒流源電路來(lái)代替Re，電路如圖3.17(a)所示。V3管采用分壓式偏置電路，無(wú)論V1、V2管有無(wú)信號(hào)輸入，Ib3恒定，IC3恒定，所以V3稱為恒流管。

60圖3.17具有恒流源的差動(dòng)式放大電路61圖3.17具有恒流源的差動(dòng)式放大電路62圖3.17中IC3=IE3，由于IC3恒定，IE3恒定，則ΔIE→0，這時(shí)動(dòng)態(tài)電阻rd為

恒流源對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)呈現(xiàn)出高達(dá)幾兆歐的電阻，而直流壓降不大，可以不增大UEE。rd相當(dāng)于Re，所以對(duì)差模電壓放大倍數(shù)Ad無(wú)影響。對(duì)共模電壓放大倍數(shù)Ac相當(dāng)于接了一個(gè)無(wú)窮大的Re，所以Ac→0，這時(shí)KCMRR→∞。實(shí)現(xiàn)了在不增加UEE的同時(shí)，提高了共模抑制比的目的。恒流源電路可用恒流源符號(hào)表示，如圖3.17(b)所示。63

3.2.4差動(dòng)式放大電路的輸入輸出方式由于差動(dòng)式放大電路有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端,所以信號(hào)的輸入和輸出有四種方式，這四種方式分別是雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出、單端輸入單端輸出。根據(jù)不同需要可選擇不同的輸入、輸出方式。

1.雙端輸入雙端輸出電路如圖3.18所示，其中,差模電壓放大倍數(shù)為

式中64此電路適用于輸入、輸出不需要接地，對(duì)稱輸入，對(duì)稱輸出的場(chǎng)合。輸入電阻輸出電阻65圖3.18雙端輸入雙端輸出66

2.單端輸入雙端輸出如圖3.19所示，信號(hào)從一只管子（指V1）的基極與地之間輸入，另一只管子的基極接地,表面上似乎兩管不是工作在差動(dòng)狀態(tài)，但是，若將發(fā)射極公共電阻Re換成恒流源，那么，IC1的任何增加將等于IC2的減少，也就是說(shuō)，輸出端電壓的變化情況將和差動(dòng)輸入（即雙端輸入）時(shí)一樣。此時(shí)，V1、V2管的發(fā)射極電位UE將隨著輸入電壓Ui而變化，變化量為Ui/2，于是，V1管的Ube=Ui-Ui/2=Ui/2，V2管的Ube=0-Ui/2=-Ui/2。這樣來(lái)看，單端輸入的實(shí)質(zhì)還是雙端輸入，可以將它歸結(jié)為雙端輸入的問(wèn)題。所以，它的Ad、ri、ro的估算與雙端輸入雙端輸出的情況相同。此電路適用于單端輸入轉(zhuǎn)換成雙端輸出的場(chǎng)合。67

3.單端輸入單端輸出圖3.20為單端輸入單端輸出的接法。信號(hào)只從一只管子的基極與地之間接入，輸出信號(hào)從一只管子的集電極與地之間輸出，輸出電壓只有雙端輸出的一半，電壓放大倍數(shù)Aud也只有雙端輸出時(shí)的一半。式中輸入電阻輸出電阻（3—10）(3—12)(3—11)68此電路適用于輸入輸出均有一端接地的場(chǎng)合。

圖3.20單端輸入單端輸出

694.雙端輸入單端輸出圖3.21所示電路，其輸入方式和雙端輸入相同，輸出方式和單端輸出相同，它的Ad、ii、ro的計(jì)算和單端輸入單端輸出相同。此電路適用于雙端輸入轉(zhuǎn)換成單端輸出的場(chǎng)合。從幾種電路的接法來(lái)看，只有輸出方式對(duì)差模放大倍數(shù)和輸入、輸出電阻有影響，不論哪一種輸入方式，只要是雙端輸出，其差模放大倍數(shù)就等于單管放大倍數(shù)，單端輸出差模電壓放大倍數(shù)為雙端輸出的一半。70圖3.21雙端輸入單端輸出713.3功率放大電路

功率放大電路與電壓放大器的區(qū)別是，電壓放大器是多級(jí)放大器的前級(jí)，它主要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行電壓放大，主要技術(shù)指標(biāo)為電壓放大倍數(shù)、輸入阻抗及輸出阻抗等。而功率放大電路則是多級(jí)放大器的最后一級(jí)，它要帶動(dòng)一定負(fù)載，如揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)、儀表、繼電器等，所以，功率放大電路要求獲得一定的不失真輸出功率。72

3.3.1功率放大電路的特點(diǎn)及分類

1.特點(diǎn)（1）輸出功率足夠大。為獲得足夠大的輸出功率，功放管的電壓和電流變化范圍應(yīng)很大。為此，它們常常工作在大信號(hào)狀態(tài)，接近極限工作狀態(tài)。（2）效率高。功率放大器的效率是指負(fù)載上得到的信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比。對(duì)于小信號(hào)電壓放大器來(lái)講，由于輸出功率較小，電源供給的直流功率也小，因此效率問(wèn)題就不需要考慮。73（3）非線性失真小。功率放大器是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，電壓、電流擺動(dòng)幅度很大，極易超出管子特性曲線的線性范圍而進(jìn)入非線性區(qū)造成輸出波形的非線性失真。因此，功率放大器比小信號(hào)的電壓放大器的非線性失真問(wèn)題嚴(yán)重。在實(shí)際應(yīng)用中，有些設(shè)備對(duì)失真問(wèn)題要求很嚴(yán)，因此，要采取措施減小失真，使之滿足負(fù)載的要求。(4)保護(hù)及散熱。功放管承受高電壓、大電流，因而功放管的保護(hù)及散熱問(wèn)題也應(yīng)重視。功率放大器工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍大，因此只適宜用圖解法進(jìn)行分析。74

2.功率放大器的分類功率放大器一般是根據(jù)功放管工作點(diǎn)選擇的不同進(jìn)行分類的。有甲類、乙類及甲乙類功率放大器。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)在負(fù)載線性段的中點(diǎn)，整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)都有電流IC通過(guò)時(shí)，如圖3.22（a）所示，稱為甲類功放。若將靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)在橫軸上，則IC僅在半個(gè)信號(hào)周期內(nèi)通過(guò)，其輸出波形被削掉一半，如圖3.22（b）所示，稱為乙類功放。若將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)在線性區(qū)的下部靠近截止區(qū)，則其IC的流通時(shí)間為多半個(gè)信號(hào)周期，輸出波形被削掉一部分。如圖3.22（c）所示，稱為甲乙類功放。75圖3.22功率放大器的分類（a）甲類功放;（b）乙類功放;（c）甲乙類功放76圖3.22功率放大器的分類（a）甲類功放;（b）乙類功放;（c）甲乙類功放77圖3.22功率放大器的分類（a）甲類功放;（b）乙類功放;（c）甲乙類功放78

3.3.2乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放如果電路處在甲類放大狀態(tài)，則靜態(tài)工作電流大，因而效率低。若用一個(gè)管子組成甲乙類或乙類放大電路，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放，既可保持靜態(tài)時(shí)功耗小，又可減小失真，如圖3.23所示。79圖3.24ui為正半周時(shí)的工作情況80

1.電路組成及工作原理選用兩個(gè)特性接近的管子，使之都工作在乙類狀態(tài)。一個(gè)在正弦信號(hào)的正半周工作，另一個(gè)在負(fù)半周工作，便可得到一個(gè)完整的正弦波形。

2.分析計(jì)算由于在正?；パa(bǔ)對(duì)稱功率放大電路中，V1、V2管交替對(duì)稱各工作半周，因此，分析V1、V2管工作的半周情況，可推知整個(gè)放大器的電壓、電流波形?，F(xiàn)以V1管工作的半周情況為例進(jìn)行分析。81當(dāng)ui=0時(shí)，iB1=iB=0，iC1=iC=0，uCE1=uCE=UCC。電路工作在Q點(diǎn)，如圖3.24所示，當(dāng)ui≠0時(shí)，交流負(fù)載線的斜率為-1/Rc。因此，過(guò)Q點(diǎn)作斜率為-1/R′L的直線即為交流負(fù)載線。如輸入信號(hào)ui足夠大，則可求出Ic的最大幅值Icm和Uce的最大幅值Ucem=UCC-Uces=IcmRL≈UCC。根據(jù)以上分析，可求出工作在乙類的互補(bǔ)對(duì)稱電路的輸出功率Po、管耗PV、直流電源供給的功率PU和效率η。82圖3.24ui為正半周時(shí)的工作情況83（1）輸出功率Po。輸出功率用輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積來(lái)表示。設(shè)輸出電壓的幅值為Uom，則因?yàn)?/p>

即84(2）管耗PV。設(shè)uo=Uomsinωt時(shí)，則V1管的管耗為兩管管耗85（3）直流供給功率PU。直流電源供給的功率包括負(fù)載得到的功率和V1、V2管消耗的功率兩部分。當(dāng)ui=0時(shí)：當(dāng)ui≠0時(shí)：則（4）效率η。當(dāng)Uom≈UCC時(shí)：86由于Uom≈UCC忽略了管子的飽和壓降Uces，所以實(shí)際效率比這個(gè)數(shù)值要低一些。

87

3.3.3甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路效率比較高，但由于三極管的輸入特性存在有死區(qū)，而形成交越失真。采用甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路(如圖3.25所示)，可以克服交越失真問(wèn)題。其原理是靜態(tài)時(shí)，在V1、V2管上產(chǎn)生的壓降為V3、V4管提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)恼妷?，使之處于微?dǎo)通狀態(tài)。由于電路對(duì)稱，靜態(tài)時(shí)iC1=iC2，io=0，Uo=0。有信號(hào)時(shí)，由于電路工作在甲乙類，即使ui很小，也基本上可線性放大。88圖3.25二極管偏置互補(bǔ)對(duì)稱電路

89但上述偏置方法的偏置電壓不易調(diào)整，而在圖3.26所示電路中，設(shè)流入V4管的基極電流遠(yuǎn)小于流過(guò)R1、R2的電流，則可求出Uce4=UBE4（R1+R2）/R2。因此，利用V4管的UBE4基本為一固定值（0.6~0.7V），只要適當(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2的比值，就可改變V1、V2管的偏壓值。這種方法常稱為UBE擴(kuò)大電路，在集成電路中經(jīng)常用到。90

圖3.26擴(kuò)大電路91

3.3.4采用復(fù)合管的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

1.復(fù)合管在功率放大電路中，如果負(fù)載電阻較小，并要求得到較大的功率，則電路必須為負(fù)載提供很大的電流。如RL=4Ω，額定功率PN=16W，則由PN=I2RL可得負(fù)載電流有效值為2A，若管子的β=20，則基極電流IB=100mA。一般很難從前級(jí)獲得這樣大的電流，因此需設(shè)法進(jìn)行電流放大。通常在電路中采用復(fù)合管。92所謂復(fù)合管就是把兩只或兩只以上的三極管適當(dāng)?shù)剡B接起來(lái)等效成一只三極管。連接時(shí)，應(yīng)遵守兩條規(guī)則：①在串聯(lián)點(diǎn)，必須保證電流的連續(xù)性；②在并接點(diǎn)，必須保證總電流為兩個(gè)管子電流的代數(shù)和。復(fù)合管的連接形式共有四種，如圖3.27所示。93圖3.27復(fù)合管的四種連接形式94圖3.27復(fù)合管的四種連接形式95圖3.27復(fù)合管的四種連接形式96圖3.27復(fù)合管的四種連接形式97觀察圖3.27可知：(1)復(fù)合管的極性取決于推動(dòng)級(jí)。即V1為NPN型，則復(fù)合管就為NPN型。(2)輸出功率的大小取決于輸出管V2。(3)若V1和V2管的電流放大系數(shù)為β1、β2，則復(fù)合管的電流放大系數(shù)β≈β1·β2。98

3.3.5功率放大器的應(yīng)用實(shí)例1.OCL功率放大電路

圖3.33為一高保真功率放大器的典型應(yīng)用電路，其中V1、V2、V3管組成的恒流源差動(dòng)放大器為前置放大級(jí)，除了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大外，還有溫度補(bǔ)償和抑制零漂的作用。V4、V5管構(gòu)成中間放大級(jí)。V7到V10管為準(zhǔn)互補(bǔ)OCL電路，作為輸出級(jí)。Re7~Re10可使電路穩(wěn)定。V6管及Re4、Re5構(gòu)成“UBE擴(kuò)大電路”，調(diào)節(jié)Re4可改變加在V7、V8管基極間的電壓，以消除交越失真。Rf、C1和Rb2構(gòu)成串聯(lián)負(fù)反饋，以提高電路穩(wěn)定性并改善性能。99圖3.33OCL功率放大器應(yīng)用電路

100

2.OTL功率放大電路圖3.34所示電路是一個(gè)OTL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，用作電視機(jī)伴音功放。其中V1管構(gòu)成前置電壓放大級(jí)，信號(hào)經(jīng)C3耦合至V2構(gòu)成的推動(dòng)級(jí)，R14形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋，以改善放大性能。C2、C4、C7為相位補(bǔ)償元件，用以防止高頻自激。V3、V4管構(gòu)成互補(bǔ)功率輸出級(jí)。C6將信號(hào)耦合到負(fù)載RL上。R11、R12為限流電阻，防止開機(jī)時(shí)功放管中電流過(guò)大而燒壞功放管。V3、V4管的靜態(tài)工作點(diǎn)由V2管的靜態(tài)電流及R6、R7、R8、R9決定。其中R8是熱敏電阻，其阻值隨溫度升高而減小，可穩(wěn)定功放管的靜態(tài)電流。電阻R10連接在V2管的基極與電容C6的正極之間，構(gòu)成直流負(fù)反饋，以穩(wěn)定C6正極的電位為UCC/2。101圖3.34OTL互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器實(shí)用電路

102H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(B3F6IaLdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v