城市軌道交通電工電子技術(shù)單元7 交流放大電路

單元7交流放大電路

單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.掌握共射級放大電路的結(jié)構(gòu)及個元件的作用2.了解三極管放大電路的微變等效3.掌握三極管放大電路的分析方法4.掌握分壓式偏置電路穩(wěn)定了解工作點(diǎn)的原理5.了解多級放大電路的分類及特點(diǎn)6.掌握反饋的判斷和對電路的影響7.掌握功率放大電路的工作原理

基本放大電路一般是指由一個三極管或場效應(yīng)管組成的放大電路。從電路的角度來看，可以將基本放大電路看成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。圖7-1放大電路的結(jié)構(gòu)

放大電路主要利用三極管或場效應(yīng)管的控制作用放大微弱信號，輸出信號在電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強(qiáng)。輸出信號的能量實(shí)際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負(fù)載。放大電路的結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。一.

共射極基本放大電路

1.共射極基本放大電路的組成放大電路的組成原則：(1).放大電路的核心元件晶體管工作在放大狀態(tài)，即要求其發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。(2).輸入回路的設(shè)置應(yīng)當(dāng)使輸入信號耦合到晶體管的輸入電極，并形成變化的基極電流IB，進(jìn)而產(chǎn)生晶體管的電流控制關(guān)系，變成集電極電流IC的變化。(3).輸出回路的設(shè)置應(yīng)當(dāng)保證晶體管放大后的電流信號能夠轉(zhuǎn)換成負(fù)載需要的電壓形式。(4).信號通過放大電路時不允許出現(xiàn)失真。圖7-2單管共射級放大電路

2.各元器件的作用

(1).晶體管V—晶體管是放大電路的核心元件。利用其基極小電流控制集電極較大電流的作用，使輸入的微弱電信號通過直流電源UCC提供能量，獲得一個能量較強(qiáng)的輸出電信號。(2).集電極電源UC—是為放大電路提供能量，二是保證晶體管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。交流信號下的UCC呈交流接地狀態(tài)，UCC的數(shù)值一般為幾伏至幾十伏。(3).集電極電阻RC

—RC的阻值一般為幾千歐至幾十千歐。其作用是將集電極的電流變化轉(zhuǎn)換成晶體管集、射極間的電壓變化，以實(shí)現(xiàn)由放大電路負(fù)載上獲得電壓放大的目的。(4).固定偏置電阻RB

—RB的阻值一般為幾十千歐至幾百千歐。主要作用是保證發(fā)射結(jié)正向偏置，并提供一定的基極電流IB，使放大電路獲得一個合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。(5).耦合電容C1和C2—隔離直流通過交流耦合電容對規(guī)定頻率范圍內(nèi)的交流輸入信號呈現(xiàn)的容抗極小，可近似視為短路。3.放大原理

在輸入信號為零時，直流電源通過各偏置電阻為三極管提供直流的基極電流和直流集電極電流，并在三極管的三個極間形成一定的直流電壓。由于耦合電容的隔直流作用，直流電壓無法到達(dá)放大電路的輸入端和輸出端。當(dāng)輸入交流信號通過耦合電容C1和C2加在三極管的發(fā)射結(jié)上時，發(fā)射結(jié)上的電壓變成交、直流的疊加。圖7-3波形圖

二.

放大電路的分析

放大電路的工作狀態(tài)分為交流和直流狀態(tài)，分別稱為“動態(tài)”和“靜態(tài)”。靜態(tài)—輸入信號等于0時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。動態(tài)—輸入信號不等于0時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。分析方法常用的有計算法、圖解法和微變等效電路法。1.靜態(tài)分析

當(dāng)放大電路沒有輸入信號，即ui=0時的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)。靜態(tài)分析的主要任務(wù)是確定放大電路的靜態(tài)值（直流值）IBQ、ICQ、UBEQ和UCEQ。這些靜態(tài)值的大小反映了靜態(tài)時放大電路的工作情況，被稱作“靜態(tài)工作點(diǎn)”值?！办o態(tài)工作點(diǎn)”值關(guān)系到放大電路能否正常實(shí)現(xiàn)放大及放大質(zhì)量的好壞，合適的“靜態(tài)工作點(diǎn)”值是放大電路提供正常放大的必備條件。(1).直流通路及畫法直流通路：是指放大電路中直流電流流過的路徑。它是進(jìn)行“靜態(tài)工作點(diǎn)”值估算的基礎(chǔ)。圖7-4共射極基本放大電路的直流通路(2).靜態(tài)工作點(diǎn)的估算由圖7-4共射極基本放大電路的直流通路，有

則基極電流因硅管的UBEQ為0.7V，鍺管為0.3V，一般情況下，UCC＞＞UBEQ，忽略UBEQ時，則有集電極電流集電極發(fā)射極電壓

利用在三極管輸入特性和輸出特性曲線上繪圖的方法，確定靜態(tài)工作點(diǎn)，解出各靜態(tài)值。具體步驟：（1）由公式求解出IBQ，靜態(tài)工作點(diǎn)必定位于靜態(tài)基極電流IBQ所對應(yīng)的輸出特性曲線上；（2）由集電極輸出回路，列直流負(fù)載方程式UCE=UCC－ICRC(3).靜態(tài)工作點(diǎn)的圖解法在輸出特性曲線X軸及Y軸上確定兩個特殊點(diǎn)UCC和UCC/RC，即可畫出直流負(fù)載線；（3）直流負(fù)載線與輸出特性曲線上所對應(yīng)的靜態(tài)基極電流IBQ相交一點(diǎn)Q，即為靜態(tài)工作點(diǎn)。于是可得到Q點(diǎn)在X軸上的數(shù)值UCEQ，在Y軸上的數(shù)值ICQ。如圖7-5所示。圖7-5靜態(tài)工作點(diǎn)圖解法

一般在放大電路中，均是小信號工作，不會進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，只要靜態(tài)工作點(diǎn)合適，不必考慮失真問題。但在大信號運(yùn)用時，或工作點(diǎn)設(shè)置不正確，會產(chǎn)生失真，為了具體研究三極管工作的動態(tài)范圍或失真的情況，才需要在輸出特性曲線上進(jìn)行作圖。2.動態(tài)分析

當(dāng)放大電路有輸入信號，即ui≠0時的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)分析就是分析信號在電路中的傳輸情況，即分析各個電壓、電流隨輸入信號變化的情況。(1).交流通路及畫法

交流信號在放大電路中的傳輸通道稱為交流通路。畫交流通路的原則是在信號頻率范圍內(nèi)，電路中耦合電容C1、C2的容抗XC很小，可視為短路；直流電源的內(nèi)阻一般很小，可忽略，視為短路。按此原則畫出圖7-2電路的交流通路如圖7-6所示。圖7-6共射極基本放大電路的交流通路

(2).微變等效電路分析法圖7-7微變等效電路在此處引入晶體管輸入電阻的計算公式：則圖7-6的微變等效電路如圖7-8所示。圖7-8放大電路等效電路電壓放大倍數(shù)

輸入電阻指從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻，定義為輸出電阻指放大器信號源短路、負(fù)載開路，從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，定義為

例7-1如圖7-2所示的電路中，若UCC=12V，RB=200kΩ，RC=2kΩ，負(fù)載電阻RL=2kΩ，β=50，試用近似估算法求：

(1)靜態(tài)工作點(diǎn)；(2)輸入電阻、輸出電阻；(3)空載和有載時的電壓放大倍數(shù)。解：(1)(2)(3)空載時有載時圖7-9工作點(diǎn)對放大波形的影響3.單管放大電路的波形測試

(1).波形的非線性失真飽和失真由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管特性曲線的飽和區(qū)而引起的非線性失真。截止失真由于放大電路的工作點(diǎn)達(dá)到了三極管特性曲線的截止區(qū)而引起的非線性失真。(2).放大電路的最大不失真輸出幅度

放大電路要想獲得大的不失真輸出幅度，需要工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位，并且要有合適的交流負(fù)載線。三.分壓偏置電路及靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定

1.溫度對靜態(tài)工作點(diǎn)的影響半導(dǎo)體器件對溫度非常敏感，當(dāng)溫度升高，三極管的電流放大系數(shù)β和穿透電流ICEO都會加大；在相同的發(fā)射結(jié)電壓UBE下，基極電流IB也會加大。

穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)有兩種方法：采用恒溫設(shè)備利用分壓式偏置電路實(shí)現(xiàn)2.分壓偏置放大電路為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，一般取I1＞＞IBQ，靜態(tài)時有

UB=UCCRB2/(RB1+RB2)當(dāng)UCC

、RB1、RB2確定后，UB也就基本確定，不受溫度影響。假設(shè)溫度上升，使三極管的基極電流IC增大，發(fā)射極電流IE也增大，IE在發(fā)射極電阻RE上產(chǎn)生的壓降UE也增大，使三極管發(fā)射結(jié)上的電壓UBE=UB-UE減小，從而使基極電流IB減小，又導(dǎo)致IC減小。其工作過程可以描述為：溫度T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓

圖7-10分壓式偏置電路圖7-11直流通路(1).靜態(tài)分析IEQ=ICQ=（UB-UBE）/RE

IBQ=ICQ/β

UCEQ=UCC-ICQ（RC+RE）(2).動態(tài)分析圖7-12交流通路圖7-13交流通路的微等效電路四.

多級放大電路

多級放大器級與級之間的連接方式稱為耦合

阻容耦合耦合方式變壓器耦合

直接耦合1.直接耦合放大電路

直接耦合的各級靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，并且存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。零點(diǎn)漂移是指當(dāng)輸入信號為零時，在輸出端出現(xiàn)的不規(guī)則信號。這種現(xiàn)象會使輸出信號產(chǎn)生失真。由于零點(diǎn)漂移信號是變化緩慢的信號，所以阻容耦合和變壓器耦合具有抑制零點(diǎn)漂移的作用。圖7-14直接耦合放大電路圖7-15阻容耦合放大電路2.阻容耦合放大電路

阻容耦合放大電路如圖7-15所示，這種方式的特點(diǎn)是通過電容將前后級的直流隔開，避免靜態(tài)工作點(diǎn)的相互影響；但對于頻率較低的信號電容容抗較大，所以阻容耦合多級放大器不能用于放大緩慢變化的信號，更不能放大直流信號；由于集成電路中無法制作大容量的電容而使阻容耦合電路無法集成化。五.

放大電路中的負(fù)反饋

在三極管放大電路中，由于三極管是非線性器件等各種原因，信號在放大傳遞的過程中不可避免的會產(chǎn)生失真。為了進(jìn)一步改善放大器的工作性能，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，在放大電路中引入負(fù)反饋。1.負(fù)反饋的概念

反饋就是在電子系統(tǒng)中把輸出回路的電量（電壓或電流）饋送到輸入回路的過程。存在兩類反饋：一是使輸出信號增強(qiáng)的反饋，稱為正反饋；二是使輸出信號減弱的反饋，稱為負(fù)反饋。基本放大電路反饋電路由組成

反饋網(wǎng)絡(luò)

圖7-16負(fù)反饋放大器其中xi表示輸入信號，

xf表示反饋信號，

xd表示凈輸入信號，

xo表示輸出信號。放大器的開環(huán)放大倍數(shù)：A

=xo/xd反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)：F

=xf/xo2.負(fù)反饋放大電路的分類圖7-17負(fù)反饋放大電路的反饋形式反饋的分類及判別方法(1).直流反饋和交流反饋直流反饋放大電路的直流量，可以穩(wěn)定放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。交流反饋影響放大電路的交流量，可以改善放大器的動態(tài)性能。判別方法：畫電路的直流通路和交流通路判斷。若反饋僅存在于直流通路，則為直流反饋；若反饋僅存在于交流通路，則為交流反饋；若反饋既存在于直流通路，又存在于交流通路，則為交、直流并存的反饋。換言之，直、交流反饋的判斷一般看反饋環(huán)節(jié)中有、無電容，根據(jù)電容的“通交隔直”特點(diǎn)來判斷。(2).電壓反饋和電流反饋電壓反饋是指反饋信號取自輸出電壓或輸出電壓的部分。電流反饋是指反饋信號取自輸出電路的電流。判別方法：①負(fù)載短路法：令uo=0，若反饋信號消失，則為電壓反饋；若反饋信號依然存在，則為電流反饋。②結(jié)構(gòu)判斷法：除公共地線外，若輸出線與反饋線接在同一點(diǎn)上，則為電壓反饋；若輸出線與反饋線接在不同點(diǎn)上，則為電流反饋。(3).串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋串聯(lián)反饋是反饋信號與外加輸入信號以電壓的形式相疊加（比較），即反饋信號與外加輸入信號二者相互串聯(lián)。并聯(lián)反饋是反饋信號與外加輸入信號以電流的形式相疊加（比較），即兩種信號在輸入回路并聯(lián)。判別方法：①反饋節(jié)點(diǎn)短路法：令uf=0，若輸入信號仍能送入開環(huán)放大器中，則為串聯(lián)反饋；若輸入信號被短路，則為并聯(lián)反饋。②結(jié)構(gòu)判斷法：除公共地線外，若反饋信號與輸入信號接在同一點(diǎn)上，則為并聯(lián)反饋；若反饋信號與輸入信號接在不同點(diǎn)上，則為串聯(lián)反饋。(4).正反饋+和負(fù)反饋-正反饋是經(jīng)過反饋后，使輸入量的變化得到加強(qiáng)，或者從輸出量來看，使輸出量變化變大。正反饋常常使系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定。負(fù)反饋是經(jīng)過反饋后，使輸入量的變化被削弱，或者從輸出量來看，使輸出量變化變小。負(fù)反饋可以改善電路的性能。判別方法：瞬時極性法：假設(shè)輸入信號的變化處于某一瞬時極性（用符號饋或+表示），沿閉環(huán)系統(tǒng)，逐步標(biāo)出放大器各級輸入和輸出的瞬時極性。之后按以下方法判別正、負(fù)反饋。對串聯(lián)反饋：若ui與uf同極性，為負(fù)反饋；若ui與uf反極性，為正反饋。對并聯(lián)反饋：若ii與if相對于反饋節(jié)點(diǎn)同流向，為正反饋；若ii與if相對于反饋節(jié)點(diǎn)流向相反，為負(fù)反饋。例7-2電路如圖7-18所示，試判斷電路的反饋類型。解：設(shè)基極輸入信號ui的瞬時極性為正，則發(fā)射極反饋信號uf的瞬時極性亦為正，發(fā)射結(jié)上實(shí)際得到的信號ube（凈輸入信號）與沒有反饋時相比減小了，即反饋信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負(fù)反饋。因ui與uf相串聯(lián)，所以是串聯(lián)反饋；又因令uo=0，反饋信號依然存在，則為電流反饋。所以此電路為電流串聯(lián)負(fù)反饋。圖7-18例7-2

3.射極輸出器射極輸出器是典型的負(fù)反饋放大器圖7-19射極輸出器(1).射極輸出器的特點(diǎn)a.電壓倍數(shù)近似等于1。b.輸出電壓和輸入電壓同相。c.輸入電阻大，輸出電阻小。(2).射極輸出器的應(yīng)用

a.用作多級放大電路的輸入級。輸入電阻很大，對信號源的影響很小。b.用作多級放大電路的輸出級。輸出電阻很小，可以提高帶負(fù)載能力。c.用作多級放大電路的中間級。射極輸出器具有電壓跟隨的作用，輸入電阻很大，對前級的影響?。惠敵鲭娮栊?，對后級的影響也小，所以，用作中間級起緩沖、隔離作用。4.負(fù)反饋對放大電路性能的改善

(1).降低放大倍數(shù)(2).提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性(3).減小非線性失