放大及濾波電路

..能夠把微弱的信號放大的電路叫做放大電路或放大器。例如助聽器里的關(guān)鍵部件就是一個放大器。放大電路的用途和組成放大器有交流放大器和直流放大器。交流放大器又可按頻率分為低頻、中源和高頻；接輸出信號強弱分成電壓放大、功率放大等。此外還有用集成運算放大器和特殊晶體管作器件的放大器。它是電子電路中最復(fù)雜多變的電路。但初學(xué)者經(jīng)常遇到的也只是少數(shù)幾種較為典型的放大電路。讀放大電路圖時也還是按照"逐級分解、抓住關(guān)鍵、細致分析、全面綜合〞的原那么和步驟進展。首先把整個放大電路按輸入、輸出逐級分開，然后逐級抓住關(guān)鍵進展分析弄通原理。放大電路有它本身的特點：一是有靜態(tài)和動態(tài)兩種工作狀態(tài)，所以有時往往要畫出它的直流通路和交流通路才能進展分析；二是電路往往加有負反應(yīng)，這種反應(yīng)有時在本級，有時是從后級反應(yīng)到前級，所以在分析這一級時還要能"瞻前顧后〞。在弄通每一級的原理之后就可以把整個電路串通起來進展全面綜合。下面我們介紹幾種常見的放大電路：低頻電壓放大器低頻電壓放大器是指工作頻率在20赫～20千赫之間、輸出要求有一定電壓值而不要求很強的電流的放大器?！?〕共發(fā)射極放大電路圖1〔a〕是共發(fā)射極放大電路。C1是輸入電容，C2是輸出電容，三極管VT就是起放大作用的器件，RB是基極偏置電阻,RC是集電極負載電阻。1、3端是輸入，2、3端是輸出。3端是公共點，通常是接地的，也稱"地〞端。靜態(tài)時的直流通路見圖1〔b〕，動態(tài)時交流通路見圖1〔c〕。電路的特點是電壓放大倍數(shù)從十幾到一百多，輸出電壓的相位和輸入電壓是相反的，性能不夠穩(wěn)定，可用于一般場合?！?〕分壓式偏置共發(fā)射極放大電路圖2比圖1多用3個元件?；鶚O電壓是由RB1和RB2分壓取得的，所以稱為分壓偏置。發(fā)射極中增加電阻RE和電容CE，CE稱交流旁路電容，對交流是短路的；RE那么有直流負反應(yīng)作用。所謂反應(yīng)是指把輸出的變化通過某種方式送到輸入端，作為輸入的一局部。如果送回局部和原來的輸入局部是相減的，就是負反應(yīng)。圖中基極真正的輸入電壓是RB2上電壓和RE上電壓的差值，所以是負反應(yīng)。由于采取了上面兩個措施，使電路工作穩(wěn)定性能提高，是應(yīng)用最廣的放大電路?！?〕射極輸出器圖3〔a〕是一個射極輸出器。它的輸出電壓是從射極輸出的。圖3〔b〕是它的交流通路圖，可以看到它是共集電極放大電路。這個圖中，晶體管真正的輸入是Vi和Vo的差值，所以這是一個交流負反應(yīng)很深的電路。由于很深的負反應(yīng)，這個電路的特點是：電壓放大倍數(shù)小于1而接近1，輸出電壓和輸入電壓同相，輸入阻抗高輸出阻抗低，失真小，頻帶寬，工作穩(wěn)定。它經(jīng)常被用作放大器的輸入級、輸出級或作阻抗匹配之用?！?〕低頻放大器的耦合一個放大器通常有好幾級，級與級之間的聯(lián)系就稱為耦合。放大器的級間耦合方式有三種：①RC耦合，見圖4〔a〕。優(yōu)點是簡單、本錢低。但性能不是最正確。②變壓器耦合，見圖4〔b〕。優(yōu)點是阻抗匹配好、輸出功率和效率高，但變壓器制作比擬麻煩。③直接耦合，見圖4〔c〕。優(yōu)點是頻帶寬，可作直流放大器使用，但前后級工作有牽制，穩(wěn)定性差，設(shè)計制作較麻煩。功率放大器能把輸入信號放大并向負載提供足夠大的功率的放大器叫功率放大器。例如收音機的末級放大器就是功率放大器?！?〕甲類單管功率放大器圖5是單管功率放大器，C1是輸入電容，T是輸出變壓器。它的集電極負載電阻Ri′是將負載電阻RL通過變壓器匝數(shù)比折算過來的：RC′=〔N1N2〕2RL=N2RL負載電阻是低阻抗的揚聲器，用變壓器可以起阻抗變換作用，使負載得到較大的功率。這個電路不管有沒有輸入信號，晶體管始終處于導(dǎo)通狀，靜態(tài)電流比擬大，困此集電極損耗較大，效率不高，大約只有35％。這種工作狀態(tài)被稱為甲類工作狀態(tài)。這種電路一般用在功率不太大的場合，它的輸入方式可以是變壓器耦合也可以是RC耦合?！?〕乙類推挽功率放大器圖6是常用的乙類推挽功率放大電路。它由兩個特性一樣的晶體管組成對稱電路，在沒有輸入信號時，每個管子都處于截止?fàn)顟B(tài)，靜態(tài)電流幾乎是零，只有在有信號輸入時管子才導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為乙類工作狀態(tài)。當(dāng)輸入信號是正弦波時，正半周時VT1導(dǎo)通VT2截止，負半周時VT2導(dǎo)通VT1截止。兩個管子交替出現(xiàn)的電流在輸出變壓器中合成，使負載上得到純粹的正弦波。這種兩管交替工作的形式叫做推挽電路。乙類推挽放大器的輸出功率較大，失真也小，效率也較高，一般可達60％?！?〕OTL功率放大器目前廣泛應(yīng)用的無變壓器乙類推挽放大器，簡稱OTL電路，是一種性能很好的功率放大器。為了易于說明，先介紹一個有輸入變壓器沒有輸出變壓器的OTL電路，如圖7。這個電路使用兩個特性一樣的晶體管，兩組偏置電阻和發(fā)射極電阻的阻值也一樣。在靜態(tài)時，VT1、VT2流過的電流很小，電容C上充有對地為12Ec的直流電壓。在有輸入信號時，正半周時VT1導(dǎo)通，VT2截止，集電極電流ic1方向如下圖，負載RL上得到放大了的正半周輸出信號。負半周時VT1截止，VT2導(dǎo)通，集電極電流ic2的方向如下圖，RL上得到放大了的負半周輸出信號。這個電路的關(guān)鍵元件是電容器C，它上面的電壓就相當(dāng)于VT2的供電電壓。以這個電路為根底，還有用三極管倒相的不用輸入變壓器的真正OTL電路，用PNP管和NPN管組成的互補對稱式OTL電路，以及最新的橋接推挽功率放大器，簡稱BTL電路等等。直流放大器能夠放大直流信號或變化很緩慢的信號的電路稱為直流放大電路或直流放大器。測量和控制方面常用到這種放大器?！?〕雙管直耦放大器直流放大器不能用RC耦合或變壓器耦合，只能用直接耦合方式。圖8是一個兩級直耦放大器。直耦方式會帶來前后級工作點的相互牽制，電路中在VT2的發(fā)射極加電阻RE以提高后級發(fā)射極電位來解決前后級的牽制。直流放大器的另一個更重要的問題是零點漂移。所謂零點漂移是指放大器在沒有輸入信號時，由于工作點不穩(wěn)定引起靜態(tài)電位緩慢地變化，這種變化被逐級放大，使輸出端產(chǎn)生虛假信號。放大器級數(shù)越多，零點漂移越嚴(yán)重。所以這種雙管直耦放大器只能用于要求不高的場合?！?〕差分放大器解決零點漂移的方法是采用差分放大器，圖9是應(yīng)用較廣的射極耦合差分放大器。它使用雙電源，其中VT1和VT2的特性一樣，兩組電阻數(shù)值也一樣，RE有負反應(yīng)作用。實際上這是一個橋形電路，兩個RC和兩個管子是四個橋臂，輸出電壓V0從電橋的對角線上取出。沒有輸入信號時，因為RC1=RC2和兩管特性一樣，所以電橋是平衡的，輸出是零。由于是接成橋形，零點漂移也很小。差分放大器有良好的穩(wěn)定性，因此得到廣泛的應(yīng)用。集成運算放大器集成運算放大器是一種把多級直流放大器做在一個集成片上，只要在外部接少量元件就能完成各種功能的器件。因為它早期是用在模擬計算機中做加法器、乘法器用的，所以叫做運算放大器。它有十多個引腳，一般都用有3個端子的三角形符號表示，如圖10。它有兩個輸入端、1個輸出端，上面那個輸入端叫做反相輸入端，用"—〞作標(biāo)記；下面的叫同相輸入端，用"＋〞作標(biāo)記。集成運算放大器可以完成加、減、乘、除、微分、積分等多種模擬運算，也可以接成交流或直流放大器應(yīng)用。在作放大器應(yīng)用時有：〔1〕帶調(diào)零的同相輸出放大電路圖11是帶調(diào)零端的同相輸出運放電路。引腳1、11、12是調(diào)零端，調(diào)整RP可使輸出端〔8〕在靜態(tài)時輸出電壓為零。9、6兩腳分別接正、負電源。輸入信號接到同相輸入端〔5〕，因此輸出信號和輸入信號同相。放大器負反應(yīng)經(jīng)反應(yīng)電阻R2接到反相輸入端〔4〕。同相輸入接法的電壓放大倍數(shù)總是大于1的?！?〕反相輸出運放電路也可以使輸入信號從反相輸入端接入，如圖12。如對電路要求不高，可以不用調(diào)零，這時可以把3個調(diào)零端短路。輸入信號從耦合電容C1經(jīng)R1接入反相輸入端，而同相輸入端通過電阻R3接地。反相輸入接法的電壓放大倍數(shù)可以大于1、等于1或小于1?！?〕同相輸出高輸入阻抗運放電路圖13中沒有接入R1，相當(dāng)于R1阻值無窮大，這時電路的電壓放大倍數(shù)等于1，輸入阻抗可達幾百千歐。放大電路讀圖要點和舉例放大電路是電子電路中變化較多和較復(fù)雜的電路。在拿到一放大電路圖時，首先要把它逐級分解開，然后一級一級分析弄懂它的原理，最后再全面綜合。讀圖時要注意：①在逐級分析時要區(qū)分開主要元器件和輔助元器件。放大器中使用的輔助元器件很多，如偏置電路中的溫度補償元件，穩(wěn)壓穩(wěn)流元器件，防止自激振蕩的防振元件、去耦元件，保護電路中的保護元件等。②在分析中最主要和困難的是反應(yīng)的分析，要能找出反應(yīng)通路，判斷反應(yīng)的極性和類型，特別是多級放大器，往往以后級將負反應(yīng)加到前級，因此更要細致分析。③一般低頻放大器常用RC耦合方式；高頻放大器那么常常是和LC調(diào)諧電路有關(guān)的，或是用單調(diào)諧或是用雙調(diào)諧電路，而且電路里使用的電容器容量一般也比擬小。④注意晶體管和電源的極性，放大器中常常使用雙電源，這是放大電路的特殊性。例1助聽器電路圖14是一個助聽器電路，實際上是一個4級低頻放大器。VT1、VT2之間和VT3、VT4之間采用直接耦合方式，VT2和VT3之間那么用RC耦合。為了改善音質(zhì)，VT1和VT3的本級有并聯(lián)電壓負反應(yīng)〔R2和R7〕。由于使用高阻抗的耳機，所以可以把耳機直接接在VT4的集電極回路。R6、C2是去耦電路，C6是電源濾波電容。例2收音機低放電路圖15是普及型收音機的低放電路。電路共3級，第1級〔VT1〕前置電壓放大，第2級〔VT2〕是推動級，第3級〔VT3、VT4〕是推挽功放。VT1和VT2之間采用直接耦合，VT2和VT3、VT4之間用輸入變壓器〔T1〕耦合并完成倒相，最后用輸出變壓器〔T2〕輸出，使用低阻揚聲器。此外，VT1本級有并聯(lián)電壓負反應(yīng)〔R1〕，T2次級經(jīng)R3送回到VT2有串聯(lián)電壓負反應(yīng)。電路中C2的作用是增強高音區(qū)的負反應(yīng)，減弱高音以增強低音。R4、C4為去耦電路，C3為電源的濾波電容。整個電路簡單明了。波的根本概念濾波是信號處理中的一個重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率圍的信號成分正常通過，而阻止另一局部頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。實際上，任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度〔對信號最高頻率的限制〕，頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個根本特點。而濾波器，那么是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設(shè)計出來的工程應(yīng)用電路。用模擬電子電路對模擬信號進展濾波，其根本原理就是利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時，是把信號看成是由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號，通過選擇不同的頻率成分來實現(xiàn)信號濾波。當(dāng)允許信號中較高頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做高通濾波器。當(dāng)允許信號中較低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通濾波器。當(dāng)只允許信號中某個頻率圍的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做帶通濾波器。理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如下圖。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。

濾波器頻率響應(yīng)特性的幅頻特性圖

對于濾波器，增益幅度不為零的頻率圍叫做通頻帶，簡稱通帶，增益幅度為零的頻率圍叫做阻帶。例如對于LP，從-w1當(dāng)w1之間，叫做LP的通帶，其他頻率局部叫做阻帶。通帶所表示的是能夠通過濾波器而不會產(chǎn)生衰減的信號頻率成分，阻帶所表示的是被濾波器衰減掉的信號頻率成分。通帶信號所獲得的增益，叫做通帶增益，阻帶號所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。低通濾波器低通濾波器的根本電路特點是，只允許低于截止頻率的信號通過。

〔1〕一階低通Butterworth濾波電路下列圖a和b是用運算放大器設(shè)計的兩種一階Butterworth濾波電路的電路。圖a是反相輸入一階低通濾波器，實際上就是一個積分電路，其分析方法與一階積分電路一樣。根本濾波電路

演示圖b是同相輸入的一階低通濾波器。根據(jù)給定的電路圖可以得到

對濾波器來說，更關(guān)心的是正弦穩(wěn)態(tài)是的行為特性，利用拉氏變換與富氏變換的關(guān)系，有

下列圖是上式RC=2時的幅頻特性和相頻特性波特圖。RC=2時一階Butterworth低通濾波器的頻率響應(yīng)特性

〔2〕二階低通Butterworth濾波電路下圖是用運算放大器設(shè)計的二階低通Butterworth濾波電路。二階Butterworth低通濾波電路直接采用頻域分析方法得到

其中k=1+R1/R2。令Q=1/〔3-k〕，w0=1/RC，那么可以寫成

其中k相當(dāng)于同相放大器的電壓放大倍數(shù)，叫做濾波器的通帶增益，Q叫做品質(zhì)因數(shù)，w0叫做特征角頻率。下列圖是二階低通濾波器在RC=2時的波特圖，其中圖a是Q>0.707時的效果，圖b是Q=0.707時的效果，圖c是Q<0.