《 城市軌道交通電工電子（第2版）》（課件） 項(xiàng)目9 放大電路

項(xiàng)目9放大電路項(xiàng)目導(dǎo)讀放大電路是具有放大電信號(hào)功能的電子電路，在城市軌道交通廣播、電氣控制等系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)目主要介紹常見(jiàn)的放大電路，如共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路、多級(jí)放大電路、功率放大電路、集成運(yùn)算放大器等的相關(guān)知識(shí)。知識(shí)目標(biāo)213熟悉放大電路的組成。掌握共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路等單級(jí)放大電路的特點(diǎn)。掌握多級(jí)放大電路的組成、耦合方式及特性。45掌握互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路的工作原理。掌握集成運(yùn)算放大器的組成、分類及使用常識(shí)。能力目標(biāo)020103能夠測(cè)試基本放大電路。能夠安裝與調(diào)試集成功率放大器。能夠測(cè)試集成運(yùn)算放大電路的性能指標(biāo)。思政目標(biāo)020103養(yǎng)成勇于探索、樂(lè)于奉獻(xiàn)的創(chuàng)新精神。養(yǎng)成求真務(wù)實(shí)、開(kāi)拓進(jìn)取的工作作風(fēng)。厚植愛(ài)國(guó)愛(ài)黨、服務(wù)人民的社會(huì)主義情懷。CONTENTS1放大電路概述2功率放大電路3集成運(yùn)算放大器放大電路概述任務(wù)9.1任務(wù)引入在電子電路中，通常會(huì)涉及很多關(guān)于微弱信號(hào)放大的問(wèn)題。例如，地鐵廣播系統(tǒng)需要將微小的電流信號(hào)放大至足夠功率以供揚(yáng)聲器發(fā)聲，壓力傳感器需要將微小的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成較大的電流信號(hào)以便于被檢測(cè)。地鐵廣播系統(tǒng)、壓力傳感器等的信號(hào)放大功能，都是通過(guò)放大電路實(shí)現(xiàn)的。那么，什么是放大電路？放大電路的工作原理又是什么呢？放大電路是由三極管（或場(chǎng)效應(yīng)管）、電阻、電容、電源等組成的，其作用是將微弱變化的電信號(hào)（非電信號(hào)可通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)）放大成幅度足夠大且與原信號(hào)變化規(guī)律一致的信號(hào)。如圖9-1所示為放大電路的信號(hào)放大過(guò)程，放大電路將小能量的輸入信號(hào)放大成較大能量的輸出信號(hào)。9.1.1放大電路的組成和分類1．放大電路的組成圖9-1放大電路的信號(hào)放大過(guò)程9.1.1放大電路的組成和分類2．放大電路的分類（1）根據(jù)信號(hào)源的不同，放大電路可分為交流放大電路和直流放大電路。（2）根據(jù)工作頻率的不同，放大電路可分為低頻放大電路、中頻放大電路和高頻放大電路。（3）根據(jù)集成程度的不同，放大電路可分為分立器件放大電路和集成放大電路。（4）根據(jù)三極管連接方式的不同，放大電路可分為共發(fā)射極放大電路、共基極放大電路和共集電極放大電路。（5）根據(jù)放大電路級(jí)數(shù)的不同，放大電路可分為單級(jí)放大電路和多級(jí)放大電路。9.1.2放大電路的基本分析方法1．靜態(tài)分析2．動(dòng)態(tài)分析9.1.3常見(jiàn)放大電路1．單級(jí)放大電路1）共發(fā)射極放大電路如圖9-2所示為共發(fā)射極放大電路。輸入信號(hào)從三極管的基極和發(fā)射極之間輸入，放大后的輸出信號(hào)從三極管的集電極和發(fā)射極之間輸出。圖9-2共發(fā)射極放大電路9.1.3常見(jiàn)放大電路9.1.3常見(jiàn)放大電路2）共集電極放大電路如圖9-3所示為共集電極放大電路。在此電路中，交流信號(hào)從基極輸入，從發(fā)射極輸出，因此該電路又稱為射極輸出器。共集電極放大電路是電流放大電路，主要特點(diǎn)是：電壓放大倍數(shù)略小于1，輸出電壓與輸入電壓同相，輸入電阻高，輸出電阻低。圖9-3共集電極放大電路9.1.3常見(jiàn)放大電路2．多級(jí)放大電路如圖9-4所示為多級(jí)放大電路的組成示意圖。它們?cè)陔娐分蟹謩e起到如下作用。（1）輸入級(jí)用于實(shí)現(xiàn)與信號(hào)源的銜接并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。為減小信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)輸入信號(hào)的影響，輸入級(jí)應(yīng)具有較高的輸入電阻。（2）中間級(jí)用于將微弱的輸入電壓信號(hào)放大到足夠的幅度，即進(jìn)行電壓放大。（3）輸出級(jí)用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足輸出負(fù)載所需要的功率，并實(shí)現(xiàn)和負(fù)載的阻抗匹配。圖9-4多級(jí)放大電路的組成示意圖1）多級(jí)放大電路的組成9.1.3常見(jiàn)放大電路2）多級(jí)放大電路的耦合方式多級(jí)放大電路前后兩級(jí)之間的連接稱為耦合。常用的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合等。圖9-5直接耦合的兩級(jí)放大電路（1）直接耦合。直接耦合是指各級(jí)放大電路直接通過(guò)導(dǎo)線相連的連接方式。如圖9-5所示為直接耦合的兩級(jí)放大電路，其中前級(jí)放大電路的輸出端直接與后級(jí)放大電路的輸入端相連。直接耦合的多級(jí)放大電路具有良好的頻率特性，既能放大高頻交流信號(hào)，又能放大緩慢變化的低頻交流信號(hào)，甚至直流信號(hào)。9.1.3常見(jiàn)放大電路圖9-6阻容耦合的兩級(jí)放大電路（2）阻容耦合。阻容耦合是指各級(jí)放大電路之間通過(guò)電容和電阻相連的連接方式。如圖9-6所示為阻容耦合的兩級(jí)放大電路。阻容耦合的多級(jí)放大電路零點(diǎn)漂移幅度較小，且具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在分立器件電路中有較多的應(yīng)用。9.1.3常見(jiàn)放大電路圖9-7變壓器耦合的兩級(jí)放大電路（3）變壓器耦合。變壓器耦合是指各級(jí)放大電路之間通過(guò)耦合變壓器相連的連接方式。如圖9-7所示為變壓器耦合的兩級(jí)放大電路。9.1.3常見(jiàn)放大電路3）多級(jí)放大電路的特性任務(wù)實(shí)施----測(cè)試基本放大電路任務(wù)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備：直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器各1臺(tái)，毫伏表1塊，3DG6三極管1只，電阻（1kΩ、4.7kΩ、10kΩ、3.3kΩ、6.8kΩ）5個(gè)，電位器（100kΩ）1個(gè)，電容（10μF、47μF）2個(gè)，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線若干。實(shí)施步驟1．連接電路2．調(diào)試最佳靜態(tài)工作點(diǎn)3．放大倍數(shù)的測(cè)量學(xué)生根據(jù)自己的答題情況進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和錯(cuò)題記錄，并將相應(yīng)內(nèi)容填入表9-2中。表9-2基本放大電路的測(cè)試評(píng)分表任務(wù)評(píng)價(jià)序號(hào)內(nèi)容評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實(shí)訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動(dòng)思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實(shí)際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯(cuò)1處扣10分20分

3實(shí)施結(jié)果測(cè)量和計(jì)算過(guò)程正確，否則每錯(cuò)1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯(cuò)1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

功率放大電路任務(wù)9.2任務(wù)引入在乘坐城市軌道交通列車出行時(shí)，乘客往往需要通過(guò)列車廣播系統(tǒng)來(lái)獲取列車運(yùn)行方向、列車到達(dá)站點(diǎn)等信息，而列車廣播系統(tǒng)的功能則需通過(guò)功率放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在功率放大電路的作用下，列車廣播系統(tǒng)將微小的音頻信號(hào)放大成功率盡可能大的交流信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作，向乘客傳遞相關(guān)服務(wù)信息。那么，什么是功率放大電路？功率放大電路的工作原理又是什么呢？以最小的失真、最高的效率向負(fù)載提供盡可能大的輸出功率的放大電路，稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放電路。功放電路中的主要功能器件為三極管，又稱功放管。29.2.1功率放大電路概述1．功率放大電路應(yīng)滿足的要求輸出功率盡可能大。1效率盡可能高。非線性失真盡可能小。34散熱性盡可能好9.2.1功率放大電路概述2．功率放大電路工作狀態(tài)的分類根據(jù)三極管工作狀態(tài)的不同，可將功率放大電路的工作狀態(tài)分為甲類、乙類和甲乙類三種，如圖9-9所示。甲類工作狀態(tài)的靜態(tài)工作點(diǎn)位于放大區(qū)，其靜態(tài)功耗大，效率低，但失真較?。灰翌惞ぷ鳡顟B(tài)的靜態(tài)工作點(diǎn)位于截止區(qū)，其靜態(tài)功耗接近于零，效率高，但存在嚴(yán)重的失真；甲乙類工作狀態(tài)的靜態(tài)工作點(diǎn)接近截止區(qū)，其靜態(tài)功耗小，效率高，且失真現(xiàn)象較乙類輕。（a）甲類

（b）乙類

（c）甲乙類圖9-9功率放大電路的工作狀態(tài)雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，又稱無(wú)輸出電容功率放大電路，簡(jiǎn)稱OCL電路，如圖9-10所示。9.2.2雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路圖9-10OCL電路1靜態(tài)分析9.2.2雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路1．工作原理靜態(tài)時(shí)，由于兩只三極管的基極都未加偏置電壓，因此，它們都不導(dǎo)通，輸出電流為零，工作于截止區(qū)，屬于乙類工作狀態(tài)。此時(shí)，兩只三極管發(fā)射極的電位為零，負(fù)載上無(wú)電流。2動(dòng)態(tài)分析9.2.2雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路（a）輸入信號(hào)（b）輸出信號(hào)圖9-11OCL電路的輸入、輸出信號(hào)1最大輸出功率9.2.2雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路2．性能參數(shù)計(jì)算2電源功率9.2.2雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路3效率9.2.2雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路4管耗9.2.3單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路圖9-13OTL電路單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，又稱無(wú)輸出變壓器功率放大電路，簡(jiǎn)稱OTL電路，如圖9-13所示。設(shè)輸入信號(hào)為正弦電壓，如圖9-14（a）所示。

獲得完整的輸出電壓，如圖9-14（b）所示。（a）輸入信號(hào)（b）輸出信號(hào)圖9-14OTL電路的輸入、輸出信號(hào)9.2.4集成功率放大器集成功率放大器具有輸出功率大、頻率特性好、非線性失真小、外圍器件少、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用在收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)、音響系統(tǒng)等設(shè)備中。LM386常作為音頻放大電路在電話機(jī)或袖珍收音機(jī)上使用，其外形如圖9-15（a）所示。LM386為8腳雙列直插塑料封裝結(jié)構(gòu)，其各引腳接線示意圖如圖9-15（b）所示。（a）外形（b）引腳接線示意圖圖9-15LM386的引腳9.2.4集成功率放大器LM386是一種通用型寬帶集成功率放大器，采用的是OTL電路，適用的電源電壓為4～10V，常溫下的功耗約為660mW。如圖9-16所示為L(zhǎng)M386的應(yīng)用接線圖。圖9-16LM386的應(yīng)用接線圖任務(wù)實(shí)施----安裝與調(diào)試功率放大電路任務(wù)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備：直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器各1臺(tái)，萬(wàn)用表、交流毫伏表各1塊，LM386集成功率放大器1片，電阻（5.1kΩ、1kΩ）2個(gè)，電容（220μF、10μF、0.01μF）3個(gè)，揚(yáng)聲器1個(gè)，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線若干。實(shí)施步驟（1）根據(jù)圖9-17所示電路連接各類實(shí)驗(yàn)器材。圖9-17實(shí)驗(yàn)電路（2）用萬(wàn)用表直流電壓擋測(cè)量集成功率放大器各管腳的靜態(tài)工作電壓，并將測(cè)量結(jié)果填入表9-3中。表9-3靜態(tài)工作電壓的測(cè)量結(jié)果（3）測(cè)量最大不失真功率。（4）測(cè)量功率放大電路的效率。學(xué)生根據(jù)自己的答題情況進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和錯(cuò)題記錄，并將相應(yīng)內(nèi)容填入表9-5中。表9-2基本放大電路的測(cè)試評(píng)分表任務(wù)評(píng)價(jià)序號(hào)內(nèi)容評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實(shí)訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動(dòng)思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實(shí)際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯(cuò)1處扣10分20分

3實(shí)施結(jié)果測(cè)量過(guò)程正確，否則每錯(cuò)1處扣5分；計(jì)算結(jié)果正確，否則每錯(cuò)1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯(cuò)1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

集成運(yùn)算放大器任務(wù)9.3任務(wù)引入集成運(yùn)算放大器是應(yīng)用最為廣泛的一種集成電路，由集成運(yùn)算放大器制成的各類芯片在城市軌道交通中有著各式各樣的應(yīng)用。例如，在城市軌道交通列車機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，通常會(huì)設(shè)有壓力傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)氣缸前后腔之間的壓力差。當(dāng)氣缸發(fā)生故障時(shí)，壓力傳感器受力發(fā)生改變，并將微小的壓力信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)變成可檢測(cè)的電流信號(hào)，發(fā)送到列車控制室，向列車駕駛員示警。那么，集成運(yùn)算放大器是如何工作的？具體又該如何使用呢？9.3.1集成運(yùn)算放大器的組成與圖形符號(hào)集成運(yùn)算放大器一般由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路四部分組成，如圖9-18所示。圖9-18集成運(yùn)算放大器的組成1．集成運(yùn)算放大器的組成如圖9-19所示為集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)。圖9-19集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)2．集成運(yùn)算放大器的圖形符號(hào)9.3.2集成運(yùn)算放大器的分類集成運(yùn)算放大器主要有以下幾種分類方式。（1）根據(jù)用途的不同，集成運(yùn)算放大器可分為通用型集成運(yùn)算放大器和專用型集成運(yùn)算放大器兩大類。（2）根據(jù)供電電源的不同，集成運(yùn)算放大器可分為雙電源集成運(yùn)算放大器和單電源集成運(yùn)算放大器兩大類。其中，單電源集成運(yùn)算放大器采用特殊設(shè)計(jì)，在放大交流信號(hào)時(shí)失真較小。（3）根據(jù)制作工藝的不同，集成運(yùn)算放大器可分為雙極型集成運(yùn)算放大器、單極型集成運(yùn)算放大器和雙極-單極型集成運(yùn)算放大器三類。1開(kāi)環(huán)差模增益9.3.3集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)1．集成運(yùn)算放大器的主要參數(shù)2開(kāi)環(huán)共模增益3共模抑制比9.3.3集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)開(kāi)環(huán)共模增益是指集成運(yùn)算放大器本身的共模增益，它反映了集成運(yùn)算放大器抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質(zhì)集成運(yùn)算放大器的應(yīng)接近于零。共模抑制比是指集成運(yùn)算放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)與其對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)之比，可用來(lái)綜合衡量集成運(yùn)算放大器的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，其值一般應(yīng)大于80dB。4差模輸入電阻6輸入失調(diào)電流9.3.3集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)差模輸入電阻是指在差模信號(hào)作用下集成運(yùn)算放大器的輸入電阻。輸入失調(diào)電壓是指當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，在輸入端所要施加的使輸出電壓也為零的補(bǔ)償電壓。5輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電流反映了輸入級(jí)差放管輸入電流的對(duì)稱程度。其值為當(dāng)輸出電壓為零時(shí)集成運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端電流之差的絕對(duì)值。1輸入保護(hù)9.3.3集成運(yùn)算放大器的使用常識(shí)2．集成運(yùn)算放大器的保護(hù)正常工作情況下，集成運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的差模輸入電壓應(yīng)不大于二極管的正向?qū)妷?，共模輸入電壓取值?yīng)在-U～U之間。因此，為防止集成運(yùn)算放大器電壓過(guò)大，須連接相應(yīng)的輸入保護(hù)電路，如圖9-20所示。（a）防止差模電壓過(guò)大（b）防止共模電壓過(guò)大圖9-20