《電子技術(shù)》課件第2章

第2章基本放大電路2.1

放大電路的基礎(chǔ)知識(shí)2.2放大電路的分析方法2.3放大電路的三種接法2.4放大電路的級(jí)聯(lián)2.5功率放大電路本章小結(jié)習(xí)題二2.1放大電路的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1放大器的組成電路

1.放大器的組成框圖放大電路的作用是將微弱的輸入信號(hào)不失真地加以放大,以便進(jìn)行有效的觀察、測(cè)量和利用。放大器的種類很多,如小信號(hào)放大器、大信號(hào)放大器(功率放大器)、直流放大器(能放大很低頻率甚至零頻率的信號(hào))、低頻放大器(信號(hào)頻率低于幾百千赫茲)、寬帶放大器和諧振放大器等。無論哪一種放大電路,其基本框圖都如圖2.1.1所示?；痉糯箅娐肥菢?gòu)成多級(jí)放大器的單元電路。圖2.1.1放大電路的基本框圖在圖2.1.1中,信號(hào)源提供放大電路的輸入信號(hào),它具有一定的內(nèi)阻;放大電路由三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等具有放大作用的有源器件組成,它能將輸入信號(hào)進(jìn)行放大,得到功率較大的輸出信號(hào);負(fù)載接在放大電路的輸出端,接收被放大了的輸出信號(hào)并使之發(fā)揮作用,如擴(kuò)音系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器。此外,一般放大電路都需要直流電源,以提供電路所需要的電功率、工作電壓及工作電流。由一個(gè)放大器件(例如三極管)組成的簡單放大電路就是基本放大電路。下面將介紹共發(fā)射極基本放大電路。

2.共發(fā)射極基本放大電路一種較典型的共發(fā)射極基本放大電路如圖2.1.2(a)所示。由于發(fā)射極為輸入回路、輸出回路的公共端,因此稱為共發(fā)射極放大電路,簡稱共射電路。圖2.1.2(b)為該電路的習(xí)慣畫法。圖2.1.2單級(jí)共發(fā)射極基本放大電路及其習(xí)慣畫法三極管V是放大電路的核心,起電流放大作用,產(chǎn)生放大作用的外部條件是:發(fā)射結(jié)正向偏置,集電結(jié)反向偏置?；鶚O(偏置)電阻RB與UCC

配合,保證管子的發(fā)射結(jié)為正偏,同時(shí)供給基極電路一合適的直流電流IB(稱為偏置電流)。RB對(duì)集電極電流和集電極電壓也有影響,RB太小或太大電路都不能正常放大。集電極電阻RC與直流電源UCC配合使三極管集電結(jié)反偏,保證三極管工作在放大區(qū)。同時(shí)RC能把集電極電流iC的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榧姌O電壓uCE的變化,從而把放大的電流轉(zhuǎn)化為放大了的電壓輸出。所以,RC稱為集電極負(fù)載電阻。直流電源UCC與RB、RC和三極管配合,使電路中的三極管工作在放大區(qū),為放大電路的工作提供能量,同時(shí)也為輸出信號(hào)提供能量。交流信號(hào)在放大器之間的傳遞稱為耦合,C1、C2正是起著這種作用,所以叫耦合電容。C1、C2在電路中的另一個(gè)作用是隔斷直流,因?yàn)橛蠧1

、C2,所以放大器的直流電壓和電流才不會(huì)受到信號(hào)源和輸出負(fù)載的影響。放大器的負(fù)載電阻RL通常接在B點(diǎn)、O點(diǎn)之間?？傊?放大電路是一個(gè)整體,需要各元器件之間合理搭配,各負(fù)其責(zé),互相配合,電路才能正常工作,將輸入信號(hào)不失真地加以放大。2.1.2放大器的工作原理在分析放大器的工作原理以前,先對(duì)有關(guān)符號(hào)進(jìn)行說明。在基本放大電路中,同時(shí)存在著直流量和交流量。某一時(shí)刻的電壓或電流的數(shù)值,稱為瞬時(shí)值。以基極電流為例,各種符號(hào)所代表的意義如下:

IB——基極電流直流分量(字母大寫,下標(biāo)大寫)。

ib——基極電流交流分量(字母小寫,下標(biāo)小寫)。

iB——基極電流瞬時(shí)值(字母小寫,下標(biāo)大寫)。

Ib——基極電流交流分量的有效值。

Ibm——基極電流交流分量的最大值。圖2.1.3所示為基極電流的直流分量、交流分量、基極電流的瞬時(shí)值的波形。圖(b)中電流的交流分量可以表示為ib=Ibmsinωt=

Ibsinωt;圖(c)中電流的瞬時(shí)值可以表示為iB=IB+ib,它是電流直流分量IB與交流分量ib的疊加。圖2.1.3基極電流波形

1.放大電路的工作狀態(tài)及其特點(diǎn)在沒有輸入信號(hào)(ui=0)時(shí),放大電路的工作狀態(tài)稱為直流狀態(tài)或簡稱靜態(tài)。靜態(tài)時(shí),電路中具有固定不變的電流、電壓值,即IB、UBE和IC、UCE,確定三極管輸入和輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn),稱為靜態(tài)工作點(diǎn),常用Q來表示,對(duì)應(yīng)的直流量也用下標(biāo)Q表示,如IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ。理想的Q點(diǎn)應(yīng)處在放大區(qū),以便為電路的放大創(chuàng)造條件。當(dāng)輸入交流信號(hào)后(ui≠0),電路處于交流狀態(tài)或動(dòng)態(tài)。動(dòng)態(tài)時(shí)電路中電流、電壓的瞬時(shí)值uBE、iB、iC、uCE

由直流分量加交流分量而成,即在靜態(tài)工作點(diǎn)的基礎(chǔ)上隨輸入信號(hào)ui做相應(yīng)的變化。由于設(shè)置了靜態(tài)工作點(diǎn),因此三極管不論是處在靜態(tài)還是處在動(dòng)態(tài),它始終工作在放大區(qū)。

2.放大電路的工作原理下面以圖2.1.2所示的電路來說明共發(fā)射極放大電路的工作原理。圖2.1.4為共發(fā)射極基本放大電路的工作波形圖,這些波形圖都可以通過實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。若三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)為UBEQ、IBQ、ICQ、UCEQ,對(duì)應(yīng)圖2.1.4中各波形的直流分量,則當(dāng)正弦信號(hào)ui輸入時(shí),發(fā)射結(jié)兩端電壓uBE、基極電流iB、集電極電流iC、集電極兩端電壓uCE的瞬時(shí)值的表達(dá)式分別如下：

uBE=UBE+ui

iB=IB+ib

iC=IC+ic

uCE=UCE+uce它們的波形圖如圖2.1.4所示。這些波形圖的一個(gè)共同點(diǎn)是:它們均由直流分量和交流分量兩部分疊加而成。uCE中的直流成分UCE被耦合電容C2隔斷,交流成分uCE經(jīng)C2傳送到輸出端,輸出電壓為uo=uCE。圖2.1.4共發(fā)射極基本放大電路的工作波形觀察圖2.1.4中的波形圖,有兩個(gè)事實(shí)需要注意:

(1)uo與ui相位相反。

(2)由于三極管的電流放大作用,因此集電極電流的直流分量和交流分量均有放大,IC=βIB,ic=βib。集電極電流iC的波形圖的幅值比基極電流iB的波形圖的幅值大;uCE的波形圖的幅值比uBE的波形圖的幅值大;uo的波形圖的幅值比ui的波形圖的幅值大。

只要電路的參數(shù)選擇適當(dāng),uo的幅值可以比ui的幅值大得多,達(dá)到放大電壓的目的。所以放大電路的放大原理實(shí)質(zhì)是:輸入微弱的信號(hào)電壓ui通過三極管的放大作用,得到放大的三極管集電極的電流iC,iC又在RC的作用下轉(zhuǎn)換成放大的輸出電壓uo。以上分析的是共發(fā)射極放大電路的情況,除了共發(fā)射極放大電路外,還有共集電極電路和共基極電路,它們的放大特性各有不同。2.1.3放大器的主要性能指標(biāo)一個(gè)放大電路可以用等效網(wǎng)絡(luò)來模擬,如圖2.1.5所示。圖中的電壓和電流均用有效值表示。放大電路的主要性能指標(biāo)有:放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶、最大輸出功率和效率、最大輸出幅值和非線性失真系數(shù)等。圖2.1.5放大器的等效網(wǎng)絡(luò)

1.放大倍數(shù)放大倍數(shù)又稱增益,是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。它定義為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值。

(1)電壓放大倍數(shù):(2)電流放大倍數(shù):(2.1.1)(2.1.2)式中,Uo和Ui、

Io和Ii分別為輸出和輸入交流電壓、電流的有效值。

(3)功率放大倍數(shù)(功率增益)Ap:對(duì)于純電阻負(fù)載,它等于輸出功率Po與輸入功率Pi之比,即(2.1.3)式(2.1.3)加絕對(duì)值是由于Ap恒為正,而Au或Ai可正可負(fù)。注意,各種放大倍數(shù)僅在輸出波形沒有明顯失真時(shí)才有意義。工程上常用分貝(dB)表示放大倍數(shù)的大小,即

Au(dB)=20lg(Au)(2.1.4)

Ai(dB)=20lg(Ai)(2.1.5)

Ap(dB)=10lg(Ap)(2.1.6)

例如,Au=1000000,用分貝表示則為Au=120dB。

2.輸入電阻輸入電阻ri就是從放大電路輸入端往放大器里邊看進(jìn)去的等效交流電阻。如圖2.1.6所示,它定義為(2.1.7)

ri的大小反映了放大電路從信號(hào)源吸取信號(hào)的能力,當(dāng)然ri越大越好。圖2.1.6放大電路的輸入電阻

3.輸出電阻輸出電阻ro就是從放大電路的輸出端往放大器里邊看進(jìn)去的等效交流電阻。從輸出端來看,放大器相當(dāng)于一個(gè)電壓源Uo′和一個(gè)電阻ro串聯(lián)的電路。圖2.1.5中的ro就是放大器的輸出電阻。下面介紹求放大器的輸出電阻ro的兩種方法。

1)外加電壓法如圖2.1.7所示,根據(jù)電路分析理論,讓信號(hào)源短路(ui=0),保留內(nèi)阻Rs,將RL開路,然后在輸出端加一交流測(cè)試電壓uT,將會(huì)產(chǎn)生一電流iT,則輸出電阻為(2.1.8)圖2.1.7放大電路的輸出電阻

2)實(shí)驗(yàn)法如圖2.1.5所示,從輸出端看放大電路,它相當(dāng)于一個(gè)帶內(nèi)阻的電壓源。根據(jù)電路基礎(chǔ)知識(shí),這個(gè)內(nèi)阻就是放大電路的輸出電阻ro,電壓源的電壓是uo′,它是放大電路空載(即RL開路)時(shí)測(cè)出的輸出電壓。因此,測(cè)量輸出電阻的實(shí)驗(yàn)方法是:保持信號(hào)源不變,在放大電路空載(即RL開路)時(shí)測(cè)出輸出電壓為uo′,接上負(fù)載RL后測(cè)出輸出電壓為uo,因?yàn)樗?2.1.9)輸出電阻ro越小,接上負(fù)載RL后輸出電壓uo越大,說明放大電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)。因此,輸出電阻ro反映了放大電路帶負(fù)載能力的強(qiáng)弱,當(dāng)然輸出電阻ro越小越好。

4.通頻帶 因?yàn)榉糯笃麟娐分杏须娙菰?、電感元?電容、電感對(duì)不同頻率的交流電有不同的阻抗,所以同一個(gè)放大器對(duì)不同頻率正弦信號(hào)的放大倍數(shù)是不一樣的。一般來說,頻率太高或頻率太低放大倍數(shù)都要下降,只有對(duì)某一頻率段放大倍數(shù)才較高且基本保持不變,設(shè)這時(shí)的放大倍數(shù)為Aum,當(dāng)放大倍數(shù)下降為0.707Aum時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率分別稱為上限頻率fH和下限頻率fL。上、下限頻率之間的頻率范圍稱為放大器的通頻帶,如圖2.1.8所示。通頻帶有時(shí)也簡稱為頻響,它反映了一個(gè)放大器能夠適應(yīng)的輸入信號(hào)的頻率范圍。例如,對(duì)一個(gè)好的音頻功放來說,頻響應(yīng)不小于20Hz~20kHz。圖2.1.8放大電路的通頻帶

5.最大輸出功率和效率放大器的最大輸出功率是指它能向負(fù)載提供的最大交流功率,用Pomax表示。放大器的輸出功率通過三極管的能量控制作用,把直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能輸出。這樣就有一個(gè)轉(zhuǎn)化效率的問題,規(guī)定放大器輸出的最大功率Pomax與所消耗的直流電的總功率PE之比稱為放大器的效率η,即(2.1.10)

6.最大輸出幅值最大輸出幅值表示放大器能供給的最大輸出電壓(或輸出電流)的大小,用Uomax或Iomax表示。

7.非線性失真系數(shù)

對(duì)應(yīng)某一頻率的正弦電壓輸入,輸出波形通常會(huì)含有一定數(shù)量的諧波。它們的總量與基波成分之比稱為非線性失真系數(shù)。2.2放大電路的分析方法

2.1節(jié)定性地分析了放大器的基礎(chǔ)原理,下面對(duì)放大器進(jìn)一步定量分析。對(duì)放大電路的分析包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析可確定電路的靜態(tài)工作點(diǎn),以判斷電路能否正常放大,有圖解法和估算法兩種方法,而動(dòng)態(tài)分析包括圖解法和微變等效電路法。2.2.1共發(fā)射極基本放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)時(shí),放大電路中各處的電壓、電流都是固定不變的直流。所謂求靜態(tài)工作點(diǎn),就是在已知放大電路元件參數(shù)的條件下求UBEQ、IBQ、ICQ、UCEQ。設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)是為了讓三極管始終工作在放大區(qū),為電路的放大創(chuàng)造條件。由于小信號(hào)放大電路中uBE變化不大,因此可近似認(rèn)為其靜態(tài)工作點(diǎn)的值UBEQ是已知的。硅管的BEQ=0.6~

0.8V,通常取0.7V,鍺管的UBEQ=0.1~0.3V,通常取0.2V。下面介紹靜態(tài)工作點(diǎn)其他三個(gè)值的兩種求法。

1.估算法我們把放大電路在靜態(tài)時(shí)直流電流流通的路徑稱為直流通路。對(duì)于直流電,電容的容抗為無窮大,電感的感抗為零。因此在直流通路中,電容可看成開路,電感可看成短路。畫出圖2.1.2所示的共發(fā)射極基本放大電路的直流通路,如圖2.2.1所示。圖2.2.1共發(fā)射極基本放大電路的直流通路由圖2.2.1可知:(2.2.1)(2.2.2)(2.2.3)若UCC>>UBEQ,則式(2.2.1)~式(2.2.3)就是求靜態(tài)工作點(diǎn)的各項(xiàng)值IBQ、ICQ、UCEQ的公式。

【例2.2.1】在共發(fā)射極基本放大電路圖2.1.2中,已知UCC=20V,RB=500kΩ,RC=6.8kΩ,三極管型號(hào)為3DG12,β=40,試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。解:為了減少計(jì)算工作量,通常約定電壓單位為伏特,電流單位為毫安,電阻單位為千歐姆。ICQ≈βIBQ=40×0.04=1.6mAUCEQ=UCC－ICQRC=20－1.6×6.8=9.12V

2.圖解法當(dāng)已知三極管的輸出特性曲線和放大電路參數(shù)時(shí),在三極管的輸出特性曲線上直接找到靜態(tài)工作點(diǎn)Q,這種分析方法便為用圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)。從理論上講,求IBQ、ICQ和UCEQ都可以用圖解法,而實(shí)際中通常只用圖解法求出ICQ和UCEQ的值,而計(jì)算IBQ的值仍用估算法,即用式(2.2.1)來計(jì)算。

【例2.2.2】在圖2.2.1所示的共發(fā)射極基本放大電路的直流通路中,已知RB=300kΩ,UCC=12V,RC=3.9kΩ,用圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)。解:三極管的偏流仍可由式(2.2.1)計(jì)算求得,即放大電路中三極管的電壓uCE和電流iC的關(guān)系由下列兩方面決定。

(1)公式:uCE=UCC－iCRC

(2.2.4)

(2)三極管輸出特性曲線iC=f(uCE)。公式(2.2.4)表示uCE與iC成比例關(guān)系,據(jù)此式在iC~uCE平面內(nèi)可畫出一條直線,稱為直流負(fù)載線。設(shè)該直線和兩個(gè)坐標(biāo)軸的交點(diǎn)為M、N。求直流負(fù)載線的方法如下:當(dāng)iC=0時(shí),uCE=UCC=12V,在圖形上定出M點(diǎn)。

當(dāng)uCE=0時(shí),≈3mA,在圖形上定出N點(diǎn)。連接MN兩點(diǎn)便畫出直流負(fù)載線,如圖2.2.2所示。直線MN的斜率為－1/RC,它是由三極管的直流負(fù)載電阻RC決定的。圖2.2.2共發(fā)射極放大電路的直流負(fù)載線直流負(fù)載線和三極管輸出特性曲線iC－uCE的交點(diǎn)Q(當(dāng)iB=40μA時(shí))就是所求的靜態(tài)工作點(diǎn),如圖2.2.2所示。Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值IB、

IC、電壓值UCE就是靜態(tài)值。由圖2.2.2可查得:IBQ=40μA,ICQ=1.5mA,UCEQ=6V。直流負(fù)載線上M和N兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫軸間距離為放大電路的工作范圍。2.2.2放大電路的動(dòng)態(tài)圖解分析我們把電路在動(dòng)態(tài)時(shí)交流電流流通的路徑稱為交流通路。根據(jù)電路理論,在交流通路中,將電容、直流電源均視為短路,畫出共發(fā)射極基本放大電路的交流通路圖,如圖2.2.3所示。圖2.2.3共發(fā)射極基本放大電路的交流通路圖1.交流負(fù)載線在圖2.2.3中,交流負(fù)載電阻為(2.2.5)要弄清放大電路在動(dòng)態(tài)工作情況下的工作原理,首先要畫出放大電路的交流負(fù)載線。以下討論交流負(fù)載線的畫法。第一步,在三極管的輸出特性曲線iC~uCE上,照前面的方法畫出直流負(fù)載線。我們知道,瞬時(shí)值為(瞬時(shí)值=直流分量+交流分量),由圖2.2.3知交流分量為(2.2.6)即交流分量=瞬時(shí)值－直流分量。將式(2.2.6)中(b)式代入(a)式,于是可得:uce=uCE－UCEQ=－(iC－ICQ)RL′(2.2.7)式中,UCEQ、ICQRL′兩項(xiàng)為常數(shù)。因此,式(2.2.7)表明:uCE與iC成比例關(guān)系,可見在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下,瞬時(shí)值iC與uCE的關(guān)系仍為一直線,稱為交流負(fù)載線,該直線的斜率為－1/RL′,它由交流負(fù)載電阻RL′決定。另外,由式(2.2.7)可知,當(dāng)iC=ICQ時(shí)，uCE=UCEQ。這就證明交流負(fù)載線也通過三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。換句話說,靜態(tài)工作點(diǎn)Q是交流負(fù)載線與直流負(fù)載線的交點(diǎn),如圖2.2.4中的直線AB與直線MN在Q點(diǎn)處相交。由式(2.2.7)可求得交流負(fù)載線與兩坐標(biāo)軸的交點(diǎn)A、B。因?yàn)楫?dāng)iC=0時(shí),uCE=UCEQ+ICQRL′,所以求交流負(fù)載線的方法如下:在橫軸上UCEQ處向右移動(dòng)ICQRL′距離便可得到A點(diǎn),即A點(diǎn)與原點(diǎn)的距離uCE=UCEQ+ICQRL′。連接Q、A兩點(diǎn)的直線就是交流負(fù)載線,并延長至縱軸上,得到B點(diǎn)。放大電路中,若負(fù)載RL開路,則RL′=RC,交流負(fù)載線、直流負(fù)載線兩直線重合;若接上負(fù)載RL,則RL′＜RC,這時(shí)畫出的交流負(fù)載線比直流負(fù)載線要陡,如圖2.2.4所示。圖2.2.4交流負(fù)載線和直流負(fù)載線

2.動(dòng)態(tài)分析設(shè)已知三極管的輸入特性曲線和輸出特性曲線,在兩特性曲線上找到靜態(tài)工作點(diǎn)Q,并在輸出特性曲線上畫出直流負(fù)載線和交流負(fù)載線,則用圖解法可畫出放大電路中有關(guān)電壓和電流的波形,如圖2.2.5所示。圖2.2.5共發(fā)射極放大電路動(dòng)態(tài)圖解(1)圖2.2.5共發(fā)射極放大電路動(dòng)態(tài)圖解(2)設(shè)ui為幅值很小的正弦輸入信號(hào),畫出uBE的波形,此波形的交流分量就是三極管的輸入信號(hào)ui,如圖2.2.5(a)所示。在三極管的輸入特性曲線上,當(dāng)ui為最大值時(shí),對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)為Q′,當(dāng)ui為最小值時(shí),對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)為Q″,因此動(dòng)態(tài)時(shí),三極管的工作點(diǎn)在Q′點(diǎn)和Q″點(diǎn)之間不斷變化。在三極管的輸入特性曲線上,在Q′和Q″兩點(diǎn)處向左引虛線,分別交縱軸于IBmax、IBmin兩點(diǎn)處,從而畫出電流iB的波形圖。在三極管的輸出特性曲線上,根據(jù)iB變化的最大值IBmax、最小值IBmin和交流負(fù)載線,找到對(duì)應(yīng)的曲線iC-t和曲線uCE-t。因?yàn)镮Cmax=βIBmax,ICmin=βIBmin,據(jù)此不難求得iC－t曲線即為三極管電流iC的波形圖。這條曲線的兩極值ICmax、ICmin與交流負(fù)載線對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)分別為M和N,如圖2.2.5(b)所示。M和N之間稱為放大電路的動(dòng)態(tài)工作范圍。在M和N兩點(diǎn)處向下引虛線,交于橫軸于UCEmin、UCEmax處,從而可畫出電壓uCE的波形。此波形的交流分量就是三極管的輸出信號(hào)uo。由圖2.2.5可以看出:

(1)輸出信號(hào)uo與輸入信號(hào)ui的波形相位反相,相位差為180°,這是共發(fā)射極放大電路的一個(gè)重要特點(diǎn)。

(2)輸出信號(hào)uo在交流負(fù)載線上M和N兩點(diǎn)之間變化,放大電路的這個(gè)動(dòng)態(tài)工作范圍直接關(guān)系到輸出電壓的大小。因?yàn)橥ǔ＝涣髫?fù)載線比直流負(fù)載線要陡,放大電路的動(dòng)態(tài)范圍變小,所以放大電路接上負(fù)載RL后,放大倍數(shù)減小了。

3.靜態(tài)工作點(diǎn)的位置與輸出波形的關(guān)系由圖2.2.5可以看出,將靜態(tài)工作點(diǎn)選在放大區(qū)的中間,這時(shí)輸出電壓的波形是與輸入電壓波形相似的正弦波,M和N之間稱為線性動(dòng)態(tài)范圍。若靜態(tài)工作點(diǎn)位置選擇不當(dāng),則輸出信號(hào)的波形將產(chǎn)生失真,如圖2.2.6所示。圖2.2.6非線性失真(1)圖2.2.6非線性失真(2)若工作點(diǎn)偏低,接近截止區(qū),則輸入電壓負(fù)半周的一部分使動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū)。這種失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)偏低使三極管在部分時(shí)間內(nèi)進(jìn)入截止區(qū)而引起的,稱為截止失真。若工作點(diǎn)偏高,接近飽和區(qū),則輸入電壓正半周的一部分使動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)。這種失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)偏高使三極管在部分時(shí)間內(nèi)進(jìn)入飽和區(qū)而引起的,稱為飽和失真。截止失真和飽和失真都是由于放大電路工作在三極管特性曲線的非線性區(qū)域而引起的,所以都是非線性失真。對(duì)共發(fā)射極基本放大電路來說,截止失真時(shí),uo的上半周被削頂,飽和失真uo的下半周被削頂。2.2.3放大電路的偏置電路

1.靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的原因從圖解法分析放大電路中可以看出,合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)是保證放大電路正常工作的先決條件,Q點(diǎn)位置過高或過低都可能使信號(hào)失真。另外,當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(shí),會(huì)使設(shè)置好的靜態(tài)工作點(diǎn)Q移動(dòng),使原來合適的靜態(tài)工作點(diǎn)變得不合適而產(chǎn)生失真。因此,設(shè)法穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)是一個(gè)重要問題。靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的原因較多,如溫度變化、元件老化而使參數(shù)發(fā)生變化等,其中最重要的是溫度變化的影響。溫度T對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)Q的影響如下:

T↑→β↑→ICQ↑ICBO↑

Q沿直流負(fù)載線上移。實(shí)驗(yàn)證明,溫度每升高12℃,鍺管的穿透電流ICEO數(shù)值增大一倍;溫度每升高8℃,硅管ICEO數(shù)值增大一倍;溫度每升高1℃,三極管的放大倍數(shù)β約增加0.5%~1%;溫度升高后,靜態(tài)值UBEQ減小,溫度系數(shù)約為－2.2mV/C。由于因此|UBEQ|減小將導(dǎo)致IBQ增大,而ICQ=βIBQ+(1+β)ICBO,ICEO=(1+β)ICBO。溫度升高時(shí),β、IB和ICEO增大,最終結(jié)果將使ICQ迅速增大,放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)就上移了。反之,溫度下降時(shí),靜態(tài)工作點(diǎn)將下移?？傊?當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)有較大的影響,這是共發(fā)射極基本放大電路的一個(gè)不足的地方。

2.分壓式偏置電路分壓式偏置電路是具有穩(wěn)定工作點(diǎn)作用的常用電路。1)電路的特點(diǎn)如圖2.2.7所示,當(dāng)流過RB1

、RB2的電流I1≈I2＞IBQ時(shí)(在實(shí)際工程上這種條件是可以滿足的),則圖2.2.7分壓式偏置電路分壓式偏置電路的特點(diǎn)如下:

(1)當(dāng)電路參數(shù)確定后,三極管基極電位UB與溫度基本無關(guān),做到基本保持不變。

(2)利用發(fā)射極電阻RE來穩(wěn)定電流iC。原理如下:如果溫度升高使iC增大,則電流iE也增大,發(fā)射極電位uE=iERE升高。由于電壓uBE=uB－uE,因此uBE減小,由圖2.2.5(a)分析可知,電流iB也減小,于是限制了iC的增大,其總的效果是使iC基本不變。(注意:這里的iC、iE、uE=iERE、uBE=uB－uE、

iB均為瞬時(shí)值。)上述穩(wěn)定過程可表示如下:溫度↑→iC↑→iE↑→uE↑→uBE↓→iB↓→iC↓

這樣,溫度升高引起iC的增大將被電路本身造成的iC的減小所牽制。

2)靜態(tài)工作點(diǎn)分壓式偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)可用下列估算式求出:(2.2.8)ICQ≈IE=≈(2.2.9)UCEQ=UCC－ICQRC－IERE≈UCC－ICQ(RE+RC)(2.2.10)(2.2.11)

【例2.2.3】在圖2.2.7所示的分壓式偏置電路中,已知RB1=75kΩ,RB2=18kΩ,RC=3.9kΩ,RE=1kΩ,RL=3.9kΩ,UCC=9V,三極管的UBE=0.7V,β=50,試確定靜態(tài)工作點(diǎn)。

解:因?yàn)?.2.4微變等效電路法三極管的輸入、輸出特性曲線是非線性的,但在放大區(qū),在低頻小信號(hào)的輸入信號(hào)作用下,其各處電流、電壓ib、ube、

ic、uce將在靜態(tài)工作點(diǎn)附近隨輸入信號(hào)作微小變化,因此可以將非線性的輸入、輸出特性曲線近似地用直線來代替,從而把三極管這個(gè)非線性元件當(dāng)作一個(gè)線性元件,利用電路分析的方法求出放大器的一些動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),如電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro等,這就是微變等效電路法。

1.三極管的微變等效電路

1)三極管輸入回路的等效電路設(shè)三極管的輸入電流為ib,輸入電壓為ube,由于ib主要取決于ube,而與電壓uce基本無關(guān),因此三極管的輸入回路等效于一個(gè)電阻rbe,稱為三極管的輸入電阻。rbe的計(jì)算公式為常用的求rbe的估算公式為(2.2.12)在式(2.2.12)中,IBQ、IEQ均為靜態(tài)值,

IEQ=(1+β)IBQ≈ICQ。由式(2.2.12)可以看出,同一個(gè)管子的rbe值隨靜態(tài)工作點(diǎn)Q的不同而變化,Q越高,rbe越小。通常對(duì)于小功率硅三極管,當(dāng)ICQ=1~2mA時(shí),rbe約為1kΩ。

2)三極管輸出回路的等效電路設(shè)三極管的輸出電流為ic,輸出電壓為uce,因ic主要取決于ib,而與uce基本無關(guān),因此三極管的輸出回路等效于一個(gè)受控電流源,即ic=βib。根據(jù)上述分析,可畫出三極管的微變等效電路圖如圖2.2.8所示。因?yàn)楹雎粤巳龢O管PN結(jié)的電容效應(yīng),因此這個(gè)三極管的微變等效電路僅限于低頻時(shí)使用,高頻時(shí)則用三極管混合π型等效電路。圖2.2.8三極管的簡化微變等效電路

2.放大電路的微變等效電路下面仍以共發(fā)射極基本放大電路為例,說明如何用微變等效電路法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1)放大電路的微變等效電路首先,畫出共發(fā)射極基本放大電路的交流通路圖,如圖2.2.9所示。然后,在放大電路的交流通路圖中,將三極管用其微變等效電路來代替,就得到放大電路的微變等效電路,如圖2.2.10所示。圖2.2.10中,us為信號(hào)源,Rs為信號(hào)源內(nèi)阻。圖2.2.9共發(fā)射極放大電路的交流通路電路

2)放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro

由圖2.2.10可得:

ui=ibrbe

uo=－ic(RC∥RL)=－βibRL′所以,放大電路的電壓放大倍數(shù)為(2.2.13)在式(2.2.13)中,RL′=RC∥RL,是放大電路的交流負(fù)載電阻,負(fù)號(hào)體現(xiàn)了共發(fā)射極放大電路的倒相作用,說明輸出與輸入電壓的相位相差180°,這是共發(fā)射極放大電路的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖2.2.10共發(fā)射極放大電路的微變等效電路由圖2.2.10可得:ui=ii(RB∥rbe)

考慮到RBrbe,所以放大電路的輸入電阻是:(2.2.14)對(duì)于共發(fā)射極低頻放大電路,rbe約為1kΩ,輸入電阻不高。由于受控電流源內(nèi)阻無窮大,相當(dāng)于開路,因此放大電路的輸出電阻是:ro=RC(2.2.15)

RC一般為幾千歐,因此共發(fā)射極放大電路的輸出電阻比較高。

3.微變等效電路分析舉例利用微變等效電路法可以很方便地求出低頻小信號(hào)時(shí)放大電路的各種動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

【例2.2.4】在圖2.2.11(a)所示的分壓式偏置放大電路中,已知UCC=24V,RC=3.3kΩ,RE=1.5kΩ,RB1=33kΩ,RB2=10kΩ,RL=5.1kΩ,晶體管的β=66,設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻Rs=0。圖2.2.11例2.2.4圖

(1)試求靜態(tài)工作點(diǎn)IB、IC、UCE。

(2)畫出放大電路的微變等效電路。

(3)計(jì)算放大電路的Au、ri和ro。

解:(1)求靜態(tài)工作點(diǎn)IB、IC和UCE。按下列順序進(jìn)行計(jì)算,即先求UB,然后依次求IC、IB、UCE。在圖2.2.11(b)所示的直流通路中:UCE=UCC－IC(RC+RE)=24－3.25×(3.3+1.5)=8.4V

(2)放大電路的微變等效電路如圖2.2.12所示。圖2.2.12微變等效電路圖

(3)計(jì)算放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro。放大電路分析的方法有如下幾種:

(1)用估算法確定靜態(tài)工作點(diǎn)。

(2)用微變等效電路法求電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻ri和輸出電阻ro。

(3)用圖解法分析各處電壓、電流的波形及波形失真情況。2.3放大電路的三種接法

根據(jù)放大電路的交流通路中輸入、輸出回路的公共端與三極管三個(gè)電極連接方式的不同,放大電路分為共發(fā)射極、共集電極和共基極三種基本電路。前面兩節(jié)重點(diǎn)分析了共發(fā)射極放大電路,本節(jié)將對(duì)共集電極和共基極放大電路分別予以介紹。2.3.1共集電極放大電路

1.電路組成圖2.3.1(a)所示為共集電極放大電路的基本電路,簡稱共集電路,圖(b)為其微變等效電路。由圖2.3.1可見,負(fù)載電阻RL接在發(fā)射極上,信號(hào)從發(fā)射極輸出,故又稱共集電極放大電路為射極輸出器。圖2.3.1共集電極放大電路的基本電路及微變等效電路

2.靜態(tài)分析射極輸出器的電路比較簡單,可以不必畫出它的直流通路。由圖2.3.1(a)直接列出基極回路的方程如下:IBQRB+UBE+IERE=UCC則(2.3.1)

ICQ≈βIBQ

UCEQ=UCC－IERE≈UCC－ICQRE(2.3.2)

3.動(dòng)態(tài)分析共集電極放大電路的微變等效電路如圖2.3.1(b)所示。1)電壓放大倍數(shù)設(shè)交流負(fù)載電阻RL′=RE∥RL,由圖2.3.1(b)所示的輸入回路可得ui=ibrbe+ieRL′=ib［rbe+(1+β)RL′］又uo=ieRL′=(1+β)RL′ib

因β>>1,故由上述兩式可求出電壓放大倍數(shù):顯然Au<1,但由于一般βRL′>>rbe,因此Au≈1,即射極輸出器的電壓放大倍數(shù)略小于1。(2.3.3)這表示uo≈ui,即共集電極放大電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui的數(shù)值基本相同,而且兩者的相位也相同。這是該電路的一個(gè)重要特點(diǎn)。因此共集電極放大電路又稱為射極跟隨器。

2)輸入電阻在圖2.3.1(b)中,ui=ib［rbe+(1+β)RL′］。三極管基極與地之間看進(jìn)去的等效電阻為則放大電路的輸入電阻為ri=RB∥ri′=RB∥［rbe+(1+β)RL′］(2.3.4)

考慮到β1,且(1+β)RL′≈βRL′>>rbe,故ri=RB∥ri′=RB∥［rbe+(1+β)RL′］≈RB∥βRL′射極輸出器的輸入電阻較高,它比共發(fā)射極基本放大電路的輸入電阻要大幾十到幾百倍,這是它優(yōu)于共發(fā)射極放大電路的地方。

3)輸出電阻用外加電壓法可求出共集電極放大電路的輸出電阻ro,畫出圖2.3.2所示的等效電路。注意各電流方向,流向發(fā)射極,和分別流出基極和集電極,相應(yīng)地受控電流源β由發(fā)射極流向集電極。圖2.3.2共集電極求ro的等效電路設(shè)Rs′=Rs∥RB,由圖2.3.2可得:故得到放大電路的輸出電阻為(2.3.5)通常RE>>(rbe+R′s)/(1+β)，則//射極輸出器的輸出電阻很低,一般為幾十到一百多歐姆。這是它的另一個(gè)優(yōu)于共發(fā)射極放大電路的地方。綜上所述,射極輸出器主要特點(diǎn)如下:

(1)Au≈1,而略小于1,uo≈ui,輸出電壓uo與輸入電壓ui的數(shù)值基本相等,且兩者的相位也相同,射極輸出器沒有電壓放大作用,但具有電流放大作用和功率放大作用。

(2)輸入電阻ri較高,輸出電阻ro很低。輸入電阻高,意味著射極輸出器可以減輕信號(hào)源(或前級(jí)放大器)的負(fù)擔(dān);輸出電阻低,意味著放大電路的輸出接近恒壓源,具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。由于具有上述特點(diǎn),實(shí)際中射極輸出器得到了廣泛的應(yīng)用。在多級(jí)放大電路中,射極輸出器可以作為輸入級(jí),因?yàn)樗妮斎腚娮韪?可以作為輸出級(jí),因?yàn)樗妮敵鲭娮璧?也可作為中間級(jí),因?yàn)樗斎腚娮韪?輸出電阻低,作中間級(jí)時(shí),可以隔離前后級(jí)之間的影響,又稱為緩沖級(jí),起著阻抗變換的作用。

【例2.3.1】射極輸出器如圖2.3.1(a)所示。已知RB=300kΩ,RE=5.1kΩ,RL=2kΩ,UCC=12V,Rs=2kΩ,晶體管3DG6的參數(shù)rbe=1.5kΩ,β=49。畫出微變等效電路圖,計(jì)算Au、ri和ro。

解:微變等效電路如圖2.3.1(b)所示。其中,Rs′=Rs∥RB=2∥300=1.99kΩ,通過上面的計(jì)算可見,射極輸出器具有輸入電阻ri高,輸出電阻ro低,電壓放大倍數(shù)小于1且近似等于1的特點(diǎn)。2.3.2共基極放大電路

1.電路組成

共基極放大電路的基本電路如圖2.3.3(a)、(b)所示。其中,基極所接的大電容CB保證基極對(duì)地交流短路。圖2.3.3(c)為其交流通路圖,由于基極與輸入、輸出回路的公共端相接,因此是共基極放大電路,簡稱共基極電路。圖2.3.3共基極放大電路

2.靜態(tài)分析共基極電路的直流通路圖與分壓式偏置電路完全相同,因此靜態(tài)工作點(diǎn)的求法也完全相同,不再重復(fù)。

3.動(dòng)態(tài)分析先畫出共基極電路的微變等效電路,如圖2.3.3(d)所示。

(1)求電壓放大倍數(shù)。設(shè)交流負(fù)載電阻為RL′=RC∥RL因?yàn)閡i=－ibrbe

uo=－icRL′=－ibβRL′所以可見,共基極放大電路與共發(fā)射極放大電路的電壓放大倍數(shù)公式相同,只差一個(gè)負(fù)號(hào)。這說明共基極電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui相位相同。

(2)求輸入電阻。先求圖2.3.3(d)中三極管的發(fā)射極與基極之間看進(jìn)去的等效電阻ri′:共基極放大電路的輸入電阻為(2.3.8)共基極放大電路的輸入電阻很低,一般只有幾歐姆到幾十歐姆。

(3)求輸出電阻。由圖2.3.3(d)不難看出,共基極電路的輸出電阻為ro=RC

(2.3.9)

共基極放大電路的輸出電阻較高。綜上所述,共基極放大電路主要特點(diǎn)如下:

(1)共基極放大電路的電壓放大倍數(shù)較大,這是它的優(yōu)點(diǎn),而它的輸入電流為ie,輸出電流為ic,所以共基極放大電路沒有電流放大作用。

(2)共基極放大電路的輸入電阻很低,輸出電阻較高。

(3)共基極放大電路的頻率特性好,這也是它的優(yōu)點(diǎn),因此共基極放大電路用于高頻和寬頻帶電壓放大電路中?？偨Y(jié):共發(fā)射極、共集電極和共基極放大電路各有特點(diǎn),各有所用,其他性能更好的放大電路、多級(jí)放大電路都是以它們?yōu)楹诵?采用不同的設(shè)計(jì)、不同的組合,組成的各種各樣、豐富多彩的放大電路。2.4放大電路的級(jí)聯(lián)單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)較小,在實(shí)際應(yīng)用中,一般放大器都是由幾級(jí)放大電路組成的,這就是多級(jí)放大器。它能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)接力式的連續(xù)放大,以便獲得足夠的輸出功率去推動(dòng)負(fù)載工作。多級(jí)放大器的一般結(jié)構(gòu)如圖2.4.1所示。多級(jí)放大器內(nèi)部兩級(jí)之間的信號(hào)傳遞叫耦合,實(shí)現(xiàn)級(jí)間耦合的電路叫耦合電路。圖2.4.1放大器的一般結(jié)構(gòu)

1.多級(jí)放大器的級(jí)間耦合方式在多級(jí)放大電路中,常見的級(jí)間耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合、光電耦合和直接耦合等。

1)阻容耦合通過電容和后級(jí)的輸入電阻相連的耦合方式叫阻容耦合。如圖2.4.2所示,兩級(jí)之間通過電容C2耦合起來。阻容耦合有不少優(yōu)點(diǎn),如結(jié)構(gòu)簡單,體積小,成本低,頻率特性較好,特別是電容器具有隔直流的作用,可以防止各級(jí)間的靜態(tài)工作點(diǎn)彼此影響,各級(jí)可以獨(dú)自進(jìn)行分析計(jì)算,所以阻容耦合得到了廣泛應(yīng)用。但它也有局限性,阻容耦合方式不適合傳送緩慢變化(頻率較低)的信號(hào)和直流信號(hào),因?yàn)檫@類信號(hào)在通過耦合電容時(shí)幾乎不能進(jìn)行耦合。另外,在集成電路中很難制造大的電容,故在集成電路中不采用此種方式的耦合,它主要應(yīng)用于分立元件電路中。圖2.4.2阻容耦合方式

2)變壓器耦合變壓器耦合是通過變壓器實(shí)現(xiàn)級(jí)間耦合的放大器。如圖2.4.3所示,變壓器T1將第一級(jí)的輸出信號(hào)電壓變換成第二級(jí)的輸入信號(hào)電壓,變壓器T2將第二級(jí)的輸出信號(hào)電壓變換成負(fù)載RL所要求的電壓。變壓器耦合的最大優(yōu)點(diǎn)是:能夠進(jìn)行阻抗、電壓和電流的變換。直流電產(chǎn)生的恒磁場(chǎng)不產(chǎn)生電磁感應(yīng),也就不能在原、副線圈中傳遞,因此變壓器也具有很好的隔直流作用。各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響,它也是只能傳送交流信號(hào),不能傳送變化緩慢的信號(hào)或直流信號(hào)。但是,因?yàn)樽儔浩鞯捏w積和重量都較大,價(jià)格高,頻率特性差,因此,變壓器耦合不能應(yīng)用在集成電路中,在功率輸出電路中已逐步被無變壓器的輸出電路所代替。圖2.4.3變壓器耦合放大電路

3)光電耦合光電耦合是指兩級(jí)之間通過光電耦合器件實(shí)現(xiàn)的耦合。光電耦合器件常由發(fā)光二極管或光電三極管(光敏三極管)組成,如圖2.4.4所示。光電耦合是通過電-光-電的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)耦合的。光電耦合既可傳輸交流信號(hào),也可傳輸直流信號(hào)。由于前后兩級(jí)電路處于隔離狀態(tài),因此前后級(jí)電路互不影響。光電耦合便于在集成電路中使用,此種耦合廣泛應(yīng)用于小信號(hào)放大器中。圖2.4.4光電耦合方式

4)直接耦合直接耦合是一種不經(jīng)過任何電抗元件,用導(dǎo)線或電阻等把前、后級(jí)電路連接起來的耦合,如圖2.4.5所示。圖2.4.5直接耦合放大電路這種耦合方式具有良好的頻率特性,不僅能放大交流信號(hào),也能放大緩慢變化的信號(hào)或直流信號(hào),因此又稱為直流放大器。但直接耦合使各級(jí)的直流通路互相溝通,各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響,放大器將不能正常工作。因此直接耦合放大器要有特殊的偏置電路,確保各級(jí)放大器均工作在放大區(qū)。由于此種耦合便于集成化,因此在集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

【例2.4.1】如圖2.4.6所示,UCC=24V,RB1=240kΩ,RC1=3.9kΩ,RC2=500Ω,晶體管β1=45,β2=40,

UBE=0.7V,VZ的穩(wěn)壓電壓UZ=4V。試估算此多級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖2.4.6例2.4.1圖解:UB1=UBE2=0.7V則UC1=UBE2+UZ=0.7+4=4.7V所以第一級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)為第二級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)為可見,兩管均工作在放大區(qū)?？梢?兩管均工作在放大區(qū)。

2.多級(jí)放大器的增益圖2.4.7是三級(jí)放大電路的交流等效電路。假設(shè)各級(jí)的電壓放大倍數(shù)分別為Au1、Au2、Au3,則所以Au=Au1Au2…Aun

(2.4.1)由此可得出:多級(jí)放大電路總的電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)的乘積。若放大倍數(shù)用增益表示,則多級(jí)放大電路的增益為即多級(jí)放大電路的增益是各級(jí)放大電路的增益之和。另外,多級(jí)放大電路的輸入電阻就是第一級(jí)放大電路的輸入電阻,即ri=ri1(2.4.3)

多級(jí)放大電路的輸出電阻就是最后一級(jí)放大電路的輸出電阻,即ro=ro1(2.4.4)2.5功率放大電路功率放大器是一種向負(fù)載提供功率的放大器,簡稱功放。功率放大器主要考慮如何輸出最大的不失真功率,它不但要向負(fù)載提供大的信號(hào)電壓,而且要向負(fù)載提供大的信號(hào)電流。功率放大器具有以下特點(diǎn):

(1)輸出功率足夠大。為獲得足夠大的輸出功率,要求功率放大器有很大的電壓和電流變化范圍。

(2)效率要高。功率放大器把電源提供的直流功率轉(zhuǎn)化為向負(fù)載輸出的交變功率,這就存在一個(gè)提高能量轉(zhuǎn)換效率的問題。

(3)非線性失真要小。由于功率放大器有很大的電壓和電流變化范圍,很容易產(chǎn)生非線性失真,因此要采取措施減少失真,使之滿足負(fù)載的要求。

1.低頻功率放大器的分類按照功率放大器靜態(tài)工作點(diǎn)位置的不同,功率放大器可分為甲類放大、乙類放大和甲乙類放大等形式,如圖2.5.1所示。甲類功放的靜態(tài)工作點(diǎn)選在交流負(fù)載線的中點(diǎn),三極管導(dǎo)通時(shí)間長,在輸入信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)三極管都能導(dǎo)通,即使放大器無輸入信號(hào)三極管也能導(dǎo)通,如圖2.5.1(a)所示,因此甲類功率放大器的功耗大,效率低。乙類功放的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在截止區(qū),三極管只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,放大器無輸入信號(hào)時(shí),三極管不會(huì)導(dǎo)通。因此乙類功率放大器功耗最小,效率最高,但是它的輸出波形有失真,如圖2.5.1(c)所示。甲乙類功放的靜態(tài)工作點(diǎn)接近截止區(qū),三極管導(dǎo)通時(shí)間略大于半個(gè)周期,如圖2.5.1(b)所示。甲乙類功率放大器功耗小,效率較高,比甲類功率放大器優(yōu)越;甲乙類功率放大器失真小,比乙類功率放大器優(yōu)越。因此甲乙類功率放大器在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。圖2.5.1低頻功率放大器的分類

2.乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器中兩只三極管輪流導(dǎo)通工作,如圖2.5.2所示。三極管V1為NPN型,V2為PNP型,類型互補(bǔ),且兩管的型號(hào)、特性參數(shù)完全相同。此類放大器的工作原理如下:靜態(tài)(ui=0)時(shí),兩三極管均截止,兩管的集電極電流IC1=IC2=0,電路中無功率損耗。圖2.5.2乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路圖及其工作波形動(dòng)態(tài)時(shí),在ui的正半周,三極管V1導(dǎo)通而V2截止,電流方向如圖2.5.2中實(shí)線箭頭所示,從+UCC電源經(jīng)V1管到負(fù)載RL,構(gòu)成一個(gè)射極輸出器,向RL提供正向輸出信號(hào),最大輸出電壓幅度約為+UCC;在ui的負(fù)半周,三極管V1截止而V2導(dǎo)通,電流方向如圖中虛線箭頭所示,從負(fù)載RL經(jīng)V2管到電源－UCC,也是構(gòu)成一個(gè)射極輸出器,向RL提供負(fù)向輸出信號(hào),最大輸出電壓幅度約為－UCC。這種放大器在靜態(tài)時(shí)工作電流為零,只在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通工作,向負(fù)載提供輸出電壓。盡管兩三極管V1、V2都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通,但它們交替工作,一個(gè)“推”一個(gè)“挽”,相互補(bǔ)充,使負(fù)載獲得完整的輸出信號(hào)波形,故又稱此類功率放大器為推挽功率放大器。

3.交越失真乙類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是效率高,缺點(diǎn)是電路的輸出波形在信號(hào)過零附近產(chǎn)生交越失真,如圖2.5.3所示。圖2.5.3交越失真產(chǎn)生交越失真的原因是:兩三極管V1、V2

的輸入特性曲線存在死區(qū),輸入信號(hào)電壓正向值必須大于V1的死區(qū)電壓,V1管才能導(dǎo)通,負(fù)向值必須大于V2的死區(qū)電壓,V2管才能導(dǎo)通。硅管的死區(qū)電壓約為0.5V,鍺管的約為0.1V。因此當(dāng)輸入信號(hào)低于死區(qū)電壓時(shí),三極管V1和V2都截止,輸出電壓為零,出現(xiàn)了兩管交替工作、銜接不好的現(xiàn)象,負(fù)載上得到圖2.5.3所示的失真波形,這種失真稱為交越失真。為了消除交越失真,應(yīng)當(dāng)給兩三極管V1、V2加上適當(dāng)?shù)钠秒妷?如圖2.5.4所示,使兩管在靜態(tài)時(shí)都處于微導(dǎo)通狀態(tài),當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí),在零點(diǎn)附近仍能得到線性放大。此時(shí),由于靜態(tài)電流不再為零,使每個(gè)管子的導(dǎo)通時(shí)間也略大于半個(gè)周期,這種介于甲類和乙類之間但偏于乙類的狀態(tài),稱為甲乙類工作狀態(tài)。圖2.5.4甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱電路圖2.5.5所示是一個(gè)甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的實(shí)際電路。圖中用兩個(gè)正向串聯(lián)的二極管來代替圖2.5.4中的UB1+UB2。上述乙類和甲乙類兩種互補(bǔ)對(duì)稱電路都采用了大小相等的正負(fù)電源供電,三極管V1、V2兩管的特性參數(shù)對(duì)稱,因此,輸出端上的直流電壓為零,不需在輸出端與負(fù)載之間接入耦合電容,所以這種互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路又稱為OCL(無輸出電容)電路。圖2.5.5甲乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

4.OCL電路的輸出功率、效率和管耗下面我們以乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器為例,進(jìn)一步討論功率放大器的輸出功率、效率和管耗等問題。

1)輸出功率乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器的OCL電路如圖2.5.2所示,靜態(tài)時(shí)每管的靜態(tài)電流為零,靜態(tài)輸出電流為零,沒有功率輸出。動(dòng)態(tài)時(shí),我們?cè)诶硐肭闆r下來討論。所謂理想情況,就是忽略交越失真、兩個(gè)管子的飽和壓降UCES及穿透電流ICES,這時(shí)放大器的輸出電壓的最大幅值Uom≈UCC,輸出電流的最大幅值Iom≈UCC/RL,如圖2.5.6所示。圖2.5.6乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路圖解分析(正半周)在這種理想情況下,放大器的輸出功率達(dá)到最大值,其最大輸出功率Pom為(2.5.1)

2)效率可以證明,放大器兩組電源供給的總功率應(yīng)為(證明從略)(2.5.2)(2.5.3)所以放大器在理想情況下、輸出功率為最大值時(shí)的效率為(2.5.4)在理想情況下(UCES=0,Uom≈UCC),η達(dá)到最大值,即當(dāng)然,實(shí)際中由于飽和壓降UCES及元件的損耗等因素,乙類功放的實(shí)際效率約為60％。

3)管耗直流電源提供的功率只有一部分轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)功率,另一部分主要被管子本身消耗掉了。因此乙類推挽功率放大器的管耗應(yīng)為電源供給的功率與輸出功率之差,即當(dāng)輸出功率為最大值時(shí),即Uom≈UCC時(shí),管耗為(2.5.5)注意:式(2.5.5)是在放大電路輸出功率為最大值時(shí)的管耗,這個(gè)管耗不是放大電路的最大管耗?？梢宰C明,放大電路的最大管耗為(證明從略)每個(gè)管子的最大管耗為PTm(單)≈0.2Pom

(2.5.7)

【例2.5.1】

在圖2.5.2所示的乙類互補(bǔ)對(duì)稱功放電路中,UCC=12V,RL=8Ω,試求當(dāng)輸入信號(hào)足夠大,集電極電壓能夠充分利用時(shí)的如下參數(shù)：

(1)最大輸出功率Pom;

(2)電源供給的功率PE;

(3)最大輸出功率時(shí)的效率η;

(4)雙管的管耗PT(雙)。解:(1)因?yàn)閁om≈UCC,，所以(2)

(3)

(4)PT(雙)=0.27Pom=0.27×9=2.43W。

5.單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路又稱OTL電路,如圖2.5.7所示。圖2.5.7甲乙類單電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路

V3為前置放大級(jí),與甲乙類OCL電路相比,只用了一個(gè)正電源UCC,但在輸出端增加了一個(gè)大容量的耦合電容C。只要適當(dāng)選擇電阻RB、

RC和RE的電阻值,就可以得到一定的iC3,通過兩個(gè)二極管給功率輸出管V1、V2加上合適的偏置電壓,使兩輸出功率管工作在甲乙類狀態(tài)。靜態(tài)時(shí),由于兩輸出功率管對(duì)稱,因此兩管的發(fā)射極e點(diǎn)電位為UE=UCC/2,電容C被充電至UCC/2。由于電容C具有隔直作用,因此負(fù)載RL上無電流流過,輸出電壓為零。在輸入為正半周時(shí),V1管導(dǎo)通,V2管截止,于是,V1管以射極輸出的形式將正向信號(hào)傳給負(fù)載,使RL上得到正半周輸出電壓,同時(shí)對(duì)電容C充電;輸入為負(fù)半周時(shí),V1管截止,V2管導(dǎo)通,電容C代替OCL電路中的負(fù)電源作用,V2管也以射極輸出形式將負(fù)向信號(hào)傳給負(fù)載,使RL上得到負(fù)半周輸出電壓。這樣,在一個(gè)周期內(nèi),負(fù)載上得到了完整的波形。計(jì)算最大輸出功率時(shí)最大輸出電壓要用0.5UCC來計(jì)算。

6.集成功率放大器集成功率放大器是模擬集成電路的一個(gè)重要組成部分,廣泛應(yīng)用于各種電子電氣設(shè)備中。集成功率放大電路除具有可靠性高,使用方便,性能好,重量輕,造價(jià)低等集成電路的一般特點(diǎn)外,還具有功耗小,非線性失真小和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),并且集成功率放大器內(nèi)部的各種過流、過壓、過熱保護(hù)齊全,使用更加方便安全。從電路結(jié)構(gòu)來看,集成功率放大器包括前置級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率輸出級(jí),以及偏置電路、穩(wěn)壓、過流過壓保護(hù)等附屬電路。除此以外,基于功率放大器輸出功率大的特點(diǎn),在內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)上還要滿足一些特殊的要求。集成功率放大器品種繁多,輸出功率從幾十毫瓦至幾百瓦,有些集成功放既可以雙電源供電,又可以單電源供電。從用途上分,有通用型和專用型功放;從輸出功率上分,有小功率功放和大功率功放等。

SHM1150Ⅱ型集成功率放大器是由雙極型三極管和單極型VMOS管組成的功率放大器。圖2.5.8(a)為SHM1150Ⅱ型集成功率放大器的內(nèi)部簡化電路,圖(b)為其外部接線圖。圖2.5.8

SHM1150Ⅱ型集成功率放大器輸出級(jí)采用的是功率VMOSFET管,可以提供