第4章

基本放大電路4.1基本放大電路的組成及工作原理4.2基本放大電路的分析方法4.3共集電極放大電路4.4功率放大器4.5放大電路中的負(fù)反饋

4.1基本放大電路的組成及工作原理

放大電路是電子電路中最基本的電路結(jié)構(gòu),又稱為放大器,其基本功能是將微弱的電信號(hào)加以放大。放大電路的“放大”是指對(duì)信號(hào)能量(功率)的放大,并不是單指對(duì)電壓或電流的放大。放大器輸出信號(hào)的能量總是比輸入的能量大,增大的能量并非來(lái)自放大器中的晶體管或其他元件。根據(jù)能量守恒原理,能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,不能憑空產(chǎn)生,當(dāng)然也不會(huì)“放大”。電信號(hào)被放大后所增加的能量,是從放大器的直流供電能源中的能量轉(zhuǎn)換而來(lái)的。放大器的本質(zhì)是在輸入信號(hào)的控制下,把直流電源能量部分地轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)能量,所以放大器實(shí)際上是一種由小能量信號(hào)控制的電子能量轉(zhuǎn)換器。4.1.1放大電路的組成

基本放大電路通常是由一個(gè)雙極型三極管或場(chǎng)效應(yīng)管(統(tǒng)稱晶體管)組成。本章僅以雙極型三極管為例進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)所加偏置電壓的不同,三極管有四種工作狀態(tài),如表4-1所示。

放大電路即運(yùn)用了三極管的放大狀態(tài),在發(fā)射結(jié)加上一個(gè)正向直流偏壓和交流信號(hào)源,在集電結(jié)加一個(gè)反向直流偏壓和負(fù)載電阻,則在發(fā)射結(jié)交流信號(hào)源控制下,集電結(jié)所接負(fù)載電阻上產(chǎn)生的電壓變化,比發(fā)射結(jié)所加的交流電壓大,這時(shí)我們稱信號(hào)源所給出的輸入信號(hào)被放大了。因此基本放大電路就是由工作于放大狀態(tài)的晶體三極管構(gòu)成,以小的基極電流按一定比例控制大的集電極電流,實(shí)現(xiàn)“放大”的功能。

由于三極管屬于非線性器件,它有三個(gè)電極,存在三種接法,如圖4-1所示。

由于共發(fā)射極接法用得最多,因此首先介紹共發(fā)射機(jī)放大電路(簡(jiǎn)稱共射放大電路)。圖4-1三極管的三種連接方式4.1.2共射放大電路的組成

圖4-1(a)所示是一個(gè)雙電源單管共射放大電路,由于實(shí)際應(yīng)用中多采用單電源供電方式,所以實(shí)際單電源供電的單管共射放大電路如圖4-2所示,其中:ui是放大電路的輸入信號(hào),uo是放大電路的輸出信號(hào)。信號(hào)源、基極、發(fā)射極組成輸入回路,負(fù)載RL、集電極、發(fā)射極組成輸出回路。輸入回路和輸出回路的公共端是發(fā)射極,因此稱之為“共發(fā)射極放大電路”,簡(jiǎn)稱“共射放大電路”。圖4-1三極管的三種連接方式圖4-2基本共射放大電路

圖4-2所示的基本共射放大電路中各元件的作用如下:

三極管V是放大電路的核心元件,利用三極管基極的小電流控制集電極的較大電流,使輸入的微弱電信號(hào)通過(guò)直流電源UCC提供的能量,在放大電路輸出端提供一個(gè)幅度增強(qiáng)的電信號(hào)。

UCC是放大電路的直流電源,一方面與RB、RC相配合,使三極管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,以滿足三極管處于放大工作狀態(tài)的條件;另一方面為輸出信號(hào)提供能量。

RB是基極偏置電阻,電源UCC通過(guò)RB為三極管發(fā)射結(jié)提供正向偏壓,改變RB的阻值,即可改變基極電流IB的大小,從而改變?nèi)龢O管的工作狀態(tài)。RB的值一般為幾十歐至幾千歐。

RC是集電極負(fù)載電阻,電源UCC通過(guò)RC為三極管提供集電極反向偏壓,并將三極管放大后的電流IC的變化轉(zhuǎn)變?yōu)镽C上電壓的變化反映到輸出端,從而實(shí)現(xiàn)電壓放大。RC的值一般為幾十歐至幾千歐。

C1和C2分別是輸入和輸出耦合電容,具有通交流和隔直流的作用,即隔離放大電路與信號(hào)源和負(fù)載之間的直流通路,并使交流信號(hào)通暢。C1和C2的數(shù)值一般為幾微法至幾十微法。

RL是外接負(fù)載,如揚(yáng)聲器等,也可以是后級(jí)放大電路的輸入電阻。4.1.3共射放大電路的工作原理

本節(jié)以圖43所示的固定偏置電阻共射放大電路為例,說(shuō)明共射放大電路的工作原理。

圖4-3固定偏置電阻共射放大電路三極管實(shí)際通過(guò)的信號(hào)是交直流疊加信號(hào),信號(hào)中既有直流分量也有交流分量,為了在分析放大電路時(shí)區(qū)分不同性質(zhì)的信號(hào),通常有以下幾種規(guī)定:直流信號(hào)使用大寫字母、大寫下標(biāo)來(lái)表示,如:IBE、UBE、IC、UCE;交流信號(hào)的瞬時(shí)值使用小寫字母、小寫下標(biāo)來(lái)表示,如:ib、ube、ic、uce;放大電路中交流信號(hào)有效值使用大寫字母、小寫下標(biāo)來(lái)表示,如:Ib、Ube、Ic、Uce;放大電路中交直流疊加信號(hào)使用小寫字母、大寫下標(biāo)來(lái)表示,如:iB、uBE、iC、uCE。

交流信號(hào)源電壓ui加到放大電路輸入端時(shí),通過(guò)耦合電容C1進(jìn)入放大電路轉(zhuǎn)換成小信號(hào)電流ib,疊加在IB上成為隨信號(hào)源變化的三極管基極小電流iB,根據(jù)三極管的以小控大作用,交直流疊加量iB使三極管集電極電流iC按βiB增大,通過(guò)電阻RC時(shí)產(chǎn)生壓降iCRC。此時(shí),集電極電流與發(fā)射極之間交直流疊加量uCE=UCC-iCRC?？梢?jiàn),當(dāng)iC增大時(shí),uCE就減小;iC減小時(shí),uCE就增大,即uCE的變化與iC相反,即uCE與iC反相。在放大電路的輸出端,交直流疊加量uCE中的直流分量被耦合電容C2濾掉,交流分量經(jīng)C2耦合到輸出端成為輸出電壓uo。若電路中各元件參數(shù)選取適當(dāng),uo的幅度將比ui的幅度大很多,即小信號(hào)ui被放大了。

4.2基本放大電路的分析方法

電路在對(duì)輸入信號(hào)的放大過(guò)程中,無(wú)論是輸入信號(hào)電流,還是放大后的集電極電流、輸出電壓,都是交直流疊加量,最后經(jīng)耦合電容C2才濾掉了直流量,從放大電路輸出端提取的是放大后的交流信號(hào)電壓。因此,在分析放大電路時(shí),可以采用將直流量與交流量分開(kāi)的辦法,對(duì)放大電路的直流通道和交流通道分別進(jìn)行分析討論。4.2.1基本放大電路的靜態(tài)分析

靜態(tài)是指放大器無(wú)輸入信號(hào)(即ui=0)時(shí),僅在直流電源作用下放大電路中各電壓、電流的情況,分析這些直流量就是靜態(tài)分析。靜態(tài)時(shí),UCC保證三極管工作在放大狀態(tài),耦合電容C1、C2相當(dāng)于開(kāi)路,三極管工作點(diǎn)指標(biāo)有UBEQ、IBQ、ICQ和UCEQ四項(xiàng),這些數(shù)值在描述放大電路特性曲線中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn),用“Q”表示。

1.固定偏置共射放大電路

圖4-4所示為固定偏置共射放大電路的直流通道,根據(jù)基爾霍夫定理可得

UBEQ通常預(yù)先估值(一般硅管取0.7V,鍺管取0.2V)。

圖4-4固定偏置共射放大電路的直流通道

固定偏置電阻共射放大電路的缺點(diǎn)是工作點(diǎn)穩(wěn)定性差。電源電壓波動(dòng),環(huán)境溫度改變,都會(huì)使工作點(diǎn)發(fā)生變化。2.分壓式偏置共射放大電路

由于三極管是半導(dǎo)體器件,所以溫度升高會(huì)對(duì)三極管本身的特性有較大的影響,進(jìn)而會(huì)影響放大電路的正常工作。當(dāng)溫度升高時(shí),三極管內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)加劇,會(huì)使UBEQ減小、β增大、IC增大,使放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q沿直流負(fù)載線向飽和區(qū)移動(dòng)。這種由于溫度升高使Q點(diǎn)向飽和區(qū)移動(dòng)的現(xiàn)象稱為靜態(tài)工作點(diǎn)的漂移,也叫溫漂。當(dāng)產(chǎn)生溫漂時(shí),電路輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)減小,容易出現(xiàn)非線性失真。為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn),需要對(duì)固定偏置共射放大電路進(jìn)行改造。實(shí)際應(yīng)用中一般采用分壓式偏置共射放大電路。

圖4-5所示為分壓式偏置共射放大電路,通過(guò)負(fù)反饋環(huán)節(jié)能夠有效抑制溫度對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。分壓式偏置共射放大電路與固定偏置共射放大電路相比,其基極由一個(gè)固定偏置電阻改為兩個(gè)分壓式偏置電阻RB1、RB2,該電路要求流過(guò)RB2的電流遠(yuǎn)大于基極電流IB(工程上通常是10~20倍)。這樣,IB對(duì)偏置電阻的分流作用可以忽略,基極電位由RB1和RB2決定。根據(jù)圖4-6,分壓式偏置共射放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)指標(biāo)可通過(guò)下式求得圖4-5分壓式偏置共射發(fā)大電路圖4-6分壓式偏置共射放大電路直流通路4.2.2基本放大電路的動(dòng)態(tài)分析

放大電路僅在交流輸入信號(hào)作用下的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài),動(dòng)態(tài)分析是在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。動(dòng)態(tài)分析時(shí),研究對(duì)象僅限于交流量,因此,直流電源UCC可視為“交流接地”,耦合電容視為短路。由此,圖4-3所示的固定偏置共射放大電路的交流通路如圖4-7所示。圖4-7固定偏置共射放大電路的交流通路

動(dòng)態(tài)分析通常采用微變等效電路分析法。三極管是一個(gè)非線性器件,但在選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的情況下，如輸入為小信號(hào)，即只使用輸入、輸出特性曲線上較小的一段時(shí)，可近似當(dāng)作直線看待。在此條件下,可以把三極管看作一個(gè)線性器件,即以線性元件、電流源或電壓源組成的電路來(lái)替代三極管。在低頻電路中常用h參數(shù)等效電路來(lái)替代三極管，其方法是把三極管看作一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò),輸入、輸出各有電流、電壓兩個(gè)變量,如圖4-8所示。圖4-8三極管h參數(shù)等效電路圖中rbe為三極管對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)電阻,常用下式來(lái)估算:

將三極管微變等效為線性器件后,就可以使用歐姆定律和基爾霍夫定律對(duì)放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行估算分析。下面仍以固定偏置共射放大電路為例,用h參數(shù)等效電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,其等效電路如圖4-9所示。圖4-9固定偏置共射放大電路的h參數(shù)等效電路圖4-10放大電路的輸入、輸出等效電阻(2)微變等效電路如圖4-11所示。圖4-11例41微變等效電路

4.3共集電極放大電路4.3.1共集電極放大電路的組成

共集電極放大電路如圖4-12所示,其輸入信號(hào)連接在三極管的基極,輸出信號(hào)連接在三極的發(fā)射極,因此又稱為射極輸出器。圖4-12共集電極放大電路

對(duì)交流信號(hào)而言,直流電源UCC=0,集電極相當(dāng)于接地。由圖413所示的交流通路可見(jiàn),集電極是輸入回路和輸出回路的公共端,因此稱為共集電極放大電路。圖4-13共集電極放大電路的交流通路4.3.2共集電極放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)

圖4-14共集電極放大電路的直流通路4.3.3共集電極放大電路的動(dòng)態(tài)分析

共集電極放大電路的微變等效電路如圖415所示。圖4-15共集電極放大電路的微變等效電路

4.4功率放大器

一個(gè)實(shí)用的電子放大系統(tǒng)都是一個(gè)多級(jí)的放大電路,例如電子設(shè)備、音響設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)和各類通信系統(tǒng)等。在實(shí)際應(yīng)用中,要求這種多級(jí)放大電路的輸出級(jí)能帶動(dòng)一定的負(fù)載,如使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音、推動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)、使蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站發(fā)射機(jī)中的天線有較大的輻射功率等。這就要求多級(jí)放大電路的輸出級(jí)能夠給負(fù)載提供足夠大的信號(hào)功率,一般將這樣的輸出級(jí)稱為功率放大器,簡(jiǎn)稱“功放”。

從能量控制和信號(hào)放大的角度來(lái)看,功率放大器和前面介紹的電壓放大器一樣都具有放大器的共性,即都是能量轉(zhuǎn)換器,但功率放大器是以輸出功率為重點(diǎn)的放大電路,通常處于多級(jí)放大器的末級(jí)或末前級(jí)。4.4.1功率放大器的技術(shù)要求

1.足夠大的輸出功率

功率放大器的主要功能就是在允許的非線性失真范圍內(nèi),盡可能大地輸出交流功率以推動(dòng)負(fù)載工作。功率放大器一般工作在大信號(hào)狀態(tài)下,以不超過(guò)晶體管極限參數(shù)(ICM

、U(BR)CEO、PCM)為限度。

2.盡可能高的效率

功率放大器的輸出功率是由直流電源轉(zhuǎn)換而來(lái)的,在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,一部分能量轉(zhuǎn)換為負(fù)載的有用功率,即輸出功率;另一部分能量則使集電極放熱,成為晶體管的損耗。負(fù)載得到的功率與電源供給的直流功率之比即為效率η,它的計(jì)算公式為3.非線性失真盡可能小

在實(shí)際應(yīng)用中,電聲設(shè)備要求其非線性失真盡量小,最好不發(fā)生失真。而控制電機(jī)和繼電器等設(shè)備,則要求以輸出較大功率為主,對(duì)非線性失真的要求不是太高。由于功放工作在大信號(hào)的狀態(tài),所以輸出電壓、電流的非線性失真不可避免,但應(yīng)考慮將失真限制在允許的范圍內(nèi),即失真也要盡可能小。

4.功放管的散熱與保護(hù)

由于功率放大器工作在“極限狀態(tài)”下,因此有相當(dāng)大的功率消耗在功放管的集電結(jié)上,從而造成功放管結(jié)溫和管殼的溫度升高,所以功放管的散熱問(wèn)題及過(guò)載保護(hù)問(wèn)題也應(yīng)予以充分考慮。通常采用的措施為加裝散熱片和設(shè)置功放管保護(hù)電路。4.4.2功率放大器的分類

1.按放大信號(hào)的頻率劃分

按放大信號(hào)的工作頻段劃分,功率放大器可分為低頻功率放大器和高頻功率放大器。低頻功率放大器工作頻段通常為幾十赫茲至幾十千赫茲,高頻功率放大器用來(lái)放大幾百千赫茲至幾千兆赫茲的信號(hào)。按工作頻帶來(lái)劃分,功率放大器可分為窄帶功率放大器和寬帶功率放大器。

2.按晶體管的工作狀態(tài)劃分

按晶體管的工作狀態(tài)劃分,功率放大器可分為甲類、乙類、甲乙類、丙類四種。但丙類功率放大器要求特殊形式的負(fù)載,僅適用于高頻,因此低功頻率放大器只有甲類、甲乙類、丙類三種狀態(tài),如圖4-16所示。圖4-16低頻功率放大器的工作狀態(tài)1)甲類工作狀態(tài)

在甲類工作狀態(tài)下,功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q在晶體管的放大區(qū),且信號(hào)的作用范圍也在放大區(qū)內(nèi),如圖416(a)所示。此時(shí),在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi),放大器均有集電極電流。其優(yōu)點(diǎn)是單管可以進(jìn)行功率放大,且輸出為完整的正弦波形;缺點(diǎn)是靜態(tài)時(shí)晶體管流過(guò)較大的電流,靜態(tài)功耗較大,輸出信號(hào)幅值也較小。

2)乙類工作狀態(tài)

在乙類工作狀態(tài)下,功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q在晶體管的截止區(qū)邊緣,信號(hào)的作用范圍一半在放大區(qū),一半在截止區(qū),如圖4-16(b)所示。此時(shí),只有在輸入信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi),放大器有集電極電流。其優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)時(shí),晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),沒(méi)有靜態(tài)電流流過(guò)晶體管,晶體管的自身功耗數(shù)值最小,輸出信號(hào)幅值最大;缺點(diǎn)是晶體管輸出信號(hào)嚴(yán)重失真,一個(gè)晶體管只能輸出半個(gè)正弦波形,工作時(shí)必須由兩個(gè)晶體管構(gòu)成推挽電路。3)甲乙類工作狀態(tài)

甲乙類工作狀態(tài)是介于甲類和乙類之間的工作狀態(tài),其靜態(tài)工作點(diǎn)Q在靠近截止區(qū)的位置,信號(hào)的作用范圍大部分在放大區(qū),少部分在截止區(qū),如圖4-16(c)所示。此時(shí),在輸入信號(hào)的多半個(gè)周期內(nèi)放大器有集電極電流,其輸出信號(hào)失真程度小于乙類工作狀態(tài),輸出信號(hào)幅值大于甲類工作狀態(tài);缺點(diǎn)在于,單管輸出仍然存在失真,工作時(shí)仍需要兩個(gè)晶體管構(gòu)成輸出。

4)丙類工作狀態(tài)

在丙類工作狀態(tài)下,功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q在晶體管的截止區(qū)內(nèi),信號(hào)的作用范圍大部分在截止區(qū),少部分在放大區(qū)。此時(shí),在輸入信號(hào)的小半個(gè)周期內(nèi)放大器有集電極電流。

在相同輸入信號(hào)作用下,丙類功放集電極電流的流通時(shí)間最短,一個(gè)周期內(nèi)平均功耗最低,而甲類功放的功耗最高。即相同輸入信號(hào)下如果維持輸出功率不變,四類功放滿足η甲<η甲乙<η乙<η丙。理想條件下,甲類功放的最高效率為50%,乙類功放的最高效率為78.5%,丙類功放的最高效率為85%~90%。3.按功率放大器的電路形式劃分

按功率放大器的電路形式劃分,功率放大器可分為單管功率放大器、互補(bǔ)推挽功率放大器和變壓器耦合功率放大器。單管功率放大器存在著效率低下或是失真較大的問(wèn)題,變壓器耦合功率放大器體積大、成本高、不能集成化,因此目前常使用的是互補(bǔ)推挽功率放大器。所謂互補(bǔ)推挽功率放大器是指用兩個(gè)工作在乙類或甲乙類狀態(tài)下的放大器,分別放大輸入信號(hào)的正、負(fù)