《电工电子技术及应用》课件-第9章

第9章基本交流放大电路9.1基本放大电路的组成及各元件的作用9.2放大电路的静态分析9.3放大电路的动态分析9.4静态工作点的设置与稳定方法9.5共集电极放大电路9.6多级放大电路的分析与计算

第9章基本交流放大电路9.7差动放大电路9.8功率放大电路9.9三极管放大电路在电子设备中的应用9.10三极管开关电路在电子设备中的应用习题9

晶体管工作区分别为放大区、饱和区、截止区。当晶体管工作在放大区时,主要是利用其组成放大电路,将微弱的电信号放大成较强的电信号,以便有效地进行观察、测量或控制较大功率的负载。

9.1基本放大电路的组成及各元件的作用

9.1.1基本放大电路的组成图9.1.1是最基本的共射极交流放大电路(又称放大器)。由晶体管VT、电阻、电容、直流电源等组成。待放大的交流信号ui(通常可用一个理想电压源eS和电阻RS串联表示)。图9.1.1共射极基本交流放大电路

9.1.2放大电路中各元件的作用

晶体管VT是放大元件,工作在线性放大区。利用它的放大作用,当微小的输入信号电压ui

在基极产生微小的基极电流iB时,晶体管控制电源UCC在输入回路中产生较大的与基极电流成比例的集电极电流iC,从而在负载上获得较大的与输入电压成比例的输出电压uo。如果从能量传递的角度看,输入信号的能量较小,而输出信号的能量较大,但这不是说放大电路将输入能量放大了。能量是守恒的,不能放大,输出较大能量是来自直流电源UCC。

集电极电源电压UCC有两个作用:一个是保证晶体管集电结反偏,发射结正偏,使晶体管工作在放大区;另一个作用是为电路提供能源。UCC一般为几伏特到几十伏特。

集电极电阻RC将集电极电流变化转变为电压变化,以实现电压放大。RC的阻值一般为几千欧姆到几十千欧姆。它可以是一个纯电阻,也可以是继电器、发光二极管等,作为执行元件或能量转换元件。

基极偏置电阻RB主要作用是与电源UCC配合为晶体管提供合适的静态基极电流IB

(也称为偏置电流),RB的阻值较大,一般为几十千欧姆到几百千欧姆。

耦合电容C1、C2的主要作用是“隔直流,通交流”,它们可以有效地构成放大电路的交流信号通路,避免信号源与放大器之间直流电位的互相影响。在图9.1.1中,C1左边与C2右边只有交流信号,中间部分交直并存。耦合电容多采用电解电容,连接时注意极性,正极接高电位,一般为几微法拉至几十微法拉。

9.1.3放大电路的常用性能指标

1.放大倍数

放大倍数可分为电压放大倍数、电流放大倍数、功率放大倍数。它们用于衡量放大电路对信号的放大能力,电压放大倍数是最常用的指标,表达式为

2.输入电阻

输入电阻用来衡量放大电路从信号源获取信号的能力,是信号源的负载,越大越好。它等于输入信号的电压i与输入信号的电流i之比,表达式为

3.输出电阻

输出电阻是用来衡量放大电路带负载能力的指标,其值越小越好,越小带负载能力越强,即负载变化时对输出电压影响越小,表达式为

9.2放大电路的静态分析

放大电路中没有交流输入信号(ui=0)时,电路中各处的电压、电流都是不变的直流,称为静态工作状态。静态工作状态下的各电流、电压值称为静态值,用大写字母的平标和下标表示,如基极电流IB、集电极电流IC

、基射极电压UBE

、集射极电压UCE

,其中根据IB、IC

、UCE

的值可以在晶体管特性曲线上确定一点,称为静态工作点。静态分析的目的就是确定静态工作点,因为静态工作点选取不当,放大电路的输出会失真,甚至不能放大。

9.2.1直流通路法静态分析

静态值是直流,因此可以用放大电路的直流通路进行分析计算。直流通路是指在直流电源作用下直流电流流经的通路。画直流通路时电容视为开路,电感视为短路,信号电压源视为短路,但应保留其内阻。图9.2.1所示电路就是图9.1.1所示电路的直流通路,分析的具体步骤如下。图9.2.1图9.1.1所示放大电路的直流通路

例9.2.1在图9.1.1中,UCC

=12V,RC=4kΩ,

RB

=300kΩ,β=37.5,求放大电路的静态工作点。

解根据图9.2.1所示的直流通路,按求解步骤可得

9.2.2图解法静态分析

放大电路的静态工作点也可以通过图解法确定,但考虑到作图的准确程度,一般不用图解法确定具体的静态工作点数值。图解法主要用于直观分析和了解电路参数对静态工作点的影响,以及静态工作点对放大电路工作的影响,对例9.2.1用图解法确定静态工作点的步骤如下:

(1)作出放大电路中三极管的输出特性曲线。

在例9.2.1中,IB=40μA,所以IC、UCE的关系就是三极管对应于IB=40μA的一条输出特性曲线,如图9.2.2所示。

(2)作出放大电路中的直流负载线。

由图9.2.1所示直流通路可以得到

或图9.2.2图解法确定静态工作点

(3)确定静态工作点。

直流负载线与三极管的某条(由IB决定)输出特性曲线的交点Q,称为静态工作点,由它可以确定静态工作点的数值。例9.2.1中IB=40μA,所以由图9.2.2可确定Q点,得到

IB=40μA,IC

=1.5mA,UCE=6V。

由图9.2.2可见,IB大小不同,静态工作点在直流负载线上的位置也不同。因此改变IB的大小,就可以调整静态工作点的位置,以适应不同的工作状态的要求。

9.3放大电路的动态分析

对放大电路进行动态分析时要使用交流通路,所谓交流通路是指交流信号在放大电路中的传输通道。画交流通路的原则是:电路中电容视为短路,直流电源视为短路。图9.3.1所示是图9.1.1所示放大电路的交流通路。图9.3.1图9.1.1所示放大电路的交流通路

9.3.1图解法动态分析

在进行动态分析时,由于要用到较多的电压、电流名称,因此进行统一约定,以便区别。对于静态值用大写斜体字母加大写正体字母下标表示,如基极电流IB、集射极电压Uce;对于交流分量的有效值用大写斜体字母加小写正体字母下标表示,如基极电流Ib、集射极电压Uce;对于交流分量的瞬时值用小写斜体字母加小写正体字母下标表示,如基极电流ib、集射极电压uCE;对于电路中的总电压或总电流的瞬时值用小写斜体字母加大写正体字母下标表示,如基极电流

iB、集射极电压uCE。

对例9.2.1进行图解分析,图解法动态分析的具体步骤:

(1)根据ui的波形,在三极管输入特性曲线上求iB。

(2)在输出特性曲线上作交流负载线,求iC及uCE波形。

(3)求出放大倍数(不精确)。

根据图9.3.1所示交流通路可得放大电路输出回路电阻为

类似于直流负载线,交流负载线是一条过Q点,斜率为-1/R'L的直线,如图9.3.2所示。图9.3.2直流负载线与交流负载线

图9.3.3为放大电路有正弦输入信号的图解分析过程。由图解分析,可得如下结论:图9.3.3放大信号有正弦输入信号的图解分析过程

(1)交流信号传输过程:ui(ube)→ib→ic→uo(uce)。

(2)交流直流共存,即静态的直流分量上都叠加了交流分量:

由于电容C2的隔直作用,只有交流分量uce能通过电容C2,构成输出电压uo,输出明显大于输入,体现了放大作用。

(3)输出与输入相位相反,即反向电压放大作用。

图解法的主要作用是分析放大电路的非线性失真。三极管有三个工作区,如果静态工作点选取不当,就会使在一个输入信号周期内,三极管工作在饱和区或截止区,而产生波形失

真(非线性失真)。

(1)截止失真。

在图9.3.4中,静态工作点Q2的位置太低,在输入信号的负半周,三极管进入截止状态,输出电压正半周被削平,严重失真,称为截止失真。

(2)饱和失真。

在图9.3.4中,静态工作点Q1的位置太高,在输入信号的正半周,三极管进入饱和状态,输出电压负半周被削平,严重失真,称为饱和失真。图9.3.4静态工作点选取不当引起的输出失真

(3)非线性失真解决办法。

产生非线性失真的原因是静态工作点不合适或者输入信号太大,使放大电路的工作范围超出了三极管的线性范围引起的。截止失真与饱和失真都是非线性失真。解决的方法是:

①截止失真时,减小RB,使Q点上移。

②饱和失真时,增大RB,使Q点下移。

9.3.2微变等效法动态分析

当放大电路的输入信号电压很小时,可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替,从而对三极管放大电路进行线性化处理,即微变等效变换。图9.3.5是三极管的微变等效电路。此处省略了变换推导过程,有兴趣的同学可以参考电子技术相关参考书。三极管微变等效电路中rbe的估算公式为图9.3.5三极管微变等效电路

1.画出放大电路的微变等效电路

进行动态分析时首先要画出放大电路的交流通路,如图9.

3.1所示,再将三极管用微变等效电路代替,即得到放大电路的微变等效电路,如图9.3.6所示。由于输入是正弦信号,所

以图9.3.6中的电压与电流可以是向量形式。

图9.3.6放大电路的微变等效电路图

2.电压放大倍数计算

由图9.3.6可得

其中

因此电压放大倍数

3.求输入电阻

输入电阻就是从放大器输入端向内看进去的等效电阻,由图9.3.6及式(9.1.2),得

4.求输出电阻

输出电阻是从放大器输出端看进去的一个电阻。求放大器输出电阻时应将信号源短路,输出端开路(去掉负载电阻),并在输出端加一个交流电压,以产生一个电流。

根据图9.3.6及式(9.1.3),得

综合以上分析,共射极放大电路的特点为:电压放大倍数较大,输入电压与输出电压相位相反,输入电阻较小,输出电阻较大。

图解法与微变等效电路法的对比如表9.3.1所示。

9.4静态工作点的设置与稳定方法

9.4.1静态工作点的设置在上一节中说过,静态工作点位置太高或太低,放大电路都会产生非线性失真,因此我们一般要求设置静态工作点在直流负载线的中间位置比较好。但是当静态工作点设置好以后经常会受到工作温度影响,例如在图9.3.2中,当温度上升时IC增大,此时直流负载线(-1/RC)和IB(IB≈UCC/RB)均未变化,而静态工作点将向上移动,进入饱和区。

9.4.2常用静态工作点稳定电路——分压式偏置放大电路

图9.1.1所示放大电路的偏流由RB与UCC确定,一经选定就固定不变,所以称为固定偏置放大电路,它不能稳定静态工作点。图9.4.1(a)所示电路是分压式偏置放大电路,它能提供合适的偏流,也能稳定静态工作点。该电路有两个基极电阻RB1和RB2,多了射极电阻RE及电容CE。图9.4.1分压式偏置放大电路及其直流通路

1.静态工作点的计算

先画出放大电路的直流通路,如图9.4.1(b)所示。由图可得

由此可以看出,UB与三极管参数无关,不受温度影响。由图9.4.1(b)还可得出

通过调整两个基极电阻RB1和RB2,可使UB远远大于UBE,则

当RE固定不变时,IC和IE也不变。因此只要适当选取RB1和RB2,使I2远远大于IB,UB远远大于UBE,则UB、IC、IE均与三极管参数无关,不受温度影响,因此静态工作点不变。一般RB1和RB2为几十千欧姆,UB电位不能太高,否则,由于发射极电位UE(≈UB)增高而使UCE减小,最终会减小放大电路输出电压范围。因此,对硅管而言,一般取I2为5到10倍的IB,UB为5到10倍的UBE。对分压式偏置放大电路静态工作点计算过程归纳如下:

2.动态分析

首先画出放大电路的微变等效电路,如图9.4.2所示。图9.4.2分压式偏置放大电路微变等效电路

参见前面推导过程,得

式(9.4.5)中R'L是等效负载,其值为RC∥RL。

例9.4.1在图9.4.1(a)所示的电路中,UCC=12V,RB1=20kΩ,RB2=10kΩ,RC=3kΩ,RE=2kΩ,RL=3kΩ,β=50。计算静态工作点,求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。

解由式(9.4.1)~式(9.4.4)可得静态工作点为

由式(9.4.5)~式(9.4.7)进行动态分析,得

9.5共集电极放大电路

在晶体管组成的放大电路中,将集电极作为输入和输出信号的公共端,输入电压从基极对地(集电极)之间输入,输出电压从发射极对地(集电极)之间取出,这种电路称为共集电极放大电路,由于输出电压取自发射极,因此也称射极输出器,电路如图9.5.1所示。图9.5.1共集电极放大电路

1.静态工作点计算

图9.5.2是共集电极放大电路的直流通路,由此可以确定静态工作点。由图可得图9.5.2共集电极放大电路的直流通路

2.动态分析计算

图9.5.3是共集电极放大电路(射极输出器)的微变等效电路,由此可以进行动态分析图9.5.3射极输出器微变等效电路

1)电压放大倍数

由微变等效电路可知

式中,R'L是等效负载,其值为RC∥RL。

2)输入电阻

由微变等效电路可以看出

输入电阻为RB与rbe+(1+β)R'L的并联,即

射极输出器输入电阻很高,可达几十千欧姆到几百千欧姆。图9.5.4计算输出电阻时的等效电路

3.射极输出器特点与用途

射极输出器的特点如下:

(1)电压放大倍数小于1,且近似于1,对输入电压无放大作用。

(2)输入电阻高,输出电阻低。

射极输出器的用途如下:

(1)用于多级放大电路的输入级。因其输入电阻高,使信号源内阻压降小,利于信号电压传送入放大器。

(2)用于多级放大电路的输出级。放大电路相对于负载而言相当于一个实际电压源,输出电阻低意味着当负载变化时,放大电路输出电阻上的压降小,从而保证负载上的输出电压变化小。

9.6多级放大电路的分析与计算

在工程应用中,由于输入信号都比较微弱,所以由一个三极管组成的单级放大电路很难满足要求。在实际使用时,一般是几个单级放大电路连接起来,使信号逐级放大,称为多级放大电路。在多级放大电路中,相邻两级的连接称为级间耦合,耦合的目的是将前一级的信号送入下一级。对级间耦合的基本要求是:耦合电路对前后级放大电路静态工作点无影响;不引起信号失真,尽量减少信号电压在耦合电路上的损失。

常用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。多级放大电路最常采用的耦合方式是阻容耦合,阻容耦合时,前级与后级通过电容连接,电容的隔直作用使前后级的静态工作点不相互影响,所以两级静态工作点可以单独计算。变压器耦合体积较大不便于集成。直接耦合时,前后级静态工作点相互影响,受温度影响较大。图9.6.1所示是一个阻容耦合多级放大电路。下面通过一个例题来讲述多级放大电路的分析过程。图9.6.1两级阻容耦合放大电路

解(1)静态工作点计算。

第一级与第二级放大电路均为分压式偏置放大电路,由于是阻容耦合,静态工作点互不影响,因此可以分别单独求取(可以参照例9.4.1)。

第一级:

(2)求电压放大倍数。

(3)各级输入输出电阻。

第一级输入电阻(放大电路总的输入电阻):

第二级输入电阻已经求出,为0.94kΩ。

第一级输出电阻与第二级输出电阻(电路总的输出电阻)分别为

从例9.6.1中可以看出,通过两级放大后,放大倍数可以达数千倍。为了简化电路,提高放大倍数还可以用复合管,也称达林顿管。

复合管可以由同型管组成,也可以由不同型管组成。复合管的类型与第一个三极管相同,与后级的三极管无关,如图9.6.2所示。复合管的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘

积,即β=β1β2。由相同类型的三极管组成的复合管,其总的rbe表达式如下:

由不同类型的三极管组成的复合管,其总的rbe

等于第一个三极管的rbe

。图9.6.2复合管

9.7差动放大电路

上一节中提到阻容耦合多级放大电路,但是在工业应用中有些地方不能使用阻容耦合多级放大电路,如测量温度的系统,由于测量信号变化缓慢,不适合用电容耦合,因此需要用直接耦合的多级放大电路,另外直接耦合的多级放大电路也利于集成。但是直接耦合放大电路最大的问题是零点漂移。所谓零点漂移,就是当输入信号为零时,输出信号不为零,而是一个随时间漂移不定的信号,简称零漂。零漂严重时可以淹没输出信号。

9.7.1差动放大电路抑制零漂的原理

图9.7.1是一个最基本的差动放大电路,电路的结构与元件是左右对称的。静态时ui1=ui2=0,由于电路两边对称,因此集电极电流、电位也相等,所以输出电压

当温度升高时,两管的集电极电流都增大,集电极电位都下降,并且两边的变化量相等,即

零点漂移被完全抑制了。图9.7.1差动放大电路

差动放大电路对称性越好,抑制零漂的作用越强。但是完全对称是不可能的,因此引入电位器RP(一般为几十欧姆,也叫调零电阻),通过调节电位器使静态时输出电压为零。RE的主要作用是进一步减小零漂,稳定电路静态工作点。但是当UCC固定时,过大的RE会使集电极电流变小,为此接入电源UEE。当温度上升时,电路抑制零点漂移的过程如下:

9.7.2差动放大电路的工作原理

差动放大电路在双端输入时存在以下三种情况。

1.共模信号

当ui1=ui2时,称为共模输入信号。由于差动放大电路的对称性,因此输出电压为零,电路对共模信号没有放大能力。

9.7.3共模抑制比

差模电压放大倍数和共模电压放大倍数的比值称为共模抑制比KCMRR,即

或用对数形式表示为

其中,Ad和Ac分别表示差模信号放大倍数和共模信号放大倍数。显然,共模抑制比越大,差动放大电路分辨所需要的差模信号的能力越强,而受共模信号影响越小。

9.8功率放大电路

在实际工程中,往往要利用放大后的信号去控制某种执行机构,如扬声器发声、电机转动等。为了控制这些负载,要求放大电路要有较大的输出电压和电流,因此最后一级一般要用功率放大电路。功率放大电路与电压放大电路并无本质区别,其不同之处在于:电压放大电路要求有较高输出,是工作在小信号状态下;而功率放大电路要求获得较高输出功率,是工作在大信号状态下。

集成功率放大器的输出功率从大到小,有多种规格系列的产品,可以查阅手册选取。作为使用者不必关心器件内部结构原理,只需掌握放大器各个引脚功能和使用方法即可。下面以D2002为例,对集成功率放大器进行介绍,如图9.8.1所示。图9.8.1集成功率放大电路应用

输入信号ui经耦合电容C1送入放大器输入端1;放大后的信号由输出端4经耦合电容C2送到负载;5为电源,3为接地端。R3、C4构成高通滤波电路,R1、R2、C3构成负反馈电路,提高稳定性。该电路不失真输出功率可达5W。

9.9三极管放大电路在电子设备中的应用

三极管放大电路在测量、控制等领域应用十分广泛。例如在汽车电子控制系统中,任何一个传感器输出的信号都是微弱的电信号,必须经过放大后才能输入到汽车电子控制单元中,经过处理后执行自动控制。在驱动元件时也要对功率较小的控制信号进行放大。

9.9.1汽车搭铁探测器电路

图9.9.1所示为汽车搭铁探测器电路,其作用是检测汽车线路是否有对车身短路的情况发生。

当汽车出现搭铁短路时,该电路可以快速查找搭铁故障点所在位置。其原理如图9.9.1所示,当导线搭铁后,在搭铁处的短路电流会发出高频波信号,这个信号就被由线圈和铁芯

构成的传感器接收到,在传感器中产生交变电信号。该信号比较微弱,但经过两个三极管构成的两级放大电路放大后,可以使LED发光、耳机发声。探测器离故障点越近,LED越亮,耳机越响,从而可以快速找到故障点的位置。图9.9.1汽车搭铁探测器电路

9.9.2电动机绕组磁极检测电路

图9.9.2所示为一个电动机绕组磁极检测电路,可用于电动机定子或转子重绕时判读绕组嵌线的正误以及磁极绕组线圈的首尾端等。

集成电路IC1为运算放大器LF351H(运算放大器将在下一章介绍,此处的作用是放大输入信号)。VT1与VT2组成输入级差分放大电路,VT3与VT4为输入级差分放大电路提供电流,VD3为VT3与VT4提供基准电压。图9.9.2电动机绕组磁极检测电路

每相绕组均单独检测。在进行检测前,先调节RP2使电表指示为零,再将检测线圈两端接上15~20V的直流电压,然后将磁感应传感器平行放在转子或定子的极相组磁极上。这样传感器在通过电动机绕组磁场的瞬间会产生一个感应电流。根据电工技术知识,该感应电流的方向与磁力线的方向有关,大小与磁场强弱有关。

传感器检测到的微弱电流分别加到差分放大器的VT1与VT2的基极,经差分放大器放大后从集电极输出,同时进入运算放大器,经进一步放大后,输出激励电流表,电流表会向

正向或负向摆动,由此可以判断出电动机转子或定子磁矩排列顺序和强弱是否符合嵌线规律。

9.10三极管开关电路在电子设备中的应用

由三极管的工作特性可知,当三极管在饱和状态和截止状态之间转换时,三极管即工作在开关状态。在电子电路中很多时候要求三极管工作在开关状态,此时受控的电子器件一般接在三极管的集电极上,控制信号加在基极上,当基极上有控制信号来临时,三极管就处于饱和导通状态,集电极和发射极之间相当于开关闭合,接在集电极上的电子器件由于得电而工作。

当控制信号与基极断开时,三极管处于截止状态,集电极与基极之间相当于开关断开,电子元件的电路被切断而失电,如图9.10.1所示。

图9.10.1三极管开关电路基本应用示意图

在汽车电子电路中,通过较小的控制信号经过三极管开关电路,可以控制喷油器、继电器、指示灯、点火器等大功率器件的工作。此外,在工业控制电路中三极管也常被作为开关使用,如常见的H桥电机驱动电路等等。三极管响应速度快、没有噪声而且不会造成机械磨损,所以在汽车电子、工业控制等领域经常用三极管取代传统的机械开关或继电器等有触点的元件

9.10.1H桥电机驱动电路

图9.10.2中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。四个三极管组成H的四条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:图不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。例如,当VT1和VT4导通、VT2和VT3截止时,电流就从电源正极经VT1从左至右穿过电机,然后再经VT4回到电源负极。该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当VT2和VT3导通、VT1和VT4截止时,电流将从右至左流过电机,该流向的电流将驱动电机逆时针转动。图9.10.2H桥驱动电路

9.10.2喷油控制电路

图9.10.3所示的电路是汽车发动机喷油控制电路。发动机工作时,各种传感器的信号输入给行车电脑ECU后,电脑根据计算和逻辑分析判断的结果,发出脉冲信号指令到三极管VT的基极控制喷油器工作。当脉冲信号的高电平加到VT的基极时,VT导通,喷油器线圈电流接通,产生电磁吸力将阀门打开,喷油器开始喷油。当脉冲信号的低电平加到