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第21章 基本放大电路(2)

其次,利用发射极电阻RE的降压作用,当工作点产生移动趋势时,使晶体管基射极电压UBE减小,以此来减小IC,达到稳定工作点的目的。

根据I1IB和VBUBE两个条件,得出式(7-12)和式(7-13),说明了VB是固定的,因而IC也是稳定的,它不随温度而变化,而且也与管子参数无关。所以,在维修中换用不同β的管子时,工作点仍然稳定。

显然,I1和VB越大,工作点稳定性越好。但I1不能太大,因为I1太大,将使RB1和RB2上能耗太大,有效输入信号减小。同样,VB也不能太大,因为VB太大,VE必然也大,导致UCE减小,甚至影响放大电路正常工作点。所以,通常选择I1(5~10)IB,VB(5~10)UBE。

分压式偏置电路能稳定静态工作点的物理过程可表示如下:

从上面的分析可见,RE愈大,稳定性能愈好。但RE太大时,将使VE增大,因而减小放大电路输出电压的幅值。RE在小电流情况下为几百欧到几千欧,在大电流情况下为几欧到几十欧。实际使用时,为了避免交流信号在RE上产生交流压降,导致电压放大倍数下降,通常在RE上并联一个大容量的极性电容CE,这对交流分量可视做短路,而对直流分量并无影响,故CE称为发射极交流旁路电容,其容量一般为几十微法到几百微法。

7-5射极输出器

7-5-1电路的组成

射极输出器是负反馈放大电路的一个重要特例,它的电路如图7-15所示。由图中可以看出,这种电路的输出端由发射极引出,输出电压Uo是发射极电流的交流分量在射极电阻RE上的电压降,故称为射极输出器,它属于共集电极放大电路。

7-5-2工作原理

1.静态分析

2-动态分析

1)电压放大倍数

可见,射极输出器的电压放大倍数小于1,但因通常βRLrbe,所以Au接近1。同时可见Au为正,即射极输出器输出电压与输入电压的相位相同,即输出电压总是跟随输入电压变化,故称之为射极跟随器。

应当指出,射极输出器虽然没有电压放大作用,但由于Ie比Ib大β倍,它可以作为电流放大或小功率放大。

2)输入电阻高

所以,射极输出器的输入电阻为ri=RBrbe+(β+1)RL(7-19)一般RB电阻很大,可达几十千欧到几百千欧;而射极-基极回路电阻rbe+(1+β)RL,较无反馈的共射极放大电路的输入电阻rbe大得多。通常射极输出器的输入电阻可高达几十千欧到几百千欧。

3)输出电阻低

射极输出器的输出电阻ro可由图7-17的电路求得,将信号源短路,保留其内阻Rs,Rs与RB并联后的等效电阻为Rs在输出端将负载开路,加一交流电压痹Uo,产生电流痹Io。

可见射极输出器的输出电阻是很低的,由此也说明它具有恒压输出特性。

综上所述可见射极输出器的用途很广泛。它的输入电阻较高,这意味着向信号源(或高级放大电路)吸取的电流较小,对前级放大器的影响较小;而输出电阻低,则可减小负载变动对电压放大倍数的影响,因此射极输出器常用来作为多级放大电路的输入级或输出级。此外,也常将它接在两级共射极放大电路之间,则对前级放大器而言,它的高输入电阻对前级影响甚小,而对后级放大器而言,由于其输出电阻低,又恰好与输入电阻低的共射极电路相配合,这就是射极输出器的隔离作用,通常将此级称为缓冲级。

由此可见,虽然射极输出器本身的电压放大倍数小于1,但将它接入多级放大器作为输入级、输出级或中间级后,起到阻抗连接和变换作用,而使前后级的放大器的工作都得到改善,因而能够提高整个多级放大器的放大倍数。

7-6多级放大电路

前面讨论的放大电路,都是由一个晶体管组成的单级放大电路,放大倍数一般只有数十倍。为推动负载工作,必须由多级放大电路对微弱信号进行“接力”放大,方可在输出端获得必要的电压幅值或足够的功率。所以,实际上的放大器往往是多级放大器。其中前面几级称为前置级,主要用做电压放大,以将微弱的输入电压放大到足够的幅值,然后推动功率放大级(末级及末前级)工作,以输出负载所需要的功率。

在多级放大器中,每两个单级放大器之间的连接方式叫耦合。通常采用的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种方式。无论哪种耦合电路,对其基本要求都是:

(1)级连以后,要保证各级放大电路的静态工作点互不影响;(2)在信号逐级传递过程中,要尽量减小失真;(3)尽量减少信号电压在耦合电路上的损失。

在多级放大器的前置放大级中,一般采用阻容耦合方式;在功率输出级中,一般采用变压器耦合方式;而在直流(或极低频)放大器中,常采用直接耦合方式。本节讨论的是阻容耦合放大器。

7-6-1电路的组成及工作原理

图7-18是两级阻容耦合放大器,两级之间通过耦合电容C2及偏置电阻RB2连接,故称为阻容耦合。根据对耦合电路的要求,耦合电容对交流信号的容抗必须很小,以使前级输出信号电压差不多无损失地传送到下一级输入端。信号频率越低,电容值应越大,耦合电容通常取几微法到几十微法。信号源或前一级放大器的输出信号在耦合电阻上产生压降,作为下一级放大器的输入信号。

由于前后级之间通过耦合电容C2相连,所以各级直流通路是独立的,同时每一级的静态工作点也是独立的。这就保证了前后级的静态工作点互不影响。另外在单级放大电路中输入信号电压与输出信号电压相位相反。在两级放大电路中,由于两次反相,因此输入电压和输出电压相位相同。

7-6-2多级放大电路电压放大倍数的计算

放大倍数通常是指中频段范围内电路的增益。在小信号情况下,放大电路处于线性工作状态,各项参数均为常数,则多级放大电路也可以用微变等效电路表示,如图7-19所示。图中每一级放大倍数的计算与单级放大电路相同。因前一级的输出为后一级的输入,即Uo1=Ui2,故前一级的负载电阻应包含后一级的输入电阻。

下面举例说明两级阻容耦合放大电路的静态分析和动态分析。

【例7-6】在图7-18的电路中,已知RB1=30k,RB2=15k,RB1=20k,RB2=10k,RC1=3k,RC2=2.5k,RE1=3k,RE2=2k,RL=5k,C1=C2=C3=50μF,CE1=CE2=100μF。β1=β2=40,UCC=12V,试求:(1)各级静态值;(2)两级放大电路的电压放大倍数。

7-7放大电路中的负反馈

反馈技术在电子电路中得到了极为广泛的应用。在放大电路中采用负反馈,可以改善放大电路性能。因此实用的放大电路几乎都采用负反馈,故通常也称做负反馈放大电路。本节将讨论负反馈的概念,负反馈放大电路的类型,负反馈对放大电路性能的影响,以及负反馈电路的分析方法。

7-7-1反馈的概念

所谓反馈,就是将放大电路输出端的电量(电压或电流)的一部分或全部,通过一定网络再送回输入端。

实际上,在工作点稳定时,已经用到了反馈的概念。如图7-14中,射极电阻RE就是起反馈作用的。例如当温度升高使电流IC增加时,增加的电流通过RE反馈到输入回路,利用RE上的电压降的增大迫使IB和IC减少,维持工作点稳定,这个调整过程称为反馈过程。

其过程可以表示如下:

由此可见,在RE阻值一定的情况下,反馈电流IE变化越大,则放大器的工作点就越稳定,因此这种电路的反馈强弱决定于电流IE的大小。

7-7-2反馈的形式

1-正反馈和负反馈

根据反馈极性的不同,可以分为正反馈和负反馈。若引回的反馈信号加强了原输入信号,使放大电路的电压放大倍数增大则为正反馈,这种反馈一般用于振荡电路中;若反馈信号削弱了原输入信号,使放大电路的电压放大倍数降低,则为负反馈,负反馈广泛应用于一般放大电路中。

判断一个反馈是正反馈还是负反馈,常用的方法叫瞬时极性法。首先假定输入端交流信号处于某一瞬时极性,然后根据放大电路的集电极与基极瞬时极性相反,发射极与基极瞬时极性相同的关系,逐级地推出各点的瞬时极性,并在图中用“+”“-”号表示出来,然后判断反馈到输入端的信号的瞬时极性,是否对净输入信号起削弱作用,若是削弱的,则为负反馈;反之为正反馈。

2-直流反馈和交流反馈

根据反馈信号的交直流性质,可以分为直流反馈和交流反馈。直流反馈的作用是稳定静态工作点,如具有旁路电容的共射极放大电路的射极电阻。而射极输出器中的射极电阻,除起直流反馈作用外,也起交流反馈作用。各种类型的交流反馈将对放大电路的各项动态性能产生不同的影响,是用以改善电路技术指标的主要手段。

3-电压反馈和电流反馈

根据反馈采样方式的不同,可以分为电压反馈和电流反馈。若反馈信号取自输出电压,或与输出电压成正比,称为电压反馈,如后面要讲的射极输出器;若反馈信号取自输出电流,或与输出电流成正比,则称为电流反馈,如共射极放大电路。

放大电路中引入电压负反馈,稳定输出电压,其效果是减小了电路的输出电阻;而电流负反馈,稳定输出电流,因而增大了电路的输出电阻。

判断电压反馈还是电流反馈,一般可以将输出端交流短路,此时若反馈信号不复存在,则为电压反馈;否则,就是电流反馈。

4-串联反馈和并联反馈

根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端连接方式的不同,可以分为串联反馈和并联反馈。若反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式相加减(即反馈信号与输入信号串联),称之为串联反馈;若反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式相加减(即反馈信号与输入信号并联),称之为并联反馈。

另外,判断是串联反馈还是并联反馈也可以用输入短路法进行判别,具体作法为:将输入端口短接,若反馈信号被旁路掉,可确定为并联反馈;否则,为串联反馈。

通常,若放大电路的输入端采用并联负反馈,将使其输入电阻减小;若放大电路的输入端采用串联负反馈,将使其输入电阻增大。

7-7-3反馈的组态

由上述4种反馈形式可组合成下列4种类型的负反馈:电流串联负反馈,电压串联负反馈,电流并联负反馈,电压并联负反馈。现结合具体电路来分析它们的特点。

1-电流串联负反馈电路

如图7-20(a)所示,图中射极电阻RE既在输出回路中,又在输入回路中,它是电路的反馈元件。前已述及,它起到了稳定静态工作点的作用,这是对直流而言的,是直流负反馈。

在此电路中RE两端无旁路电容,因此它也起交流负反馈的作用。

如图7-20(b)是此电路的微变等效电路,其中输出电流痹Ie流过RE产生压降痹Uf=痹Ue=痹IeRE,送回到输入回路,同输入信号痹Ui进行叠加,使得放大管的净输入信号痹Ube=痹Ui-痹Uf(痹Uf和痹Ui同相位)减小,故为负反馈;从输出回路看,反馈信号痹Uf与输出电流痹Ie成正比,故它又是电流反馈;从输入回路看痹Uf与痹Ui相串联,因此它又是串联反馈;所以,图7-20(a)属于电流串联负反馈放大电路。

电流负反馈是把输出电流作为反馈量回送到输入端,它的重要特点是具有稳定输出电流的作用。其稳定输出电流的作用简述如下:假定输入电压Ui的幅度一定,由于某种原因(例如三极管的β值增大或负载RL的减小),使Io(Ic)增大,在电流负反馈的作用下,将引起下列的调整过程如下:

可见,电流负反馈作用的结果牵制了Io的增加,维持了Io的基本稳定。这说明电流负反馈放大电路具有恒流源的特性,即由输出端看进去的输出电阻因负反馈而增加了,这是电流负反馈的又一重要特点。

2-电压并联负反馈电路

如图7-21(a)所示为一种典型的单级放大电路。它的基本放大电路部分是一个带有直流负反馈的共射极单管放大电路。同样可以用瞬时极性法来判断反馈的极性。当输入端基极的瞬时极性为正时,经三极管倒相后,集电极电位将降低,于是流过Rf的电流If增大,因而净输入电流Ib将减小,因此是负反馈;因为痹IfRf+痹Uo=痹Ube,痹If-痹Uo痹Rf,由于反馈电流和输出电压成正比,因此属于电压反馈;由于输入信号和反馈信号(Ib=Ii-If)是以电流形式相减后流入管子的基极如图7-21(b)所示,因此属于并联反馈。所以,此电路是电压并联负反馈电路。另外,对于并联反馈,信号源内阻Rs越大,则反馈效果越好。

电压负反馈是把输出电压作为反馈量回送到输入端,它的重要特点是具有稳定输出电压的作用。其稳定输出电压的作用简述如下:假定输入电压Ui的幅度一定,若因为某种原因(三极管的参数或负载电阻发生变化)使输出电压减小,在电压负反馈的作用下,将引起下列的调整过程如下:

可见,电压负反馈作用的结果牵制了Uo的下降,维持了Uo的基本稳定。这说明电压负反馈放大电路具有恒压源的特性,即由输出端看进去的输出电阻因负反馈而减小了,这是电压负反馈的又一重大特点。

有关电压串联负反馈和电流并联负反馈,也采用同样的方法进行分析,不再赘述。

通过上面的讨论可以看出,无论什么类型的反馈放大电路,也无论采用什么反馈方式,它们都可以简化为图7-22的方框图。它主要包括两部分:其中,标有Ao的方框称为基本放大电路,它可以是单级也可以是多级;标有F的方框为反馈网络,它是联系放大电路的输出回路和输入回路的环节,多数由电阻和电容元件组成。痹Xi、痹Xo、痹Xf分别表示放大电路的输入信号、输出信号和反馈信号,它们可以是电压也可以是电流;痹Xd为基本放大电路的净输入信号,即痹Xi与痹Xf的差值信号;符号磗表示比较环节,箭头表示信号的传递方向。

图7-22反馈放大电路的方框图反馈量痹Xf=F痹Xo,式中F为反馈系数。根据反馈量痹Xf使净输入量(痹Xd=痹Xi-痹Xf)减小,还是使其(痹Xd=痹Xi+痹Xf)增大,把反馈分为负反馈和正反馈;根据式中的输出量痹Xo是电压还是电流,把反馈分为电压反馈和电流反馈;根据反馈量痹Xf与输入量痹Xi的连接方式是串联还是并联,把反馈分为串联反馈和并联反馈。因此负反馈可以有上面讨论过的4种组态,它们的方框图如图7-23所示。

7-7-4负反馈对放大电路性能的影响

1-提高放大倍数的稳定性

放大电路引入负反馈的一个主要目的是提高放大电路工作的稳定性,即提高放大倍数的稳定性。

理论可以证明,闭环(有反馈)放大倍数Af与开环(无反馈)放大倍数A存在下列关系式中,F为反馈系数。

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