4电子技术第1章12W(多级放大、功率放大、振荡、场效

1.2.5多级放大电路与功率放大器1.多级放大器采用多级放大器:提高增益多级放大电路的组成：通常包括输入级、中间级、推动级和输出级几个部分。信号源输入级中间级推动级输出级负载多级放大器输入输出小信号放大器功率放大器多级放大电路框图(1)多级放大器的耦合方式最常用的耦合方式有三种:“阻容耦合”,“变压器耦合”和“直接耦合”.要求：①保证前级的电信号顺利地传输给后级；②耦合电路对前、后级放大电路的静态工作点没有影响；③电信号在传输过程中失真要小，级间传输效率要高。在低频交流电压放大电路中，主要采用阻容耦合方式；在功率放大电路中，可采用变压器耦合方式；在直流或极低频的放大电路中，常采用直接耦合方式。1)阻容耦合放大电路放大器中各级间，放大器与信号源，放大器与负载采用电阻和电容的连接来传送信号。这种方式称为阻容耦合方式。该电路的特点是：①利用电容器的隔直流作用，使第一级和第二级的直流工作状态相互独立而互不影响，因此各级放大电路的静态工作点可单独考虑。②当输入信号ui经过第一级放大后，在三极管T1的集电极上得到一个已经放大了的交流电压，它通过C2又传送到三极管T2的基极，进行第二次放大。优点：由于电容具有隔直作用，因此各级电路的直流通路互不相通，即每一级的静态工作点彼此独立。结构简单、成本低、体积小。缺点：不能放大直流或缓慢变化的信号2）变压器耦合放大电路前后级放大电路之间用变压器连接起来，叫变压器耦合。交流信号经第一级放大以后，通过变压器传送到第二级的输入回路。由于变压器只传送交流信号，因此前后级的直流偏置电位相互隔离，静态工作点互不影响。适当选择变压器的匝数比，使折合到变压器初级的负载等效电阻与三极管输出电阻相等或尽可能接近，这叫做阻抗匹配。实现阻抗匹配可以使负载获得最大功率。由于变压器耦合放大器体积较大，频率特性不如阻容耦合放大器，因此变压器耦合主要应用于功率放大器的输入、输出电路中。图1.2-43变压器耦合两级放大器优点：静态工作点彼此独立；可以实现阻抗变换，使负载获得最大功率缺点：成本高、体积大、效率低、会有非线性失真，也不能放大直流或缓慢变化的信号3）直接耦合放大电路直接耦合：将前级的输出端直接接到后一级的输入端。如图1.2-44所示。由于前后级之间没有耦合元件，因此前级的输入信号直接输入到后级放大电路中。适用：这种放大电路适用于对直流信号和缓慢变化的交流信号进行电压放大。由于前级三极管的集电极与后级三极管的基极直接相连，使前后级的静态工作点相互影响，因此必须采取措施来稳定后级的静态工作点，放大器才能正常工作。串接发射极电阻的直接耦合放大器串接硅稳压管的直接耦合放大电路优点：能放大直流或缓慢变化的信号、非线性失真小缺点：1、各级静态工作点互相影响；2、零点漂移严重Rb1Rb2Rc1Rc2RL△UIT1T2△Uo+Uo(a)后级发射极接电阻+Re2_+_+VCCRb1Rb2Rc1Rc2RL△UIT1T2△Uo+Uo(b)后级发射极接稳压管+Rz_+_UzDz+_+VCCRb1Rb2Rc1Rc2RL△UIT1T2△Uo+Uo(c)后级发射极接二极管+UD_+_+_D图2-51提高后级发射极电位的直接耦合电路+VCCRb1Rb2Rc1Rc2RL△UIT1T2△Uo+Uo图2-50直接耦合两级放大器第一级二级+VCC+_+_1、各级静态工作点相互影响及解决办法：2、零点漂移问题a.零点漂移现象：在直接耦合放大电路中，输入电压为零、输出电压偏离静态值的变化称为零点漂移。b.零点漂移的危害：零点漂移现象严重时，就能淹没真正的输出信号。所以零点漂移的大小是衡量直接耦合放大器性能的一个重要指标。c.产生零点漂移的原因:放大器产生零点漂移的原因主要的是温度对晶体管参数的影响所造成的。整个放大电路的零漂指标主要由第一级电路的零漂决定。d.减小零点漂移的主要措施：采用差动式放大电路采用和温度补偿电路是一种十分有效的方法。差动式放大电路将在后面进行讨论。（2）多级放大电路的分析计算•电压放大倍数在多级放大电路中，前一级的输出信号就是后一级的输入信号，如图所示。因此多级放大电路的电压放大倍数Au等于各级电路的电压放大倍数的乘积，即Au1Au2Aun△UI△UO1△UO2△UO(n-1)△UO计算多级放大电路放大倍数的方框图nkAAAAA1ukunu2u1u•输入电阻和输出电阻多级放大器的输入电阻就是第一级放大电路（输入级）的输入电阻。在有些电路中，后级放大电路的输入电阻会影响到前级的放大电路的输入电阻（例如第一级是射极输出器）。多级放大器的输出电阻就是最后一级（输出级）放大电路的输出电阻。在有些电路中，前级放大电路的输出电阻会影响到后级的放大电路的输出电阻（例如最后一级是射极输出器）。由于多级放大电路是由若干个单级放大器组成，因此，在分析单级放大电路的基础上，利用输入电阻、输出电阻和电压放大倍数的概念，就可以解决多级放大电路的分析计算问题。2111'1//BBBRRR2212'2//BBBRRR第一级放大电路的输入电阻Ri11be1B1irRR//'第二级放大电路的输入电阻Ri22'22//beBirRR如果1'1beBrR，2'2beBrR则有1be1BrR'2be2BrR'第一级放大电路的交流负载电阻212121'1//iCiCiCLRRRRRRR第二级放大电路的交流负载电阻LCLCLCLRRRRRRR222'2//第一级电压放大倍数的计算公式：1'111beLurRA第二级电压放大倍数的计算公式：2'222beLurRA两级放大电路的总电压放大倍数为：122212iiioiouUUUUUUA211122uuioiouAAUUUUA例：扩音系统功率放大器的作用：用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。2.功率放大器功率放大电压放大信号提取功率放大器的要求•1、具有足够大输出功率：电流电压尽限应用•2、效率要高：采用乙类放大器提高效率•3、非线性失真要小：选择合适的工作点以及负反馈等•4、有散热和过压、过流保护措施：加散热片和采用过压、过流保护电路1、具有足够大输出功率。功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值:ICM、UCEM、PCM。ICMPCMUCEMIcuce2、效率要高电源提供的能量尽可能转换给负载，减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。可采用乙类放大器。Pomax:集电极输出的交流信号功率。PE：电源提供的直流功率。%100maxEoPP3、非线性失真要小电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。如选用线性好的晶体管、采用负反馈电路、合适的耦合方式等。4、有散热和过压、过流保护措施加散热片、风扇，采用保护电路等。（1）甲类功率放大器1）电路及原理TR1：输入变压器，其主要作用是变换阻抗(使前级得到一个合适的负载)，传输交流信号；TR2：输出变压器，也主要起阻抗变换作用(使负载RL与功放管的输出电阻相匹配)，传输功率。RB1、RB2、RE构成功放管的分压式偏置电路，并且具有直流负反馈；CE为发射极交流旁路电容。CB将RB1和RB2交流短路，这样就避免了输入信号在偏置电阻上产生功率损耗。2）甲类功率放大器的特点静态工作点设在交流负载线中点，在信号的整个周期内集电极电路都有电流通过，这种工作状态叫甲类放大。失真较小，效率一般只有30％～40％左右。如果输入信号为零，直流电源供给的功率全部都消耗在三极管内，静态功耗很大，效率很低。如果把静态工作点Q往下移，使ICQ减小，静态功耗也将随之减小，但是将会出现截止失真。单管功率放大器一般只适用于小功率放大场合。P75例7：若扬声器阻抗RL=8Ω，集电极电流有效值IC=10mA，输出功率PO=20mW。试求输出变压器的变压比n；若将扬声器直接接在集电极电路里，可获得多大功率？解：集电极阻抗200102022).(.IPRCOL变压器变比58200LLRRn将扬声器直接接在集电极电路里，获得功率为mW.RIPLCO802（2）乙类推挽功率放大器图1.2-49是乙类推挽功率放大电路。它由两个同型号且特性相同的晶体管T1和T2连接组成一种对称电路，两管共用电源UCC。TR1为输入变压器，它的次级绕组采用带中心抽头的对称形式，以便给两管的基极提供大小相等、相位相反的输入信号。TR2为输出变压器，它的初级绕组为带中心抽头的对称形式，以便将T1和T2的集电极电流合成一个完整的波形，并耦合到次级负载上。两个功放管在正负半周交替工作，上述功率放大电路称为推挽放大器。推挽功率放大电路的工作点Q设在IB＝O处，功放管只在输入信号正半周才导通，负半周时截止，这种工作状态称为乙类放大状态。当两只功放管交替工作时，输出变压器TR2次级获得的合成波形在过零处出现了失真，这种失真称为交越失真。图1.2-52加入正偏压UBEQ消除交越失真图1.2-51乙类功放交越失真的产生甲乙类功率放大器改进后的乙类推挽功率放大器电路：改进后的电路其工作点选择在功放管的弱导通区，在甲类工作点之下，靠近乙类工作点的区域，所以通常称为甲乙类功率放大器甲乙类功率放大器乙类推挽功率放大器的特点乙类推挽功放电路用输入变压器将输入信号进行倒相，即将输入信号ui变换成大小相等、相位相反的两个信号，且把它们分别加到T1和T2管的输入端。因为T1、T2管是轮流导通的，导通管输出的信号电压的幅值接近电源电压，当导通管集电极电流流过输出变压器半个绕组时，与截止管相连的那半个绕组中感应出相反的电动势，与电源电压一起加到截止管上，使截止管承受的反向电压最大值接近两倍电源电压，所以在选择功放管时必须考虑到这一点。变压器的作用：1、倒相，用同类型管子分别放大正负半波；2、阻抗变换，提高输出功率。采用变压器耦合的功放电路也存在一些明显的缺点：成本高、体积大、效率低、会有非线性失真，频率特性差等。因而乙类功率放大器通常采用无变压器的OTL和OCL互补对称电路。OTL:OutputTransformerLessOCL:OutputCapacitorLess互补对称功放的类型：互补对称功放的类型无输出变压器形式（OTL电路）无输出电容形式（OCL电路）（3）OTL互补对称型功率放大电路图1.2-54OTL互补对称型功率放大电路互补对称放大电路要求：一对特性相同的NPN型和PNP型功率输出管，在输出功率较小时，较易选配这对晶体管，但在要求输出功率较大时，就难于配对，这时可以采用复合管。电路中增加复合管增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。cbeT1T2ibicbecibic12晶体管的类型由复合管中的第一个管子决定。cbeT1T2ibicbecibic复合NPN型复合PNP型图1.2-56复合管组成的OTL互补对称型功放（4）OCL互补对称型功率放大电路（OutputCapacitorless）图1.2-57OCL互补对称型功率放大电路在OTL互补对称型放大电路中，采用大容量的极性电容器CL与负载耦合，因而会影响低频性能，同时也无法实现集成化。为此，可以将电容CL去掉，而采用OCL电路。功率计算公式•实际输出功率•最大输出功率OTL电路OCL电路LOLOORURIP22LOMLOMORURIP22122LCCLCESCCLOMAXOMAXRUR)UU(RUP228122121221LCCLCESCCLOMAXOMAXRUR)UU(RUP2222121221或集成运放内部的功率放大器T5T6RC3RE2RLRC4RE3T7T9T8T4R2R1T3R3RC1T1RC2T2-+RE4RE5T11T10+UCC-UEE第1级：差动放大器第2级：差动放大器第3级：单管放大器第4级：互补对称射极跟随器1.2.6正弦波振荡器张弛振荡器1．正弦波振荡器（1）正反馈的基本概念反馈：把放大电路的输出信号（电压或电流）的一部分或全部送回到放大电路的输入端，并与输入