三極管放大電路設計參數計算及靜態(tài)工作點設置方法

1、首頁 電子基礎 模擬電路三極管放大電路設計,參數計算及靜態(tài)工作點設置方法 什么叫運算放大器？ 數字電路即為TTL或C-MOS邏輯電路，而談到模擬電路，首先就應想到運算放大器。但是，這里講的運算放大器是怎樣一個器件呢?簡而言之，運算放大器是具有兩個輸入端，一個輸出端，以極大的放大率將兩輸入端之間的電壓放大之后，傳遞到輸出端的一種放大器。 如果以電路符號來表示運算放大器，則如右圖，可表示為三角形。它的兩個輸入部分分別叫做非倒相輸入(1N)和倒相輸入(IN)。它以極大的放大率將倒相輸入端與非倒相輸人端之間的電壓放大，然后從輸出端(OUT)輸出。 在一個封裝之中，放入一個運算放大器電路的稱為單(Sin

2、gle)運算放大器，放入兩個運算放大器電路稱為雙(Dual)運算放大器，放入四個運算放大器電路，稱為四(Quad)運算放大器。使用四運算放大器的電路，比使用單、雙運算放大器組裝的電路板，面積可變得更小。在幾乎所有的封裝中，若為單運算放大器，則使用管殼型封裝或8引腳雙列式封裝；若為雙運算放大器，則使用8引腳雙列式封裝；若為四運算放大器，則使用14引腳雙列式封裝。并且，在一般情況下，引腳的排列一般是通用的，盡管也有例外，對業(yè)余愛好者使用的運算放大器來講，可能只會使用以上幾種封裝方式。因此，弄清這種引線的分布方式，將非常方便。B類OTL功率放大電路原理 三極管Hi-Fi放大器的功率級大部分使用B類S

3、EPP.OTL功率放大電路。因為B類放大電路功率較高，最高達78.5%，除非是發(fā)燒級的音響，為求完美的不失真才會用A類。就三極管的散熱以及電源電路的容量，B類都比A類好很多。 PP電路中雖然有輸出電路產生的偶次高諧波可互相抵銷的優(yōu)點，但實際上，主放大器推動PP電路中的A類驅動級就會產生二次高諧波，因此高諧波還是很多。不過，B類PP電路為減少交叉失真，須特別注意偏壓的穩(wěn)定。以下介紹幾個代表性的B類SEPP.OTL電路 圖a 半對稱互補OTL放大電路 圖b 全對稱互補OTL放大電路 圖一 輸入變壓器式功放電路 輸入變壓器式SEPP電路如圖一，利用輸入變壓器進行相位反轉作用。線路簡單而中心電壓又穩(wěn)定

4、，如果使用兩電源方式，可簡單剪掉輸出電容器。又，輸出短路時，不容易流出大電流，對過載引起的破壞，有很大的防止作用。不過因為輸入變壓器的影響，不能有較深的負反饋，所以不能獲得較低的失真，在高頻特性及失真會顯著惡化是主要缺點。 圖二CE分割方式 Lwn838電子-技術資料-電子元件-電路圖-技術應用網站-基本知識-原理-維修-作用-參數-電子元器件符號 如圖二所示，利用三極管Q1 集電極與發(fā)射極之相位相反進行反向的方式，與真空管的PK分割相同。因為可以由NPN型三極管構成，所以很容易找到特性整齊的三極管。但是，因為有電路比較復雜，需用的交連電容多，低頻特性不好，所以一直不能成為主流的電路。 圖三

5、互補方式 如圖三所示，利用NPN與PNP型三極管之組合作為相位相反兼驅動的電路，三極管放大器幾乎都使用這種方式。因為電路直接交連，相位偏差少，且可以有較大的負反饋，所以容易作成超低失真度的放大器?？梢垣@得Intermodulation少，輸出組抗低等優(yōu)點。然而，過載時有非常大的電流經過輸出三極管，因此必須有適當的保護電路。從防止被破壞來講，這點很不利。此外，輸出三極管之偏壓須經過穩(wěn)定化，對于電源電壓之變動及溫度變化須做適當補償。輸出三極管雖然亦有采用NPN和PNP型組合的純互補電路，但是大輸出的PNP硅晶體現在很貴，不容易買到，所以較少采用。利用硅NPN及鍺PNP三極管組合的純互補電路，上下對

6、稱特性雖然較差，但因為線路單純，所以最常被使用?，F在就圖三的電路圖作說明。 圖三是互補式放大器第二級后的電路。 Q1為A類驅動級，利用VR1偏壓調整，改變Q1的集電極電流，將中心電壓調整到Vcc的1/2。因為利用R2從Q1的集電極(約與中間電壓同電位)進行DC 負反饋加以穩(wěn)定化，因此只要電路常數選擇的當，中間電壓幾乎沒有調整的必要。 二極管與VR2用來改變Q2與Q3的基極偏壓，進而調整Q4及Q5的無信號電流。無信號電流在Pc 100W級的三極管以3050mA，Pc 25W級的三極管以2030Am最恰當。Q3，Q4負責信號的上半部，Q2，Q5負責信號的下半部，分別交替進行動作。因此，無信號電流如

7、果太少，即出現跨越失真，上下信號之接和部分變形。無信號電流如過多，則損失增多，產生熱的問題， 圖四 交連雙電源無電容式方式 從圖四可知，將互補式電路的初級改成差動放大，使電源電壓即使有變動，中間電壓亦能保持零電位的電路，就是直接交連二晶體無電容方式。因為沒有輸出電容，所以低頻部分阻尼特性非常好，即使1 KHz附近的波形，亦可完整而極少失真的再現。但是，加上電源時，中間電壓的穩(wěn)定度會有問題，Q1，Q2的差動放大級與Q3的A類驅動級，電路常數應適當選擇，使加上電源時，盡可能由低電壓開始動作。負反饋與阻尼因數，放大器的阻尼因數以DF=RL/Zout表示，因此，輸出阻抗越低的放大器DF越好，不加負反饋

8、的互補電路，輸出阻抗為15。使用complementary電路放大器，輸出阻抗很容易做到0.1以下。OTL電路當電源加入時，輸出電容瞬間被充電，因此一下子會有很大的沖擊。防止這個沖擊的方法，就是使中間電壓慢慢上升，圖四即為此種電路的例子。使用三極管的功率放大器為防止熱失控，須進行溫度補償。順便補充一下前面說過的互補式電路的溫度補償。三極管溫度一上升，電流亦增加，此增加部分可用二極管，熱電阻或三極管等進行補償。因為補償可以減少跨越失真，因此，可以達到穩(wěn)定無信號電流的作用。對于電源電壓的變動亦有穩(wěn)定化的必要。圖六為利用熱敏電阻及三極管作補償之例，具有非常優(yōu)秀的特性。 圖六 溫度補償方式 頻率特性以

9、及功率頻帶寬度，頻率特性為判斷放大器好壞一個很重要的因素，通常以輸入方波的方式看輸出的波型來看頻率特性。圖九是一特性平坦的放大器，波型右側微微成直線下斜是因為10 Hz附近頻率特性下降的緣故。圖十之波形上升部分略成圓鈍，表示中頻的100500Hz部分特性略有起伏變化。圖11之方波頻率為10 KHz，輸出波形非常漂亮，此放大器之特性至少從1KHz到50 KHz附近均完全平坦。圖12因為30Khz附近之頻率特性下降，所以上升部份成圓鈍狀。因為這些方波特性可以直接表現出頻率特性的好壞，所以非常重要。如果輸出波形有Ringing現象，表示高頻特性有peak存在。假設輸出50W的放大器從10Hz30KH

10、z間頻率特性衰減在3dB內，則輸出功率在25W以上范圍可從10Hz30KHz，此即放大器的功率頻帶寬度。功率頻帶寬度對放大器的超低音及超高音部分很重要。低頻部分特性由電源電容及輸出電容決定，高級放大器使用大容量的電容就是這個原因。如圖所示為互補對稱式OTL功率放大電路。T2為一只NPN型功率晶體管，T3為一只PNP型晶體管，它們組成互補推挽輸出管，T1為電壓放大激勵管。信號經過C1耦合送入T1進行放大后，從T1集電極產生的信號正半周使T2導通，負半周則使T3導通，經過放大后的信號通過電容C3后輸出至揚聲器。 電路中電容C2為自舉電容，它和R2及R3組成自舉電路，使B點的電位隨輸出電壓的增高而增

11、高，擴大了電路的動態(tài)范圍。什么是-OTL電路OTL互補對稱放大電路上述的OCL電路需要兩個電源，為了省去一個電源，可采用如圖6-33所示的無輸出變壓器的互補對稱放大電路，簡稱OTL電路。該電路用一個容量較大的耦合電容C代替了圖6-30中 的作用。靜態(tài)時，由于兩管的基極均無偏流，所以T1和T2均處于截止狀態(tài)，電路工作于乙類。由于電路的對稱性，兩管發(fā)射極的靜態(tài)電位，電容器上的直流電壓也等于。圖6-33 OTL互補對稱放大電路 在輸入信號的正半周，T1導通、T2截止、由電源EC提供的集電極電流iC1正向流過負載RL；在輸入信號的負半周，T1截止，T2導通，此時代替電源的電容器C通過導通的T2放電，集

12、電極電流iC2反向流過負載RL。 由圖6-33可知，當T1導通時，電容C被充電，其上電壓為。當T2導通時，C代替電源通過T2放電。但是，要使輸出波形對稱，即要求(大小相等，方向相反)，必須保持C上的電壓為，在C放電過程中，其電壓不能下降過多，因此C的容量必須足夠大。 上述互補對稱電路要求有一對特性相同的NPN和PNP型的輸出功率管。在輸出功率較小時，比較容易選配這對晶體管，但在要求輸出功率較大時，就難于配對，因此采用復合管。圖6-34列舉了兩種類型的復合管。圖6-34 復合管 首先以圖6-34(a)的復合管為例，討論復合管的電流放大系數。因 可得復合管的電流放大系數為 其次，從圖6-34(b)

13、可以看出，復合管的類型與第一個晶體管T1相同，而與后接晶體管T2的類型無關。 圖6-35是一個由復合管組成的OTL互補對稱放大電路。將復合管分別看成一個NPN型和一個PNP型晶體管后，該電路與圖6-33所示的電路完全相同。圖6-35 由復合管組成的OTL互補對稱電路 顯然，圖6-33和圖6-35所示的電路都工作在乙類狀態(tài)，若要避免交越失真，也應設置適當的偏置電路。什么是OCL電路?OCL電路的優(yōu)點及缺點OCL是英文Output Capacitorless的縮寫，意思是“沒有輸出電容器”的功放電路。OCL電路是指無輸出耦合電容的功率放大電路。OCL 電路的優(yōu)缺點：OCL 電路具有體積小重量輕，成

14、本低，且頻率特性好的優(yōu)點。但是它需要兩組對稱的正、負電源供電，在許多場合下顯得不夠方便。OCL電路是一種互補對稱輸出的單端推挽電路，為甲乙類電路工作方式，是由OTL（無輸出變壓器）電路改進設計而成的。它的特點是：前置、推動、功放及至負載揚聲器全部都是直流耦合的，即省略了匹配用的輸入、輸出變壓器，也省略了輸出電容器，克服了低頻時電容器容抗使揚聲器低頻輸出下跌，低頻相移的不足，以及浪涌電流對揚聲器的沖擊，避免了揚聲器對電源不對稱，使正負半周幅度不同而產生的失真，成為當今大功率放音設備的主流電路。但是，整個放大電路的直耦方式，也成為電路的最大弊端：當某一級電路某一點出現故障時，多數情況下都將造成其余

15、放大級電路靜態(tài)工作點的牽連變化，出現無聲、聲音失真、沙啞甚至燒機，給檢測、判斷故障增加了很大難度。有時一個小小的失誤或考慮不周，就造成大面積的燒機，損失嚴重，讓人不敢開機。音頻信號經C1輸入到BG1進行前置放大，再由c極輸出到BG3的b極進行推動放大，然后由BG4、BG5推挽功率放大，再推動揚聲器發(fā)聲。為了保證功放對管中點恒定為零電位，電路中還加有負反饋電路，由輸出中點取樣經R4加到差動放大管BG2，其過程是：中點UoR4BG2基極BG2發(fā)射極BG1發(fā)射極BG1集電極BG3基極BG3集電極Uo，通過相關電壓、電流的變化，使中點Uo電壓趨于零電位，保證了電路的穩(wěn)定性。BTL(Bridge-Tie

16、d-load) 放大器BTL(Bridge-Tied-load)意為橋接式負載。負載的兩端分別接在兩個放大器的輸出端。其中一個放大器的輸出是另外一個放大器的鏡像輸出，也就是說加在負載兩端的信號僅在相位上相差180。負載上將得到原來單端輸出的2倍電壓。從理論上來講電路的輸出功率將增加4倍。BTL電路能充分利用系統(tǒng)電壓，因此BTL結構常應用于低電壓系統(tǒng)或電池供電系統(tǒng)中。在汽車音響中當每聲道功率超過10w時，大多采用BTL形式。BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一個放大器放大的信號都是完整的信號，只是兩個放大器的輸出信號反相而已。用集成功放塊構成一個BTL放大器需要一個雙聲道或兩個單聲道的功放塊。

17、BTL基本電路如圖317所示。此電路的工作情況如下。BTL電路工作原理圖靜態(tài)時由于四個三極管對稱，UAUBUCC2，因此uo0。當輸入正弦信號ui為正半周時，在兩路反相輸入信號ui、ui的作用下，VT1和VT4同時導通，RL上獲得正半周信號；ui為負半周時，VT2和VT3同時導通，RL上獲得負半周信號。理想情況下，設管子的UCES0，則uo的峰值為UCC，輸出的最大功率為比OTL電路提高了4倍。實現兩路輸入信號反相可以有多種方案，例如可利用差動放大電路的兩個輸出端獲得，也可以利用單管放大電路從集電極和發(fā)射極獲得兩個極性相反的信號。BTL電路綜合了OTL和OCL接法的優(yōu)點，汲取了OCL無輸出電容

18、的優(yōu)點，避免了電容對信號頻率特性的影響，BTL電路可以使用單電源也可以使用雙電源。這些改進的措施使它逐漸成為當代功放電路的主流，并為功率放大電路的集成化創(chuàng)造了條件。說一下掌握三極管放大電路計算的一些技巧放大電路的核心元件是三極管,所以要對三極管要有一定的了解。用三極管構成的放大電路的種類較多,我們用常用的幾種來解說一下(如圖1)。圖1是一共射的基本放大電路,一般我們對放大路要掌握些什么內容?(1)分析電路中各元件的作用;(2)解放大電路的放大原理;(3)能分析計算電路的靜態(tài)工作點;(4)理解靜態(tài)工作點的設置目的和方法。以上四項中,最后一項較為重要。圖1中,C1,C2為耦合電容,耦合就是起信號的

19、傳遞作用,電容器能將信號信號從前級耦合到后級,是因為電容兩端的電壓不能突變,在輸入端輸入交流信號后,因兩端的電壓不能突變因,輸出端的電壓會跟隨輸入端輸入的交流信號一起變化,從而將信號從輸入端耦合到輸出端。但有一點要說明的是,電容兩端的電壓不能突變,但不是不能變。R1、R2為三極管V1的直流偏置電阻,什么叫直流偏置?簡單來說,做工要吃飯。要求三極管工作,必先要提供一定的工作條件,電子元件一定是要求有電能供應的了,否則就不叫電路了。在電路的工作要求中,第一條件是要求要穩(wěn)定,所以,電源一定要是直流電源,所以叫直流偏置。為什么是通過電阻來供電?電阻就象是供水系統(tǒng)中的水龍頭,用調節(jié)電流大小的。所以,三極

20、管的三種工作 狀態(tài)“:載止、飽和、放大”就由直流偏置決定,在圖1中,也就是由R1、R2來決定了。首先,我們要知道如何判別三極管的三種工作狀態(tài),簡單來說,判別工作于何種工作狀態(tài)可以根據Uce的大小來判別,Uce接近于電源電壓VCC,則三極管就工作于載止狀態(tài),載止狀態(tài)就是說三極管基本上不工作,Ic電流較小(大約為零),所以R2由于沒有電流流過,電壓接近0V,所以Uce就接近于電源電壓VCC。若Uce接近于0V,則三極管工作于飽和狀態(tài),何謂飽和狀態(tài)?就是說,Ic電流達到了最大值,就算Ib增大,它也不能再增大了。以上兩種狀態(tài)我們一般稱為開關狀態(tài),除這兩種外,第三種狀態(tài)就是放大狀態(tài),一般測Uce接近于電

21、源電壓的一半。若測Uce偏向VCC,則三極管趨向于載止狀態(tài),若測Uce偏向0V,則三極管趨向于飽和狀態(tài)。理解靜態(tài)工作點的設置目的和方法放大電路,就是將輸入信號放大后輸出,(一般有電壓放大,電流放大和功率放大幾種,這個不在這討論內)。先說我們要放大的信號,以正弦交流信號為例說。在分析過程中,可以只考慮到信號大小變化是有正有負,其它不說。上面提到在圖1放大電路電路中,靜態(tài)工作點的設置為Uce接近于電源電壓的一半,為什么?這是為了使信號正負能有對稱的變化空間,在沒有信號輸入的時候,即信號輸入為0,假設Uce為電源電壓的一半,我們當它為一水平線,作為一個參考點。當輸入信號增大時,則Ib增大,Ic電流增

22、大,則電阻R2的電壓U2=IcR2會隨之增大,Uce=VCC-U2,會變小。U2最大理論上能達到等于VCC,則Uce最小會達到0V,這是說,在輸入信增加時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到0V.同理,當輸入信號減小時,則Ib減小,Ic電流減小,則電阻R2的電壓U2=IcR2會隨之減小,Uce=VCC-U2,會變大。在輸入信減小時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到VCC。這樣,在輸入信號一定范圍內發(fā)生正負變化時,Uce以1/2VCC為準的話就有一個對稱的正負變化范圍,所以一般圖1靜態(tài)工作點的設置為Uce接近于電源電壓的一半。要把Uce設計成接近于電源電壓的一半,這是我們的目的,但如何

23、才能把Uce設計成接近于電源電壓的一半?這就是的手段了。這里要先知道幾個東西,第一個是我們常說的Ic、Ib,它們是三極管的集電極電流和基極電流,它們有一個關系是Ic=Ib,但我們初學的時候,老師很明顯的沒有告訴我們,Ic、Ib是多大才合適?這個問題比較難答,因為牽涉的東西比較的多,但一般來說,對于小功率管,一般設Ic在零點幾毫安到幾毫安,中功率管則在幾毫安到幾十毫安,大功率管則在幾十毫安到幾安。在圖1中,設Ic為2mA,則電阻R2的阻值就可以由R=U/I來計算,VCC為12V,則1/2VCC為6V,R2的阻值為6V/2mA,為3K。Ic設定為2毫安,則Ib可由Ib=Ic/推出,關健是的取值了,一般理論取值100,則Ib=2mA/100=20#A,則R1=(VCC-0.7V)/I