《電子電路分析與實(shí)踐》課件學(xué)習(xí)情境二

學(xué)習(xí)情境二音頻前置放大器的制作與測(cè)試任務(wù)一分立助聽器的仿真測(cè)試任務(wù)二集成助聽器的制作與測(cè)試項(xiàng)目實(shí)施音頻前置放大器的制作與測(cè)試任務(wù)一分立助聽器的仿真測(cè)試

技能訓(xùn)練1共射極放大電路的制作與測(cè)試

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)學(xué)會(huì)放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量、調(diào)試方法。

(2)掌握靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器性能的影響。

(3)熟悉示波器等模擬電路實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用方法。二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

正負(fù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源:HG63303

信號(hào)發(fā)生器:SP1641B

雙蹤示波器:UT2062C

萬(wàn)用表:DE960TR

交流毫伏表:YX2194

電容:10μF

電阻:1kΩ、3kΩ、4kΩ、10kΩ、33kΩ、100kΩ

萬(wàn)能板:5cm×5cm

電位器:500kΩ三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

(1)按圖2.1.1所示電路分選檢測(cè)元件,在萬(wàn)能板上排布,并連線焊接,制作基本共射極放大電路和分壓式共射極放大電路。圖2.1.1共射極放大測(cè)試電路

(2)檢查無(wú)誤后,先把圖2.1.1(a)中的RP調(diào)在最大值位置,然后將各自的輸入端短路,同時(shí)接上12V電源。

(3)在兩個(gè)電路的輸入端分別加上1kHz、5mV正弦波信號(hào),用示波器同時(shí)觀察各自的輸出波形,并讀出其電壓最大值,算出各自的電壓放大倍數(shù)。

(4)用電烙鐵同時(shí)烘烤(不要接觸管子)兩個(gè)電路中的三極管,使電路中的三極管溫度升高,并同時(shí)監(jiān)測(cè)集電極電流

IC和管壓降UCE的變化。

結(jié)論：_______________________四、分析與思考

(1)基本共射極放大電路與分壓式共射極放大電路在結(jié)構(gòu)和功能上各有什么區(qū)別？

(2)在基本放大電路的基礎(chǔ)上增加Rb2、Re、Ce的目的是什么？知識(shí)鏈接三極管放大電路

一、放大電路基礎(chǔ)知識(shí)

在電子設(shè)備中,輸入信號(hào)通常都比較微弱,要推動(dòng)負(fù)載或執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理。這種能實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能的電路稱為放大電路,也稱放大器。

1.電路結(jié)構(gòu)及各部分作用

1)放大電路的結(jié)構(gòu)

放大電路通常由放大器件、直流電源、偏置電路及其附屬的輸入信號(hào)源和輸出負(fù)載等組成,結(jié)構(gòu)如圖2.1.2所示。圖2.1.2放大電路組成

2)放大電路的三種組態(tài)形式

從輸入、輸出信號(hào)共用的引腳來(lái)看,放大電路有三種組態(tài)方式:共發(fā)射極放大電路、共基極放大電路和共集電極放大電路。各種組態(tài)放大電路的結(jié)構(gòu)形式如圖2.1.3所示。圖2.1.3三種組態(tài)放大電路

2.放大電路的主要性能指標(biāo)

1)放大倍數(shù)

放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo),它定義為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值。按信號(hào)的不同特征量,放大倍數(shù)可以分為電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)。

(1)電壓放大倍數(shù):式中,Uo是uo的有效值；Ui是ui的有效值。

(2)電流放大倍數(shù):

(3)功率放大倍數(shù):

由于人耳對(duì)聲音的感受不是與聲音功率的大小成正比,而是與聲音功率的對(duì)數(shù)成正比,用分貝表示功率增益可與人耳聽覺感受一致。所以在工程上放大倍數(shù)常用分貝(dB)來(lái)表示,稱為增益。

電壓增益:

Au(dB)=20lg|Au|

電流增益:

Ai(dB)=20lg|Ai|功率增益:

AP(dB)=20lg|AP|

2)輸入電阻、輸出電阻

(1)輸入電阻Ri:從放大電路的輸入端看進(jìn)去的等效電阻被稱為放大電路的輸入電阻(見圖2.1.4)。定義為式中的ui和ii代表輸入端口的輸入電壓和輸入電流。圖2.1.4放大電路的輸入電阻

(2)輸出電阻Ro:指從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效電阻。定義為:在輸入電壓源短路(電流源開路)并保留Rs,輸出端負(fù)載開路(因?yàn)樨?fù)載并不屬于放大電路)的情況下,如圖2.1.5所示,放大電路的輸出端所加測(cè)試電壓uT與其產(chǎn)生的測(cè)試電流iT的比值,即輸出電阻的大小決定了放大電路帶負(fù)載的能力。輸出電阻越小,負(fù)載上得到的電壓信號(hào)就越多,負(fù)載變化對(duì)輸出電壓大小的影響就越小,則放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。圖2.1.5放大電路的輸出電阻

3)通頻帶寬BW

放大電路的電壓放大倍數(shù)隨信號(hào)頻率變化的曲線如圖2.1.6所示。在低頻段和高頻段,電壓放大倍數(shù)通常要下降,當(dāng)下降到Aum/時(shí),所對(duì)應(yīng)的頻率分別稱為下限頻率fL和上限頻率fH,放大電路的通頻帶BW則定義為

BW=fH－fL圖2.1.6放大電路的幅頻曲線二、共發(fā)射極放大電路

圖2.1.7(a)所示為最基本的共發(fā)射極放大電路,也稱基本放大電路。其中,三極管V是起電流放大作用的核心元件,Rb稱為基極偏置電阻,Rc稱為集電極負(fù)載電阻。電源UCC通過(guò)

Rb的限流降壓作用向發(fā)射結(jié)提供正向偏壓,獲得基極靜態(tài)電流,從而能在合適的直流狀態(tài)下工作；同時(shí)通過(guò)Rc使集電結(jié)獲得反向偏壓,并且將三極管放大的集電極電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。C1、C2為耦合電容,在信號(hào)源與放大電路之間、放大電路與負(fù)載之間起直流隔離作用。圖2.1.7共發(fā)射極放大電路靜態(tài)分析放大電路的分析包括靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析。放大器正常工作時(shí)必須具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn),靜態(tài)分析主要是對(duì)放大器直流靜態(tài)工作點(diǎn)的分析。動(dòng)態(tài)分析包括放大倍數(shù)、輸入阻抗、輸出阻抗、通頻帶寬等的分析與計(jì)算。

1.共發(fā)射極放大電路的靜態(tài)分析

放大電路交流輸入信號(hào)ui=0時(shí)的工作狀態(tài)稱為靜態(tài),這時(shí)交流輸出也為uo=0,在電源UCC作用下,電路中電壓、電流均為直流(在其下標(biāo)用Q表示)。耦合電容C1、C2均可視為開路,于是可以畫出其直流電流的通路及分析模型,如圖2.1.7(b)、(c)所示。

在圖2.1.7(c)的IBQ回路中,根據(jù)基爾霍夫第二定律可得UCC－IBQRb－UBEQ=0即

2.共發(fā)射極放大電路的動(dòng)態(tài)分析

放大電路輸入端加上交流信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài),這時(shí)電路中既有直流成分,又有交流成分。為了清楚地表示電流和電壓的直流分量、交流分量以及單向脈動(dòng)信號(hào),常用字母的大寫或小寫以及下標(biāo)字母符號(hào)來(lái)加以區(qū)別。表2.1.1所示為基極中各種電流成分的符號(hào)表示方法。

1)定性波形分析

設(shè)輸入信號(hào)為正弦交流電壓ui=Uimsinωt,這時(shí)電路中原靜態(tài)時(shí)的各直流分量上均疊加其相應(yīng)的正弦交流量,在信號(hào)放大過(guò)程中,各點(diǎn)的電壓波形如圖2.1.8所示。圖2.1.8共發(fā)射極基本放大電路各點(diǎn)的電壓波形

2)圖解法分析

·空載情況

放大電路輸入端有了交流信號(hào)輸入,但輸出端開路時(shí)稱為空載。這時(shí),雖然電路中各點(diǎn)的電壓和各支路的電流增加了交流成分,但在集電極回路中任意一個(gè)時(shí)刻仍然有

uCE=UCC－iCRc

動(dòng)態(tài)的情況下,交流信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí),其值在Q點(diǎn)。其余時(shí)間則在以Q為中心,小于或等于其幅度值的兩邊范圍內(nèi)變化。在輸入、輸出特性曲線中,根據(jù)輸入信號(hào)的幅度可以確定集電極電流的變化范圍為

β(IBQ－Ibm)<iC<β(IBQ+Ibm)進(jìn)而可以得到uCE的變化范圍為UCC－β(IBQ+Ibm)Rc<uCE<UCC－β(IBQ－Ibm)Rc根據(jù)這個(gè)變化范圍,則可以畫出集電極輸出的電壓波形。如技能訓(xùn)練1的圖2.1.1(a)中,把RP調(diào)節(jié)為349kΩ,并選用β=60的三極管時(shí),從我們調(diào)節(jié)輸入正弦交流電壓信號(hào)幅度為5mV第一個(gè)峰點(diǎn)A1出發(fā):

a.在輸入曲線中找出對(duì)應(yīng)基極電流最大的A2點(diǎn)；

b.根據(jù)iC=βiB確定對(duì)應(yīng)的iC峰值；

c.根據(jù)uCE=UCC－iCRc確定對(duì)應(yīng)集電極電壓值的A3點(diǎn)；

d.用同樣的方法確定對(duì)應(yīng)B1時(shí)刻集電極電壓值的B3點(diǎn)；

e.根據(jù)集電極電壓的變化時(shí)序和范圍,畫出其輸出電壓波形,如圖2.1.9所示。圖2.1.9圖解分析動(dòng)態(tài)工作情況

·帶負(fù)載分析

在實(shí)際應(yīng)用中,負(fù)載的情況較為復(fù)雜(通常是后級(jí)放大器的輸入端口),如果負(fù)載用等效電阻RL來(lái)置換后,其中交流工作狀態(tài)可做如下等效處理:

a.把耦合電容C1、C2視為短路；

b.電源的內(nèi)阻很小,對(duì)交流信號(hào)也可視為短路。

于是可以得出基本放大電路的交流通路,如圖2.1.10(c)所示。圖2.1.10基本放大電路及其交流通路從以上動(dòng)態(tài)圖解分析可知,放大器輸入和輸出的電流、電壓波形總是在以Q點(diǎn)為中心的上下或左右作周期性變化。所以三極管安全放大工作區(qū)的幾何中心附近是靜態(tài)工作點(diǎn)Q的最佳落腳點(diǎn),如果靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)或由于溫度變化等原因偏離“中心”太多,都將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真,如圖2.1.11所示。圖2.1.11靜態(tài)工作點(diǎn)不當(dāng)導(dǎo)致輸出波形失真

3.放大電路的小信號(hào)模型分析

三極管的輸入、輸出特性都是曲線,這就給放大電路的分析帶來(lái)很多不便,不過(guò),在實(shí)際應(yīng)用中的多數(shù)電壓放大電路的輸入信號(hào)都是很小的(微伏或毫伏數(shù)量級(jí)),通常把這種小信號(hào)稱為“微變”。在微變的前提下,三極管電壓、電流之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)特性曲線很短的一段近乎為直線,可用一個(gè)線性模型來(lái)等效,稱為三極管的微變等效模型。微變等效模型為分析放大電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)帶來(lái)很大的方便。

1)三極管的微變等效模型

在圖2.1.12(a)所示的三極管中,對(duì)于b-e輸入端來(lái)說(shuō),當(dāng)輸入信號(hào)較小時(shí),輸入特性曲線上Q點(diǎn)附近很小的動(dòng)態(tài)工作范圍可近似為一段直線,即ΔiB與ΔuBE成正比,故b、e之間可用一個(gè)等效電阻rbe=ΔuBE/ΔiB來(lái)代替。rbe的大小將隨著靜態(tài)工作點(diǎn)位置的不同而變化,是一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。對(duì)于一般的低頻小功率三極管,rbe可以由以下公式計(jì)算:圖2.1.12三極管及其等效電路

2)微變等效電路分析法

有了三極管的微變等效模型,在放大電路的交流通路中用微變等效模型置換其中的三極管,就可得出放大電路的微變等效電路,由于微變等效電路是由電阻和受控源這些線性元件組成的,因此,可以利用求解線性電路的方法對(duì)這個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等進(jìn)行分析計(jì)算。值得注意的是,從圖中的形式上看,微變等效電路的輸入、輸出回路好像沒有什么聯(lián)系,而實(shí)質(zhì)上輸入和輸出回路之間存在IC=βIB的控制關(guān)系。因此在分析計(jì)算時(shí),要隨時(shí)注意利用這個(gè)控制關(guān)系。下面通過(guò)例題來(lái)闡述微變等效電路的分析方法。

【例2.1.1】

共發(fā)射極基本放大電路及參數(shù)如圖2.1.13(a)所示,β=40,UBE可忽略。求:(1)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；(2)電壓放大倍數(shù)Au；(3)源電壓放大倍數(shù)Aus；(4)輸入電阻和輸出電阻。

解畫出共發(fā)射極基本放大電路的交流通路、微變等效電路分別如圖2.1.13(b)、(c)所示。

(1)求解靜態(tài)工作點(diǎn)。

ICQ=βIb=40×40=1600μA=1.6mA

UCE=UCC－ICRc=12－1.6×4=5.6V圖2.1.13共發(fā)射極基本放大電路的微變等效

(2)求電壓放大倍數(shù)Au。

根據(jù)rbe的計(jì)算公式可得所以

(3)求源電壓放大倍數(shù)Aus(輸出信號(hào)電壓與信號(hào)源電壓之比):

(4)輸入電阻和輸出電阻:

rbe≈966Ω,ro=Rc=4kΩ

4.分壓偏置共發(fā)射極放大電路

1)分壓式偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的條件

分壓式偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)是建立在、

UBQ>>UBEQ的條件上的,一般可選取:

2)靜態(tài)工作點(diǎn)的估算

交流輸入信號(hào)ui=0時(shí),在電源UCC作用下,電路中電壓、電流均為直流。把耦合電容C1、C2視為開路,可以畫出其直流通路如圖2.1.14(b)所示。圖2.1.14(c)為其等效模型(電路)。圖2.1.14分壓式偏置電路

3)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理

從ICQ≈UBQ/Re可以看出,在滿足

和UBQ>>UBEQ的條件下,集電極電流IC與受溫度影響而變化的參數(shù)β、UBE無(wú)關(guān)。UB基本固定后,若由于某種原因(如溫度上升引起

ICBO增大等)IC增大,則UE上升(UEQ≈ICQRe),加在三極管基極與發(fā)射極間電壓UBEQ減小(UBEQ=UBE－UEQ),致使IC減小。

上述穩(wěn)定IC的過(guò)程可表示如下:

4)微變等效分析

用三極管的微變等效模型置換分壓式共發(fā)射極放大電路的交流通路中的三極管,就可得出該放大電路的微變等效電路,如圖2.1.15(c)所示。圖2.1.15微變等效電路分析三、共集電極放大電路

共集電極放大電路如圖2.1.16(a)所示,三極管的集電極通過(guò)電源交流接地,輸入信號(hào)和輸出信號(hào)以集電極為公共端,所以稱為共集電極放大電路。圖2.1.16共集電極放大電路及其直流通路

1.靜態(tài)分析

如圖2.1.16(b)所示是共集電極放大電路的直流通路,電源電壓UCC經(jīng)偏置電阻Rb為三極管發(fā)射極提供正向偏壓,在基極直流回路中,應(yīng)用基爾霍夫定律可得UCC=IBQRb+UBEQ+IEQRe=IBQRb+UBEQ+(1+β)IBQRe即

UCC－UBEQ=IBQRb+(1+β)IBQRe由此可以求得共集電極放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為ICQ=βIBQUCEQ=UCC－IEQRe

2.動(dòng)態(tài)分析

1)電壓放大倍數(shù)

圖2.1.17(a)所示是共集電極放大電路的交流通路,據(jù)此可以畫出其小信號(hào)等效電路如圖2.1.17(b)所示。圖2.1.17共集電極放大電路的交流通路及等效電路

2)輸入電阻

從三極管的基極看進(jìn)去,交流動(dòng)態(tài)電阻為其中,RL′=Re∥RL。因此放大電路的輸入電阻為

3)輸出電阻從三極管的發(fā)射極看進(jìn)去,交流動(dòng)態(tài)電阻為

通常,所以信號(hào)源內(nèi)阻很小時(shí),有。

4)共集電極放大電路的特點(diǎn)

(1)共集電極放大電路的電壓放大倍數(shù)小于1且接近于1。

(2)輸出電壓與輸入電壓同相。

(3)共集電極放大電路的輸入電阻大,只從信號(hào)源吸取很小的功率,對(duì)信號(hào)源影響很小。

(4)共集電極放大電路的輸出電阻小,當(dāng)負(fù)載改變時(shí)輸出電壓變動(dòng)很小,有較好的帶負(fù)載能力。四、三種組態(tài)放大電路的比較

三極管的各電極獲得合適穩(wěn)定的靜態(tài)偏置后,信號(hào)從不同的電極輸入、輸出,便構(gòu)成不同組態(tài)的放大電路,除前面分析的共發(fā)射極、共集電極放大電路,還有共基極放大電路,如表2.1.2中所示。共基極放大電路的特點(diǎn)是輸入電阻小、電壓放大倍數(shù)高,主要用于高頻電壓放大,其靜態(tài)與分壓式共發(fā)射極放大電路一致,動(dòng)態(tài)工作情況讀者可以自行分析。

技能訓(xùn)練2負(fù)反饋改善非線性失真電路的

制作與測(cè)試

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)學(xué)會(huì)多級(jí)放大電路靜態(tài)測(cè)量、調(diào)試方法。

(2)掌握負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響。

(3)熟悉示波器等模擬電路實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用方法。二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

正負(fù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源:HG63303

信號(hào)發(fā)生器:SP1641B

雙蹤示波器:UT2062C

萬(wàn)用表:DE960TR

電容:100μF、510pF、0.01μF、470μF、10μF

電阻:33kΩ、10kΩ、680Ω、20kΩ、470Ω、30Ω、2kΩ

CD唱機(jī)：常規(guī)

耳機(jī)插：?jiǎn)?/p>

三極管：S9013

耳機(jī):30Ω

萬(wàn)能板:5cm×8cm

按鍵開關(guān):常規(guī)三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

(1)按圖2.1.18所示電路分選檢測(cè)元件,在萬(wàn)能板上排布并連線焊接,制作負(fù)反饋放大電路。圖2.1.18負(fù)反饋放大測(cè)試電路

(2)檢查無(wú)誤后,不接ui和反饋電阻Rf1,接入電源電壓UCC=12V,測(cè)量各三極管的各極直流電壓,記錄結(jié)果并判斷是否正常。

(3)將CD唱機(jī)輸出的音樂信號(hào)接入輸入端,用耳機(jī)在放大器輸出端監(jiān)聽音樂信號(hào)；調(diào)節(jié)ui的幅度,使輸出的音樂信號(hào)恰好無(wú)明顯失真后,再適當(dāng)增大ui的幅度,使輸出的音樂信號(hào)出現(xiàn)明顯失真。

(4)按下SB(接入反饋電阻Rf1),繼續(xù)用耳機(jī)在放大器輸出端監(jiān)聽音樂信號(hào)。比較SB按下前后時(shí)的輸出信號(hào)是否正常并進(jìn)行結(jié)果描述。

(5)在輸入端加上1kHz的正弦波信號(hào),用示波器同時(shí)觀察輸出波形。調(diào)節(jié)ui的幅度,使輸出的信號(hào)恰好無(wú)明顯失真后,再適當(dāng)增大ui的幅度,使輸出的正弦波信號(hào)出現(xiàn)明顯失真。

(6)按下SB(接入反饋電阻Rf1),繼續(xù)用示波器觀察輸出波形。比較SB按下前后時(shí)的輸出信號(hào)是否正常并進(jìn)行結(jié)果描述。

結(jié)論:_______________________________________。四、分析與思考

(1)實(shí)訓(xùn)電路中V1集電極與V2基極之間連接的電容C2起什么作用？

(2)接在V2基極與地之間的電容C4是用來(lái)起什么作用的？知識(shí)鏈接多級(jí)放大與負(fù)反饋放大電路

單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)不宜過(guò)大,一般為幾十倍,但一個(gè)電子產(chǎn)品往往需要將極微弱的信號(hào)放大到足夠大。例如電視信號(hào),從天線中接收的微弱信號(hào)到電視屏幕顯示的圖像信號(hào)通常要放大約120dB(即1000000倍),這樣就需要由如圖2.1.18所示的多級(jí)放大電路才能滿足要求。采用多級(jí)放大后,電路的穩(wěn)定性能需要利用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)才能得到保證,所以下面我們來(lái)討論多級(jí)、負(fù)反饋放大電路的分析方法。

一、多級(jí)放大電路的組成

多級(jí)放大電路的組成框圖如圖2.1.19所示。圖2.1.19多級(jí)放大電路組成框圖二、多級(jí)放大電路的級(jí)間耦合

多級(jí)放大器前后級(jí)之間的連接稱為級(jí)間耦合。級(jí)間耦合的基本要求是:①避免信號(hào)失真；②減小耦合傳輸中的信號(hào)損耗。耦合的方式主要有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合。較常見的是阻容耦合。

1.阻容耦合

阻容耦合電路如圖2.1.20所示,由耦合電容器隔斷級(jí)間的直流通路,各級(jí)直流工作點(diǎn)彼此獨(dú)立,互不影響,其中“阻”是指放大電路的輸入電阻(阻抗)。在耦合回路中,后級(jí)放大電路的凈輸入信號(hào)ui′由耦合電容容抗ZC和后級(jí)輸入阻抗Zi分壓而得,即ui′=uiZi/(ZC+Zi),Zi越大,ZC越小,耦合效果越好。在三極管放大電路中,耦合電容C取得較大,一般可取

1～10μF。圖2.1.20阻容耦合示意圖

2.直接耦合

前后級(jí)放大電路直接連接的耦合方式稱直接耦合。直接耦合方式省去了級(jí)間耦合元件,信號(hào)傳輸?shù)膿p耗很小,它不僅能放大交流信號(hào),而且還能放大變化十分緩慢的信號(hào)。但前后級(jí)之間的直流電位相互影響,各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)不能獨(dú)立,當(dāng)某一級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生變化時(shí),其前后級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)將跟隨變化,并被逐級(jí)放大,造成輸入信號(hào)為零而輸出電壓不為零的情況,稱為零點(diǎn)漂移。嚴(yán)重時(shí)有用信號(hào)將被零點(diǎn)漂移所“淹沒”,使人們無(wú)法辨認(rèn)是漂移電壓,還是有用信號(hào)電壓。

3.變壓器耦合

變壓器耦合是利用變壓器的初級(jí)和次級(jí)耦合電信號(hào),其特點(diǎn)是:

(1)變壓器耦合具有“隔直(流)通交(流)”的特性,前后級(jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立。

(2)變壓器具有阻抗變換作用,可調(diào)節(jié)前后級(jí)阻抗匹配,達(dá)到最大功率傳輸。

(3)變壓器體大、量重、價(jià)高,并有電磁干擾,高頻和低頻特性均差,且不能集成。

4.光電耦合

前后級(jí)之間利用光電耦合器件耦合的方式稱為光電耦合。其特點(diǎn)是:

(1)前后級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,互不影響。

(2)便于集成。

(3)受溫度影響較大。三、多級(jí)放大器的分析方法

1.靜態(tài)分析方法

多級(jí)放大器的耦合方式若為阻容耦合、變壓器耦合、光電耦合,則其各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,可分級(jí)進(jìn)行分析。直接耦合的多級(jí)放大器前后級(jí)之間相互影響,其計(jì)算方法較為復(fù)雜,請(qǐng)讀者參考其他同類書籍。

2.動(dòng)態(tài)分析方法

(1)電壓放大倍數(shù):四、阻容耦合放大電路的頻率特性

1.頻率特性的基本概念

由于放大電路中存在電容,其電抗值隨信號(hào)頻率而變,影響輸出電壓的幅度和相位的變化。如果將幅度不變而頻率不斷連續(xù)改變的正弦波信號(hào)加到放大電路的輸入端,則其輸出信號(hào)大小,也即信號(hào)放大倍數(shù)隨頻率而變,這種特性稱幅頻特性；同時(shí),輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差也隨信號(hào)頻率而變,這種特性稱相頻特性。幅頻特性和相頻特性反映了放大電路對(duì)不同頻率的正弦信號(hào)的響應(yīng),稱為頻率特性,也稱頻率響應(yīng)。因此,放大電路的放大倍數(shù)A和相位差Δj為頻率的函數(shù)。

2.頻率特性的定性分析及其指標(biāo)

為了簡(jiǎn)單起見,下面以單級(jí)阻容耦合共發(fā)射極放大電路為例,把負(fù)載RL當(dāng)成后級(jí)來(lái)進(jìn)行分析。

1)幅頻和相頻特性曲線的定性分析

在阻容耦合放大電路中,除了Cb1、Cb2耦合電容外,在管子內(nèi)部集電結(jié)和發(fā)射結(jié)還具有PN結(jié)的結(jié)電容Cbe、Cbc,如圖2.1.21(a)所示。為了分析方便起見,將結(jié)電容近似看做極間電容。考慮到電路中容抗影響后的幅頻特性和相頻特性曲線分別如圖2.1.21(b)、(c)所示。圖2.1.21阻容耦合放大電路的頻率特性下面從信號(hào)頻率的低、中、高三個(gè)區(qū)域來(lái)討論。

·中頻區(qū)

在中頻區(qū)范圍內(nèi),Cb1、Cb2的容抗較小,可看做短路；

Cbe、Cbc的容抗較大,可看做斷路。因此,中頻區(qū)的電壓放大倍數(shù)Aus和相位差Δj不受影響,特性曲線呈現(xiàn)平坦的水平線,如圖2.1.2(b)的中頻段所示。這與前面討論的共射放大電路的情況相同。

·低頻區(qū)(約小于幾十赫)

在低頻區(qū),Cbe、Cbc的容抗仍很大,看做斷路,對(duì)信號(hào)影響不大；但Cb1、Cb2的容抗(XC=1/(2πfC))隨信號(hào)頻率下降而增大,它們與輸入電阻、負(fù)載串接,對(duì)信號(hào)電壓起分壓作用,如圖2.1.22(a)所示。此時(shí),若輸入信號(hào)幅值不變而頻率下降,會(huì)導(dǎo)致輸出幅值隨之減小,即電壓放大倍數(shù)Aus隨信號(hào)頻率下降而下降,如圖2.1.21(b)的低頻段所示。另外,在圖2.1.22(a)所示的等效RC串聯(lián)容性電路中,低頻信號(hào)電流I

要超前電壓U1,使U2與U1不再是同相或反相,而是要產(chǎn)生一個(gè)相位差Δj,導(dǎo)致當(dāng)輸入信號(hào)相位不變而頻率下降(容抗增大)時(shí),輸出超前輸入的相位差Δj增大,如圖2.1.21(c)的低頻段所示。

····圖2.1.22考慮頻率對(duì)容抗影響的RC等效電路

·高頻區(qū)(約大于幾十千赫到幾百千赫)

這時(shí)Cb1、Cb2容抗很小,可看做短路,對(duì)信號(hào)無(wú)影響,而

Cbe、Cbc的容抗隨頻率升高而減小,對(duì)信號(hào)電流起分流作用,如圖2.1.22(b)所示。此時(shí),若輸入信號(hào)幅值不變而頻率升高時(shí),會(huì)導(dǎo)致輸出幅值隨之減小,即電壓放大倍數(shù)Aus隨信號(hào)頻率升高而下降,如圖2.1.21(b)的高頻段所示；同時(shí),在圖2.1.22(b)所示的等效RC并聯(lián)容性電路中,高頻信號(hào)電壓U1、U2要滯后總電流I

1,產(chǎn)生一個(gè)相位差Δj,導(dǎo)致當(dāng)輸入信號(hào)相位不變而頻率升高(容抗減小)時(shí),輸出滯后輸入的相位差Δj增大,如圖2.1.21(c)的高頻段所示。···

2)頻率特性指標(biāo)

電子技術(shù)規(guī)定,在低頻區(qū)和高頻區(qū)中,當(dāng)放大電路的電壓放大倍數(shù)分別下降到中頻區(qū)電壓放大倍數(shù)Ausm的1/

=0.707時(shí),其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率fH和fL分別稱為上限截止頻率和下限截止頻率。這時(shí)相應(yīng)的附加相位差Δj分別為+45°和－45°,其上、下限截止頻率之間的頻率范圍稱為通頻帶或稱帶寬BW。

一般fH>>fL,故有

BW=fH－fL≈fHfH、fL和BW是用來(lái)表示放大電路頻率特性的技術(shù)指標(biāo),不同的電子設(shè)備有不同的要求。如音頻放大器在20Hz～20kHz的頻率范圍內(nèi),其幅頻和相頻特性要求恒定,這是音響設(shè)備的指標(biāo)之一,在其說(shuō)明書上稱為頻率響應(yīng),即為通頻帶。五、負(fù)反饋放大電路

1.反饋的基本概念

1)反饋

將放大電路輸出量(電壓或電流)的一部分或全部,通過(guò)一定的方式返回到輸入端,與輸入量相疊加,以改善放大電路性能的方法稱為反饋。在放大電路中引入反饋后,電路中增加了反饋網(wǎng)絡(luò),使電路構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),稱為反饋放大器。無(wú)反饋的放大電路為開環(huán)系統(tǒng),稱為基本放大器。反饋放大器的方框圖如圖2.1.23所示。圖2.1.23反饋放大器方框圖

2)正反饋與負(fù)反饋

若反饋信號(hào)削弱了原來(lái)的輸入信號(hào),使凈輸入信號(hào)減小,則為負(fù)反饋；反之,若反饋信號(hào)加強(qiáng)了原來(lái)的輸入信號(hào),使凈輸入信號(hào)增加,則為正反饋。一般,在擔(dān)任放大任務(wù)的電路中所引入的都是負(fù)反饋。

反饋極性的判別通常采用瞬時(shí)極性法,具體步驟是:

①假設(shè)放大電路中某點(diǎn)的瞬時(shí)電位升高,即瞬時(shí)極性為正,在圖中用“”表示；②按照信號(hào)的傳遞途徑,逐級(jí)標(biāo)出有關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)電位變化,升高用“”表示,降低用“”表示；③推出反饋信號(hào)的瞬時(shí)極性,若反饋信號(hào)是使凈輸入信號(hào)減弱的,是負(fù)反饋,否則是正反饋。例如在圖2.1.24(a)所示電路中,假設(shè)輸入端ui的瞬時(shí)極性為“”,則V1管基極的瞬時(shí)極性也為“”,經(jīng)反相放大,集電極瞬時(shí)極性為“”,V2的基極為“”,發(fā)射極為“”。從圖中可以看出,輸出電壓uo的一部分通過(guò)Rf反饋到輸入端,與V1基極的瞬時(shí)極性相反,表明反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減少,所以是負(fù)反饋。

反饋極性的判別也可以用箭頭標(biāo)出有關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)電位變化的方式來(lái)表示,如在圖2.1.24(b)所示電路中,按照信號(hào)的傳遞途徑,用箭頭逐級(jí)標(biāo)出有關(guān)點(diǎn)的瞬時(shí)電位變化的情形如下：

ui↑→uC1↓→uE2↓→uE1↓→uBE1↑

由此可見,反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)增加,所以是正反饋。圖2.1.24用瞬時(shí)極性法判斷反饋極性

3)負(fù)反饋的一般關(guān)系式

在圖2.1.23所示的反饋電路方框圖中,設(shè)基本放大器的放大倍數(shù)為A,A=xo/xid,反饋系數(shù)是F,F=xf/xo。負(fù)反饋時(shí),xid=xi－xf,則

xi=xid+xf,xo=Axid

由此可以得到反饋放大器的放大倍數(shù)為

2.負(fù)反饋的類型

1)直流反饋與交流反饋

放大電路中,一般都存在著直流分量和交流分量,如果反饋信號(hào)只含有直流成分,則稱為直流反饋；如果反饋信號(hào)只含有交流成分,則稱為交流反饋。如果反饋信號(hào)既有直流分量,又有交流分量,則稱為交直流反饋。

直流反饋和交流反饋可以通過(guò)觀察反饋信號(hào)是直流量還是交流量來(lái)判斷,也可以通過(guò)畫出反饋電路的直流通路和交流通路來(lái)判斷。

2)電壓反饋與電流反饋

反饋網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)元件兩端的電壓都隨放大器輸出端負(fù)載兩端電壓的變化而變化時(shí),這些元件上的電壓稱為取樣電壓。反饋信號(hào)屬電壓量,稱為電壓反饋,如圖2.1.25(a)所示。在輸入電壓不變時(shí),如果輸出電壓變化,可以通過(guò)反饋使凈輸入電壓相反變化的是電壓負(fù)反饋,該電路具有穩(wěn)定輸出電壓的特性。反饋網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)元件上的電流都隨流過(guò)負(fù)載的輸出電流的變化而變化時(shí),這些元件上的電流稱為取樣電流。反饋信號(hào)是其中一部分元件上的電流,則形成電流反饋,如圖2.1.25(b)所示。在輸入電流不變時(shí),如果輸出電流變化可以通過(guò)反饋使凈輸入電流相反變化的是電流負(fù)反饋,該電路具有穩(wěn)定輸出電流的特性。

判斷是電壓反饋還是電流反饋可以根據(jù)反饋取樣的對(duì)象來(lái)判斷,具體方法是:假設(shè)輸出端的負(fù)載短路,這時(shí)如果反饋量依然存在(不為0),則是電流反饋；如果反饋量消失(為0),則是電壓反饋。圖2.1.25從輸出端提取信號(hào)的兩種類型

3)并聯(lián)反饋與串聯(lián)反饋

在反饋放大器輸入端,如果信號(hào)源、基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)三者構(gòu)成串聯(lián)回路,形成的反饋為串聯(lián)反饋；在反饋放大器輸入端,如果基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)相對(duì)信號(hào)源構(gòu)成并聯(lián)形式,形成的反饋為并聯(lián)反饋。

判斷是串聯(lián)反饋還是并聯(lián)反饋,可以根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)在輸入端引入的節(jié)點(diǎn)不同來(lái)判斷。如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是在輸入端(三極管的基極和發(fā)射極可以看做放大電路的兩個(gè)輸入端)同一個(gè)節(jié)點(diǎn)引入,反饋信號(hào)與輸入信號(hào)為電流相加減,則為并聯(lián)反饋,如圖2.1.26(a)所示；如果反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)引入時(shí),則為串聯(lián)反饋,如圖2.1.26(b)所示。圖2.1.26在輸入端疊加信號(hào)的兩種類型

3.負(fù)反饋放大電路的四種組態(tài)

下面通過(guò)例題介紹負(fù)反饋放大電路的四種常用組態(tài)及反饋放大電路的基本分析方法。

1)電壓串聯(lián)負(fù)反饋

【例2.1.2】

分析圖2.1.27所示放大電路中的反饋。圖2.1.27電壓串聯(lián)負(fù)反饋(共集電極)放大電路解電阻Re跨接在輸出回路與輸入回路之間,輸出電壓uo通過(guò)Re反饋到輸入回路,因此Re構(gòu)成交、直流反饋網(wǎng)絡(luò)。在輸入端,反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路相串聯(lián),故為串聯(lián)反饋；在輸出端(對(duì)于交流信號(hào)來(lái)說(shuō),耦合電容短路),如果三極管的發(fā)射極接地,反饋支路Re受到影響而消失,自然反饋信號(hào)也消失,因此為電壓反饋。從圖中所標(biāo)的瞬時(shí)極性可見,當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),三極管基極的瞬時(shí)極性記為“”,發(fā)射極電位與基極電位極性同相,也為“”。三極管的發(fā)射極既是信號(hào)的輸出端,又是反饋信號(hào)輸入端,根據(jù)基爾霍夫回路定律有ui=ube+uf,即三極管的凈輸入為uid=ui－uf,反饋使凈輸入信號(hào)減小,故為負(fù)反饋。

2)電流串聯(lián)負(fù)反饋

【例2.1.3】

分析圖2.1.28所示放大電路中的反饋。圖2.1.28分壓式偏置共發(fā)射極電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路解該電路為分壓式偏置共發(fā)射極放大電路。Re1、Re2和Ce是輸入回路與輸出回路的公共電阻部分,為反饋網(wǎng)絡(luò)。由于旁路電容Ce的存在,Re1和Re2構(gòu)成直流反饋,交流反饋僅由Re1構(gòu)成。由瞬時(shí)極性看出,反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小,為負(fù)反饋。

在輸入端,反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路相串聯(lián),故為串聯(lián)反饋。

在輸出端,反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路、負(fù)載電阻Rf相串聯(lián)。反饋信號(hào)的交流部分為uf=ioRe1,反饋信號(hào)的直流部分為Uf=io(Re1+Re2),因此反饋取樣于輸出電流io。假定輸出電壓被短路時(shí),交流反饋電阻Re仍然傳遞反饋信號(hào),所以為電流反饋。

3)電流并聯(lián)負(fù)反饋

【例2.1.4】

試分析圖2.1.29(a)所示放大電路中的反饋。圖2.1.29電流并聯(lián)負(fù)反饋放大電路解由圖2.1.29(a)可見,Rf、Cf跨接在輸入回路與輸出回路之間,Rf、Cf、Re2共同構(gòu)成了越級(jí)反饋網(wǎng)絡(luò)。

在輸入端,反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路相并聯(lián),故為并聯(lián)反饋。

在輸出端,反饋網(wǎng)絡(luò)的Re2與基本放大電路、負(fù)載電阻RL串接,反饋信號(hào)if取樣于輸出電流io,故為電流反饋；uo端的瞬時(shí)通過(guò)Rf、Cf與uid的端相接,反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小,所以引入的應(yīng)是負(fù)反饋。此外,其中Re2還構(gòu)成了第二級(jí)的本級(jí)電流串聯(lián)負(fù)反饋,如圖2.1.29(b)所示。

4)電壓并聯(lián)負(fù)反饋

【例2.1.5】

分析圖2.1.30(a)所示放大電路中的反饋。圖2.1.30電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大電路解由圖2.1.30(a)可見,Rf、Cf跨接在V1、V2組成的兩級(jí)放大器之間構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。

在輸入端,反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路相并聯(lián),故為并聯(lián)反饋。

在輸出端,反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路、負(fù)載電阻RL相并聯(lián),反饋信號(hào)if取樣于輸出電壓uo,故為電壓反饋；uf的瞬時(shí)與uid的端相接,反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小,所以引入的應(yīng)是負(fù)反饋。此外,V2管的發(fā)射極電阻Re2還構(gòu)成了本級(jí)電流串聯(lián)負(fù)反饋,如圖2.1.30(b)所示。

【例2.1.6】

分析圖2.1.18所示的放大電路中的反饋(要求指出反饋元件,在圖中標(biāo)出反饋信號(hào),判斷反饋類型和正、負(fù)反饋)。

解為分析方便,將圖2.1.18重畫如圖2.1.31(a)所示,這是一個(gè)兩級(jí)放大電路構(gòu)成的反饋放大電路,空載時(shí)V2發(fā)射極接R6入地,帶載時(shí)耳機(jī)與R6并聯(lián)。圖中,V1發(fā)射極電阻R4兩端并聯(lián)了電容C3,所以第一級(jí)只有直流電流串聯(lián)負(fù)反饋；而V2發(fā)射極電阻R6引入的是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。圖2.1.31多級(jí)反饋放大電路

4.負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響

負(fù)反饋使放大電路增益下降,但可使放大電路很多方面的性能得到改善,下面分析負(fù)反饋對(duì)電路主要性能的影響。

1)提高增益的穩(wěn)定性

由于負(fù)載和環(huán)境溫度的變化、電源電壓的波動(dòng)和器件老化等因素,放大電路的放大倍數(shù)會(huì)發(fā)生變化。通常用放大倍數(shù)相對(duì)變化量的大小來(lái)表示放大倍數(shù)穩(wěn)定性的優(yōu)劣,相對(duì)變化量越小,則穩(wěn)定性越好。

設(shè)信號(hào)頻率為中頻,則Af=A/(1+AF)中各量均可為實(shí)數(shù)。對(duì)Af求微分,可得

2)減小失真和擴(kuò)展通頻帶

·減小放大電路引起的非線性失真

三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等有源器件伏安特性的非線性會(huì)造成輸出信號(hào)非線性失真,引入負(fù)反饋后可以減小這種失真,其原理可用圖2.1.32加以說(shuō)明。圖2.1.32負(fù)反饋減小非線性失真

·擴(kuò)展通頻帶

圖2.1.33所示為基本放大電路和負(fù)反饋放大電路的幅頻特性A(f)和Af(f)的比較,由圖可見,加負(fù)反饋后的通頻帶寬度BWf=fHf－fLf比無(wú)負(fù)反饋時(shí)的BW=fH－fL大。

擴(kuò)展通頻帶的原理如下:當(dāng)輸入等幅不同頻率的信號(hào)時(shí),高頻段和低頻段的輸出信號(hào)比中頻段的小,因此反饋信號(hào)也小,對(duì)凈輸入信號(hào)的削弱作用小,所以高、低頻段的放大倍數(shù)減小程度比中頻段的小,從而擴(kuò)展了通頻帶。

通常,引入負(fù)反饋后其通頻帶將展寬為BWf=(1+AF)BW,即電壓放大倍數(shù)下降為原來(lái)的1/n,通頻帶就擴(kuò)展為原來(lái)的n倍?？梢?引入負(fù)反饋能擴(kuò)展通頻帶。通頻帶的展寬意味著頻率失真的減少,因此負(fù)反饋還能減少頻率失真。圖2.1.33負(fù)反饋擴(kuò)展通頻帶

3)改變輸入電阻和輸出電阻

放大電路引入負(fù)反饋,對(duì)電路的輸入電阻和輸出電阻都會(huì)產(chǎn)生影響。

負(fù)反饋對(duì)輸入電阻的影響取決于放大電路輸入端引入負(fù)反饋的連接方式,與輸出端的連接方式無(wú)關(guān)。串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大,引入負(fù)反饋后的輸入電阻為未引入負(fù)反饋電路輸入電阻的1+AF倍,即Rif=Ri(1+AF)；并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減少,引入負(fù)反饋后的輸入電阻為Rif=Ri/(1+AF)。Ri為未引入反饋時(shí)的輸入電阻。

負(fù)反饋對(duì)輸出電阻的影響取決于放大電路輸出端引入負(fù)反饋的連接方式,與輸入端的連接方式無(wú)關(guān)。電壓負(fù)反饋使輸出電阻減少,Rof=Ro/(1+AF)；電流負(fù)反饋使輸出電阻增大,Rof=Ro(1+AF)。Ro為未引入負(fù)反饋時(shí)的輸出電阻。任務(wù)實(shí)施分立助聽器的仿真測(cè)試

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)熟悉三極管放大電路的性能特點(diǎn)和級(jí)聯(lián)方法。

(2)掌握多級(jí)放大電路的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。

(3)熟悉PROTEUS仿真軟件中雙蹤示波器的使用方法。二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

實(shí)訓(xùn)應(yīng)用PROTEUS軟件仿真,具體應(yīng)用到的虛擬儀器及元件庫(kù)元件名稱如下:

虛擬信號(hào)發(fā)生器:GENERATORSSINE

虛擬示波器:INSTRUMENTSOSCILLOSCOPE

直流電壓表:INSTRUMENTSDCVOLTAGE

地端子:TERMINALSGROUND

電阻:Res

電容:CAP

電解電容:Capelec

三極管:NPN、PNP

揚(yáng)聲器:SOUNDER

電池:BATTERY三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

實(shí)訓(xùn)仿真測(cè)試電路如圖2.1.34所示。

圖2.1.34分立助聽器的仿真測(cè)試電路四、分析與思考

(1)本項(xiàng)目電路中V3為何要選用PNP型號(hào)的三極管？

(2)本項(xiàng)目電路中的V1發(fā)射極中為什么要串接一個(gè)電阻？

五、實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)

按附錄一中的“電路仿真實(shí)訓(xùn)評(píng)分表”操作執(zhí)行。知識(shí)拓展場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

一、場(chǎng)效應(yīng)管

1.場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和特性

1)結(jié)構(gòu)

圖2.1.35(a)、(b)為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)(JFET)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其符號(hào)。其中圖(a)是在N型半導(dǎo)體兩側(cè)嵌入兩個(gè)高摻雜的P區(qū),從而形成兩個(gè)PN結(jié)。兩側(cè)P區(qū)在內(nèi)部相連后引出一個(gè)電極稱為柵極,用G表示；從N型半導(dǎo)體兩端分別引出兩個(gè)電極稱為源極和漏極,用S和D表示。兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)就是導(dǎo)電溝道,所以稱為N溝道管。圖2.1.35(b)則是在P型半導(dǎo)體兩側(cè)嵌入兩個(gè)高摻雜的N區(qū),為P溝道管。圖2.1.35結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

2)溝道的導(dǎo)電特性

P溝道和N溝道兩種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管幾乎具有相同的特性,只不過(guò)在工作時(shí)G極的電壓極性不同。下面以P溝道管為例說(shuō)明其導(dǎo)電特性。

正常工作時(shí),結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的PN結(jié)必須外加反向偏置電壓。如圖2.1.36(a)所示,PN結(jié)反偏時(shí),柵極電流幾乎為0,輸入電阻高達(dá)幾十兆歐以上。漏極D和源極S之間在所加的正極性電壓uDS作用下,溝道中形成漏極電流iD。由于柵、源之間PN結(jié)的反向偏壓uGS改變時(shí),兩個(gè)PN結(jié)中間的耗盡層將改變,使溝道兩邊的PN結(jié)之間形成了像圖2.1.36(b)所示的水流控制模型中用楔形物體控制虛線所示的杠桿一樣。各極的電流關(guān)系也與此十分相似。PN結(jié)耗盡層厚度的改變致使導(dǎo)電溝道的寬度改變,即溝道電阻的大小改變,使漏極電流iD的大小受到控制。圖2.1.36場(chǎng)效應(yīng)管的電流控制作用

2.JFET的特性曲線

1)轉(zhuǎn)移特性曲線

由于JFET的輸入電阻特別大,柵極G基本上沒有電流,討論它的輸入伏安特性沒有意義。通常用轉(zhuǎn)移特性來(lái)表示

uGS對(duì)iD的控制特性,如圖2.1.37(a)所示為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)uGS＝0V時(shí),溝道電阻最小,漏極電流最大,此時(shí)iD=IDSS。當(dāng)柵極電壓越負(fù),管內(nèi)PN結(jié)反壓越大時(shí),耗盡區(qū)越寬,iD越小。當(dāng)uGS＜UP時(shí),兩個(gè)耗盡區(qū)完全合攏,溝道電阻趨于無(wú)窮大,iD≈0?？梢宰C明,在UP<uGS<0的范圍內(nèi),漏極電流iD與柵源電壓uGS的關(guān)系近似為

圖2.1.37N溝道JFET的特性曲線

2)輸出特性曲線

輸出特性曲線表示的是在柵源電壓uGS一定的情況下,漏極電流iD和漏源電壓uDS之間的關(guān)系。N溝道JFET的輸出特性曲線如圖2.1.37(b)所示,可以分為三個(gè)區(qū):

(1)可變電阻區(qū)。

(2)截止區(qū)。

(3)放大區(qū)。

3.場(chǎng)效應(yīng)管的類型及其特性比較

按內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,場(chǎng)效應(yīng)管可以分為兩大類型:結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,目前應(yīng)用最廣的是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)。如圖2.1.38所示。其中MOSFET也有N溝道和P溝道兩種類型,而其中每一種溝道類型又還有增強(qiáng)型和耗盡型,這樣就有6種類型。

不管什么類型,場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線都有可變電阻、截止、放大三個(gè)區(qū),只是其iD及其控制iD的柵源電壓uDS的極性、量值范圍不一樣。利用電場(chǎng)效應(yīng)原理,用輸入電壓開啟、夾斷或者改變導(dǎo)電溝道寬窄,就可以達(dá)到控制輸出電流的目的。各種類型的場(chǎng)效應(yīng)管特性比較如表2.1.3所示。圖2.1.38場(chǎng)效應(yīng)管外形結(jié)構(gòu)圖

4.JFET的主要參數(shù)

(1)夾斷電壓UP:在規(guī)定了溫度和測(cè)試電壓UT的情況下,當(dāng)漏極電流iD趨向于0(例如50μA)時(shí),所測(cè)得的柵源反偏電壓uGS就稱為夾斷電壓UP。對(duì)于N溝道JFET,UP<0。有的教材用UGS(off)表示夾斷電壓。

(2)飽和漏電流IDSS：在uGS=0的條件下,外加漏源電壓uDS使JFET工作于放大區(qū)時(shí)的漏極電流稱為飽和漏電流IDSS。在轉(zhuǎn)移特性上,IDSS就是uGS=0時(shí)的漏極電流。

(3)擊穿電壓U(BR)DS:該值表示漏源之間發(fā)生擊穿,漏極電流從恒流值開始急劇上升時(shí)的UDS值。選用JFET時(shí),外加電壓uDS不允許超過(guò)該值。

(4)直流輸入電阻RGS:該值表示柵源之間的直流電阻。由于uGS為反偏電壓,所以RGS的值很大,一般大于10MΩ。

(5)輸出電阻rDS:在放大區(qū),rDS數(shù)值很大,一般在幾十至幾百千歐；在可變電阻區(qū),溝道暢通,rDS值很小。當(dāng)uGS=0時(shí),該電阻稱為JFET的導(dǎo)通電阻。

(6)低頻跨導(dǎo)gm:在uDS為規(guī)定值的條件下,漏極電流變化量與引起這個(gè)變化的柵源電壓變化量之比,稱為跨導(dǎo)gm(互導(dǎo)),即gm=(ΔiD/ΔuGS)|UDS=常數(shù)。跨導(dǎo)的單位是西門子(S),常用mS或者μS?？鐚?dǎo)gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。

5.場(chǎng)效應(yīng)管的使用注意事項(xiàng)

(1)JFET的漏極D和源極S可以互換,也可以用萬(wàn)用表R×100擋檢測(cè)其引腳極性,但MOSFET有的產(chǎn)品在出廠前已將源極與襯底相連接,不能將D、S調(diào)換使用。

(2)MOSFET的柵極與源極之間的輸入電阻高達(dá)109Ω以上,不能用萬(wàn)用表檢測(cè)其引腳(可以用專門的場(chǎng)效應(yīng)管檢測(cè)儀器檢測(cè)),要防止柵極懸空,甚至在保存時(shí)也應(yīng)將柵極與源極處以短路狀態(tài),以免外電場(chǎng)擊穿絕緣層而使其損壞。二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1.自偏壓共源電路

場(chǎng)效應(yīng)管自偏壓共源電路如圖2.1.39(a)所示,RG、RS、RD分別為柵極、源極和漏極電阻；C1、C2分別為輸入、輸出耦合電容,一般可取0.1μF；C3為源極旁路電容,提供源極交流通路。由于柵極G端輸入電阻極高,柵極電阻RG中無(wú)靜態(tài)電流,UGQ=0。而柵源極之間的靜態(tài)電壓UGSQ=

－IDQRS,由這種方式生成柵偏壓的電路稱為自偏壓電路。自偏壓電路適用于具有原始導(dǎo)電溝道的耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管,即結(jié)型和耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管,不適用于增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管。圖2.1.39自偏壓場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

2.分壓式偏置共源電路

場(chǎng)效應(yīng)管分壓式偏置共源電路如圖2.1.40(a)所示,為了提高放大電路的輸入電阻(注意,不是場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻),該電路的柵極電壓由RG1、RG2分壓再串聯(lián)RG3后與柵極連接(一般RG3較大,RG1、RG2較小),由于RG3中無(wú)電流,柵極電壓UGQ取決于RG1與RG2的分壓比,RG3僅起電壓傳輸作用。

場(chǎng)效應(yīng)管分壓式偏置共源電路靜態(tài)分析有圖解法與計(jì)算法兩種。

圖解法是求出轉(zhuǎn)移特性與直流負(fù)載的交點(diǎn)Q,Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)為UGSQ,縱坐標(biāo)為IDQ。計(jì)算法是聯(lián)立求解轉(zhuǎn)移特性與直流負(fù)載兩條曲線(直線)方程的解。分壓式偏置電路的直流負(fù)載線方程為轉(zhuǎn)移特性方程視場(chǎng)效應(yīng)管類型有耗盡型:

增強(qiáng)型:如圖2.1.37所示特性的場(chǎng)效應(yīng)管,IDSS=5mA,UP=－3.5V,則有由上兩式聯(lián)立并求解可得

IDQ=2.51mA

UGSQ=－1.02V分壓式偏置電路微變等效電路如圖2.1.40(b)所示,其動(dòng)態(tài)分析與自偏壓相同,只有輸入電阻不同。分壓式偏置電路的輸入電阻為

ri=RG3+(RG1∥RG2)

圖2.1.40場(chǎng)效應(yīng)管分壓式偏置共源放大電路

3.源極輸出器

場(chǎng)效應(yīng)管共漏電路,即源極輸出器,如圖2.1.41所示。圖2.1.41場(chǎng)效應(yīng)管共漏電路電壓放大倍數(shù):式中,RL′=RS∥RL。該式表明,源極輸出器電壓放大倍數(shù)小于1,接近于1。輸入電阻與分壓式偏置共源電路相同。小結(jié)

分析放大電路的目的主要有兩個(gè):一是確定靜態(tài)工作點(diǎn),二是計(jì)算放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),如電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等。主要的分析方法有兩種:一是利用放大電路的直流通路、交流通路和微變等效電路進(jìn)行分析和估算；二是利用圖解法進(jìn)行分析和估算。

溫度變化是引起放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的主要原因,采用分壓式偏置電路是解決這一問題的辦法之一。按照信號(hào)輸入、輸出公共端的不同,三極管可組成共發(fā)射極、共集電極和共基極三種組態(tài)的放大電路。共發(fā)射極放大電路的電壓、電流、功率放大倍數(shù)都比較大,得到廣泛應(yīng)用；共集電極放大電路的輸入電阻高,輸出電阻很低,多用于輸出級(jí)或緩沖級(jí)；共基極放大電路的輸入電阻低,適用于高頻放大。多級(jí)放大電路常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合等。在選用耦合方式時(shí),主要是考慮整個(gè)放大電路的電壓放大倍數(shù)(會(huì)隨信號(hào)頻率的變化而變化)、頻率響應(yīng)和通頻帶等重要性能指標(biāo)。

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件,組成電路的形式與三極管極為相似。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是通過(guò)改變PN結(jié)的反偏電壓大小來(lái)改變導(dǎo)電溝道寬窄的。通常用轉(zhuǎn)移特性來(lái)表示輸入電壓對(duì)輸出電流的控制性能,用輸出特性的三個(gè)區(qū)來(lái)表示它的輸出性能。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)可作為放大器件使用,工作于截止區(qū)和可變電阻區(qū)時(shí)可作為開關(guān)使用。由于場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝簡(jiǎn)單,便于大規(guī)模集成,因此在大規(guī)模集成電路中得到極為廣泛的應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管的直流偏置電路有自偏壓式和分壓式兩種,分析三極管放大電路所用的方法基本上適用于場(chǎng)效應(yīng)管放大電路。多級(jí)放大電路級(jí)與級(jí)之間的連接叫做耦合方式,一般有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合等方式,它們分別適用于不同的場(chǎng)合。多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)是各級(jí)放大倍數(shù)的乘積,電路的輸入電阻是第一級(jí)的輸入電阻,電路的輸出電阻就是最后一級(jí)的輸出電阻。在計(jì)算時(shí)要將后級(jí)電路的輸入電阻看做前級(jí)的負(fù)載或?qū)⑶凹?jí)電路的輸出電阻看成是后級(jí)電路的信號(hào)源內(nèi)阻。

放大器的頻率特性主要是指電壓放大倍數(shù)與輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系,包括幅頻特性和相頻特性兩部分。當(dāng)輸入信號(hào)頻率過(guò)高或過(guò)低時(shí),電壓放大倍數(shù)將下降,相移也要發(fā)生改變,電壓放大倍數(shù)下降到中頻增益的/2時(shí)的頻率稱為上限頻率fH和下限頻率fL,其差值稱為放大器的帶寬。多級(jí)放大電路的帶寬要小于組成它的任何單級(jí)電路的帶寬。為了改善放大電路的性能,通常引入反饋。反饋是通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出量回送到輸入端,和輸入量比較之后,控制輸出量的變化。正反饋和負(fù)反饋可用瞬間極性法來(lái)判別。放大電路中廣泛采用的是負(fù)反饋,負(fù)反饋有四種基本組態(tài):電壓串聯(lián)、電壓并聯(lián)、電流并聯(lián)、電流串聯(lián)。電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓,降低輸出電阻；電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流,增大輸出電阻；串聯(lián)負(fù)反饋可以提高輸入電阻；并聯(lián)負(fù)反饋可以降低輸入電阻。負(fù)反饋放大器還對(duì)穩(wěn)定電路的放大倍數(shù)、擴(kuò)展通頻帶、減小非線性失真等起積極作用。由于各種組態(tài)的負(fù)反饋對(duì)放大器性能的改善是不同的,因此可根據(jù)不同情況選擇合適的負(fù)反饋電路組態(tài)。

實(shí)際運(yùn)用時(shí),常用到的是深度負(fù)反饋放大電路。對(duì)于深度負(fù)反饋放大電路,可利用Af≈1/F或xi≈xf進(jìn)行估算。負(fù)反饋改善放大電路的性能是以犧牲放大倍數(shù)為代價(jià)的,即反饋越深,性能改善的效果越顯著。任務(wù)二集成助聽器的制作與測(cè)試

技能訓(xùn)練1基本差動(dòng)放大電路的制作與特性測(cè)試

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)熟悉差動(dòng)放大電路的性能特點(diǎn)和級(jí)聯(lián)方法；

(2)掌握差動(dòng)放大電路的靜態(tài)測(cè)試方法；

(3)掌握差動(dòng)放大電路交流信號(hào)的觀測(cè)方法。二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

正負(fù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源:HG63303

信號(hào)發(fā)生器:SP1641B

雙蹤示波器:UT2062C

數(shù)字萬(wàn)用表:DE960TR

電阻:510kΩ、10kΩ

電位器:100Ω

萬(wàn)能板:5cm×8cm

三極管:C1815三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

(1)依據(jù)圖2.2.1所示電路,按V1、V2兩三極管及相關(guān)電阻的參數(shù)盡可能一致對(duì)稱的要求把所需的元件通過(guò)檢測(cè)選擇出來(lái),然后在萬(wàn)能板上裝配、焊接,檢查無(wú)誤后把正負(fù)輸出可調(diào)穩(wěn)壓電源調(diào)試為±12V輸出,再按圖2.2.1接上電源。

在兩輸入端與地短接的情況下,用直流數(shù)字電壓表監(jiān)測(cè)兩輸出端V1、V2集電極之間的電壓,調(diào)節(jié)調(diào)零電位器RP,使

Uc1－uC2=0,再用直流數(shù)字電壓表測(cè)量V1、V2管各極電位及射極電阻Re兩端的電壓,進(jìn)而計(jì)算出IC、IB和UCE等靜態(tài)值,填入表2.2.1中。圖2.2.1基本差動(dòng)放大電路

(2)斷開電源,調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,使其輸出為f=

100Hz的正弦信號(hào),并將幅度旋至零。按圖2.2.1(b)連接信號(hào)發(fā)生器,雙蹤示波器負(fù)端接地,正端分別接其中一個(gè)三極管的集電極,此時(shí)稱為單端輸入單端輸出。

接通電源,逐漸增大Ui,直到約100mV。在輸出波形無(wú)失真的情況下,觀察雙蹤示波器中UC1、UC2之間的相位關(guān)系,讀出左右兩個(gè)輸出幅度。用交流電壓表監(jiān)測(cè)URE隨Ui改變而變化的情況。

(3)把示波器接成雙端輸出(其中一個(gè)管的集電極接“+”,另一個(gè)管的集電極接“－”),重復(fù)步驟(2)的調(diào)節(jié)與觀察。四、分析與思考

(1)為什么要用兩個(gè)三極管來(lái)組成一個(gè)放大電路？

(2)為什么不把信號(hào)源的“+”端接到兩個(gè)輸入端？知識(shí)鏈接差動(dòng)放大電路

圖2.2.2(a)所示是由兩個(gè)完全對(duì)稱(主要是指V1、V2的特性參數(shù)一致)的共射結(jié)構(gòu)組成的電路。輸入信號(hào)ui1、ui2分別從V1、V2基極輸入,輸出信號(hào)從V1、V2集電極輸出,輸入、輸出不共地,且具有公共發(fā)射極電阻Re,并由雙電源+UCC和

－UEE供電。該電路稱為基本差動(dòng)放大電路。

1.差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析

在圖2.2.2(a)所示的差動(dòng)放大電路中,當(dāng)兩個(gè)輸入端對(duì)地短路,即ui1=ui2=0時(shí),其直流通路如圖2.2.2(b)所示。由于電路完全對(duì)稱,兩邊的靜態(tài)參數(shù)也完全相同。圖2.2.2差動(dòng)放大電路及其直流通路

2.差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)分析

差動(dòng)放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端,所以信號(hào)的輸入、輸出有多種連接方式,如圖2.2.3所示。圖2.2.3差動(dòng)放大電路的輸入、輸出方式

1)共模輸入分析

·放大倍數(shù)

電路的兩個(gè)輸入端都加上大小相等、極性相同的電壓信號(hào),即ui1=ui2=uic(uic表示共模輸入信號(hào))時(shí),由于電路參數(shù)對(duì)稱,兩管輸出電壓為

uoc1=uoc2=uicAu

雙端輸出時(shí),共模電壓放大倍數(shù)為

單端輸出時(shí),共模電壓放大倍數(shù)為

·零點(diǎn)漂移的抑制

在差動(dòng)放大電路中,當(dāng)溫度發(fā)生變化導(dǎo)致兩管參數(shù)變化時(shí),等效于存在共模輸入信號(hào),兩管集電極電流以及相應(yīng)的集電極電壓產(chǎn)生相同的變化,即

ΔIC1=ΔIC2,

ΔUC1=ΔUC2

這時(shí),輸出變化量為

ΔUCO=ΔUC1－ΔUC2=0

·共模抑制比

由于實(shí)際應(yīng)用中,兩管的參數(shù)不可能完全一致,輸出端就會(huì)存在一個(gè)很小的共模雙端輸出電壓,導(dǎo)致共模雙端輸出的放大倍數(shù)不完全為零。實(shí)際上溫漂信號(hào)和外界隨輸入信號(hào)一起混入的同極性干擾信號(hào)成分都可以看成是共模信號(hào),所以共模電壓放大倍數(shù)越小,放大電路抑制零漂和抗干擾的能力就越強(qiáng)。為了反映這種能力,通常用差模電壓放大倍數(shù)Aud(參見差模輸入分析)與共模電壓放大倍數(shù)Auc之比的絕對(duì)值來(lái)表示,稱為共模抑制比,亦即用分貝數(shù)表示時(shí),則

單端輸出時(shí),共模抑制比為

2)差模輸入分析

·差模雙端輸入與差模單端輸入

差模雙端輸入如圖2.2.3(b)所示,兩輸入端對(duì)地分別可以獲得+uid/2和－uid/2的信號(hào)電壓。差模單端輸入如圖2.2.3(c)所示,若把uid看成uid/2+uid/2,而把另一端的零輸入看成uid/2－uid/2,這就等效于兩端輸入了一個(gè)uid/2的共模信號(hào)與uid/2的雙端輸入疊加。由于共模雙端輸出的電壓放大倍數(shù)為零,所以雙端輸出時(shí)只剩下與差模雙端輸入相同的信號(hào)得到放大；單端輸出時(shí)也同樣只得到雙端輸出一半的信號(hào)電壓。因此,差模雙端輸入與差模單端輸入是完全等效的,如圖2.2.4所示。圖2.2.4差模雙端輸入與差模單端輸入的等效

·差模輸入、雙端輸出

差動(dòng)放大電路的兩個(gè)輸入端各加上一個(gè)大小相等、極性相反的電壓信號(hào)時(shí),即ui1=－ui2時(shí),電路中一個(gè)管的集電極電流增加,而另一個(gè)管的集電極電流減少,使得uo1和uo2以相反方向變化,從而獲得放大的信號(hào)輸出。

差模輸入時(shí),流過(guò)射極電阻的交流由兩個(gè)大小相等、方向相反的ie1和ie2組成,在電路對(duì)稱的情況下,這兩個(gè)交流之和在Re兩端產(chǎn)生的交流壓降為零,因此,差模輸入的交流通路可以把Re短路,如圖2.2.5所示。圖2.2.5差模輸入、雙端輸出電路雙端輸出時(shí),差模電壓放大倍數(shù)Aud為其中,負(fù)號(hào)表示輸出與輸入信號(hào)反相。當(dāng)兩個(gè)輸出端之間接上負(fù)載時(shí),RL的中點(diǎn)電位為零,相當(dāng)于接地,得輸入電阻Rid=2rbe,輸出電阻Ro=2Rc。

·差模輸入、單端輸出單端輸出時(shí),由于只取一個(gè)管的集電極電壓變化量,所以這時(shí)的電壓放大倍數(shù)Aud1只是雙端輸出的一半,即

接上單邊輸出負(fù)載RL時(shí),電壓放大倍數(shù)為其中,RL′=Rc∥RL。如果從V2管c極輸出,則

知識(shí)拓展