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放大电路的组成  

2010-12-26 22:57:43|  分类: 硬件 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在生产实践和科学研究中需要利用放大电路放大微弱的信号,以便观察、测量和利用。

    一个基本放大电路必须有如图2.1.1(a)所示各组成部分:输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。其中,直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点,以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言,就是保证发射结正偏,集电结反偏。

    输入信号源一般是将非电量变为电量的换能器, 如各种传感器,将声音变换为电信号的话筒,将图像变换为电信号的摄像管等。它所提供的电压信号或电流信号就是基本放大电路的输入信号。

       2.1.1b)是最简单的共发射极组态放大器的电路原理图。我们先介绍各部件的作用。 

1. 晶体管

2. 直流电源UCC

3. 基极偏流电阻Rb   

4. 集电极电阻Rc      

5. 耦合电容C1 C2 



放大电路的组成 - Hyobo - 堕落天使


二、  大电路的工作原理

        在图2.1.1(b)所示基本放大电路中,我们只要适当选取RbRcUCC的值,三极管就能够工作在放大区。下面我们以它为例,分析放大电路的工作原理。 

        1. 无输入信号时放大器的工作情况

         在图2.1.1(b)所示的基本放大电路中, 在接通直流电源UCC后,当ui=0由于基极偏流电阻Rb的作用,晶体管基极就有正向偏流IB流过,由于晶体管的电流放大作用,那么集电极电流IC=βIB,集电极电流在集电极电阻Rc上形成的压降为UC=ICRc

显然晶体管集电极-发射极间的管压降为UCE=UCC-ICRc   

         ui=0时,放大电路处于静态或叫处于直流工作状态, 这时的基极电流IB、集电极电流IC和集电极发射极电压UCEIB、 ICQUCEQ表示。它们在三极管特性曲线上所确定的点就称为静态工作点,其习惯上用Q表示。这些电压和电流值都是在无信号输入时的数值,所以叫静态电压和静态电流。

        2. 输入交流信号时的工作情况

       当在放大器的输入端加入正弦交流信号电压ui时,信号电压ui将和静态正偏压UBE相串连作用于晶体管发射结上,加在发射结上的电压瞬时值为

uBE=UBE+ui

     如果选择适当的静态电压值和静态电流值,输入信号电压的幅值又限制在一定范围之内,则在信号的整个周期内,发射结上的电压均能处于输入特性曲线的直线部分,如图2.1.2(a),此时基极电流的瞬时值将随uBE变化,如图2.1.2(b)

         基极电流iB由两部分组成一个是固定不变的静态基极电流IB;一个是作正弦变化的交流基极电流ib

                          iB=IB+ib

    由于晶体管的电流放大作用, 集电极电流iC将随基极电流iB变化,如图2.1.2c)所示。  

放大电路的组成 - Hyobo - 堕落天使

同样,iC也由两部分组成:一个是固定不变的静态集电极电流IC;一个是作正弦变化的交流集电极电流ic。其瞬时值为

                   iC=IC+ic(2.1.2 

        现在讨论集电极电阻Rc上的电压降uRc。因为uRc=iCRc, 所以它要随iC变化,如图2.1.2d)所示。由于UCC=iCRc+uCE,所以在图2.1.2(d)上,管压降的瞬时值uCE相当于UCC虚线下面的空白部分。把它单独画出,如图2.1.2(e)所示。显然, uCE也由两部分组成:一个是固定不变的静态管压降UCE 另一个是作正弦变化的交流集电极-发射极电压uce 

    如果负载电阻RL通过耦合电容C2接到晶体管的集电极-发射极之间,则由于电容C2的隔直作用,负载电阻RL上就不会出现直流电压。 但对交流信号uce,很容易通过隔直电容C2加到负载电阻RL上,形成输出电压uo。如果电容C2的容量足够大,则对交流信号的容抗很小,忽略其上的压降,则管压降的交流成分就是负载上的输出电压,因此有

                        uo=uce 2.1.3

把输出电压uo和输入信号电压ui进行对比,我们可以得到如下结论: 

(1) 输出电压的波形和输入信号电压的波形相同, 只是输出电压幅度比输入电压大。 
     (2) 输出电压与输入信号电压相位差为180°。 

        通过以上分析可知放大电路工作原理实质是用微弱的信号电压ui通过三极管的控制作用去控制三极管集电极电流iCiCRL上形成压降作为输出电压。iC是直流电源UCC提供的。因此三极管的输出功率实际上是利用三极管的控制作用,直流电能转化成交流电能的功率。

三、  放大电路的主要性能指标

         分析放大器的性能时必须了解放大器有哪些性能指标。 各种小信号放大器都可以用图2.1.3所示的组成框图表示,图中Us代表输入信号电压源的等效电动势,Rs代表内阻。也可用电流源等效电路。UiIi分别为放大器输入信号电压和电流的有效值,RL为负载电阻,UoIo分别为放大器输出信号电压和电流的有效值。衡量放大器性能的指标很多,现介绍输入、输出电阻,增益,频率失真和非线性失真等基本指标。

1. 输入、 输出电阻

放大电路的组成 - Hyobo - 堕落天使
    

    对于输入信号源, 可把放大器当作它的负载,用ri表示, 称为放大器的输入电阻。其定义的放大器输入端信号电压对电流的比值,即

                    ri=                                   

    对于输出负载RL,可把放大器当作它的信号源,用相应的电压源或电流源等效电路表示,如图2.1.4a)和(b)所示。 图中Ui是将RL移去, Us或者Is在放大器输出端产生的开路电压。In是将RL短接,Us或者Is在放大器输出端产生的短路电流。 ro是等效电流源或电压源的内阻,也就是放大器的输出电阻。

是在放大器中的独立电压源短路或独立电流源开路、 保留受控源的情况下, RL两端向放大器看进去所呈现的电阻。因此假如在放大器输出端外加信号电压U 计算出由U产生的电流I,则ro=U/I, 如图2.1.4c)。 rori只是等效意义上的电阻。如在放大器内部有电抗元件, rori应为复数值。

    2. 增益

    增益,又称为放大倍数,用来衡量放大器放大信号的能力。有电压增益、电流增益、功率增益等。

   1 电流、 电压增益

   电压增益用Au表示,定义为放大器输出信号电压与输入信号电压的比值。          

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因为                   ,               ,所以                 ;

增益Ai和源电流增益同样电流Ais分别定义为 :                          ,    ,

  2
 功率增益

  功率增益表示放大器放大信号功率的能力, 定义为:                          

一个信号源能够提供的最大功率,就是信号源加到匹配负载上的功率,我们定义为信号源额定功率它是度量信号源功率容量大小的参数。负载能否得到这么大的功率,取决于负载是否与信号源内阻匹配。额定功率与负载大小无关,而实际得到的功率则与负载大小有关。
3. 
频率失真

因放大电路一般含有电抗元件,所以对于不同频率的输入信号放大器具有不同的放大能力。相应的增益是频率的复函数。即

上式中, A(ω)是增益的幅值,φA(ω)是增益的相角, 都是频率的函数。我们将幅值随ω变化的特性称为放大器的幅频特性,其相应的曲线称为幅频特性曲线相角随ω变化的特性称为放大器的相频特性,其相应的曲线称为相频特性曲线。 它们分别如图2.1.5a)和(b)所示。 

在工程上,一个实际输入信号包含许多频率分量, 放大器不能对所有频率分量进行等增益放大,那么合成的输出信号波形就与输入信号不同。这种波形失真称为放大器的频率失真。要把这种失真限制在允许值范围内,则放大器频率响应曲线中平坦部分的带宽应大于输入信号的频率宽度。 
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