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第22章 基本放大电路(3)

可见,负反馈使放大倍数降低了(1+AF)倍。但是,由下面的证明可见负反馈却使放大倍数的稳定性提高了(1+AF)倍。为了定量地说明这一点,用放大倍数的相对变化量来比较。由上式对Af求导数,则得上式表明放大电路闭环放大倍数的相对变化量dAf只有开环放大倍数相对变化量dA1+AF倍,即放大倍数的稳定性提高了(1+AF)倍。

【例7-7】某一放大电路A=4950,若引入负反馈,反馈系数F=0-02,试比较引入负反馈前后放大倍数的稳定性。

可见,引入负反馈后的放大倍数相对变化量只是无负反馈时放大倍数相对变化量的1%,但是,这是以牺牲放大倍数为代价的。因此,为了获得同样的输出,放大电路的输入信号必须加大。

2-减小非线性失真

由于晶体管是非线性元件,在输入信号较大时,其工作范围可能会进入特性曲线的非线性部分,使输出波形产生非线性失真。

如图7-24(a)所示为无负反馈时的放大电路,由图可见,若正弦波输入信号痹Ui放大后的失真波形为前半周大,后半周小;引入负反馈后,如图7-24(b),反馈信号痹Uf也是前半周大,后半周小,但它和输入信号痹Ui相减后的净输入信号痹Ube=痹Ui-痹Uf则变成了前半周小,后半周大的波形,从而使输出波形趋于对称,这样就改善了输出波形。但输出波形仍然是正半周略大于负半周波形,但比无反馈时的差距减小了。

3-改变了输入输出电阻

放大电路引入不同类型的负反馈后,将对输入、输出电阻产生不同的影响,经常以此来满足实际工作中的特定需要,下面具体分析如下。

1)对输入电阻的影响

放大电路的输入电阻,是从输入端看进去的交流等效电阻。而输入电阻的变化,取决于输入端的负反馈方式(串联或并联),与输出端采用的反馈方式(电流或电压)无关。

(1)串联负反馈使输入电阻增大,如图7-25所示为串联负反馈的输入交流通路,由图7-25(a)可知,无反馈时(RE=0)的输入电流为由于采用串联负反馈,痹Ui=痹Ube+痹Uf,则痹Ui痹Ube,因此由式(7-23)和式(7-24)可知rifri。因此,凡是串联负反馈,由于反馈信号与输入信号串联,削弱了净输入信号,使输入电阻增大。

2)对输出电阻的影响

放大电路的输出电阻,就是从放大电路的输出端看进去的交流等效电阻。而输出电阻的变化,取决于输出端采用的反馈方式(电流或电压),与输入端采用的反馈方式(串联或并联)无关。

(1)电流负反馈使输出电阻增大,放大电路对输出端而言,可以等效成一个实际电流源,它的内阻就是放大电路的输出电阻。显然,输出电阻越大,输出电流就越稳定。而电流负反馈可以稳定输出电流,所以其效果就是增大了电路的输出电阻。

(2)电压负反馈使输出电阻减小,放大电路对输出端而言,也可以等效成一个实际电压源,内阻就是放大电路的输出电阻。显然,输出电阻越小,输出电压就越稳定。而电压负反馈可以稳定输出电压,所以其效果就是减小了电路的输出电阻。

以上情况可以列表7-2归纳如下。

7-8差动放大电路

差动放大电路利用两个型号和特性相同的三极管来实现温度补偿,是直接耦合放大电路中抑制零点漂移最有效的电路结构。由于它在电路和性能等方面具有许多优点,因而被广泛应用于集成电路中。

7-8-1零点漂移

一个理想的直接耦合放大电路,当输入信号为零时,其输出电压应保持不变。实际上,把直接耦合放大电路的输入端短接,在输出端也会偏离初始值,有一定数值的无规则缓慢变化电压输出,这种现象称为零点漂移,简称零漂。

引起零点漂移的原因很多,如晶体管参数随温度的变化,电源电压的波动,电路元件参数变化等,其中以温度变化的影响最为严重,所以零点漂移也称温漂。在多级直接耦合放大电路各级漂移中,又以第一级的漂移影响最为严重。由于直接耦合,第一级的漂移被逐级传输放大,级数愈多,放大倍数愈高,在输出端产生的零点漂移愈严重。由于零点漂移电压和有用信号电压共存于放大电路中,在输入信号较小时,一真一假,互相纠缠在一起,难以分辨。如果当漂移量大到足以和有用信号相比时,放大电路就无法正常工作。因此,减小第一级的零点漂移,成为多级直接耦合放大电路一个至关重要的问题。

7-8-2零点漂移的抑制

图7-27是由两个管子组成的最简单的差动放大电路。信号电压由两管基极输入,输出电压取自于两管的集电极之间。电路结构完全对称,元件特性及参数也对称。

静态时,由于电路结构完全对称,集电极电位相等,故输出为零。当温度变化,或电源电压波动,将引起两管集电极电流IC1、IC2同时增大或减小,这就是零漂现象,相当于在两管的输入端同时加入一对大小相等、极性相同的信号ui1、ui2,称为共模输入信号,如图7-27所示。对于共模输入信号,两管的集电极电位总是相等的。若采用双端输出方式,输出电压为零,或者说,差动放大电路的共模电压放大倍数AC=0,即差动放大电路可以有效地抑制零漂。

差动放大电路的输入信号一般采用差模方式输入,即加在两个输入端的信号电压大小相等、极性相反,若信号ui10,ui20。则必有VT1集电极的电流增大了ΔIC1,VT1的集电极电位因而减低了ΔVC1;而ui2却使VT2的集电极电流减小了ΔIC2,VT2的集电极电位因而增高了ΔVC2。这样,两个集电极电位一增一减,呈现异向变化,其差值即为输出电压uo。可以证明,差动放大电路对差模输入信号的电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数可见接成差动电路是为了能抑制零点漂移。

上述差动放大电路能抑制零点漂移,是由于电路的对称性。实际上,完全对称的理想情况并不存在;所以单靠提高电路的对称性来抑制零点漂移是有限的。另外,上述差动电路的每个管的集电极电位的漂移并未受到抑制,如果采用单端输出,漂移根本无法抑制。为此,常采用的是图7-28所示的电路,在这个电路中多加了电位器、发射极电阻和负电源。

从根本上说,要有效地抑制零漂,实质上是要稳定三极管的集电极电流,发射极电阻RE的主要作用就是稳定流过它本身的电流,对共模信号产生强烈的电流负反馈作用,从而限制每个管子的漂移范围,进一步减小零点漂移。例如当温度升高时,抑制漂移的过程如下:

可见,由于RE的电流负反馈作用,使每个管子的漂移又得到了一定程度的抑制,这样,输出端的漂移就进一步减小了。显然,RE愈大,电流负反馈作用愈强,因而抑制每个管子的漂移作用就愈显着。这样就进一步增强了差动电路抑制漂移和共模信号的能力,因此RE也称为共模负反馈电阻。

那么RE对要放大的差模信号而言,由于差模信号使两管的集电极电流产生异向变化,一增一减,互相抵消,RE上的差模信号压降为零,不起负反馈作用,因此不影响差模信号的放大效果。

由此可见,RE能区别对待共模信号与差模信号,这正是所期望的。当差动放大电路的两个输入信号中既含有待放大的差模分量,又含有较大的共模分量时,由于RE对共模信号的负反馈作用,稳定了工作点,使它不进入非线性区,同时又近于与差模信号无关。这样,既放大了有用信号,又抑制了干扰信号的影响。

虽然,发射极电阻愈大,抑制零点漂移的作用愈显着;但是,在UCC一定时,RE过大会使集电极电流过小,静态工作点过低,影响电压放大倍数。为此,接入负电源来补偿RE两端的直流压降,使集电极电流近于不变,从而获得合适的静态工作点。

调零电位器RP是调平衡用的。因为电路不会完全对称,当ui=0时,调节RP使uo=0。但电位器对差模信号将起负反馈作用,降低差模放大倍数Ad,因此阻值不宜过大,一般在几十欧到几百欧之间。

7-8-3输入、输出方式

(1)双端输入-双端输出,如图7-28所示。这种接法零漂很小,故应用广泛,它的放大倍数Ad=A1。

(2)双端输入-单端输出,如图7-29所示。这种接法常用于将差模信号转换为单端输出的信号,以便与后级放大器处于共地状态,由于是单端输出,所以输出电压只有双端输出的一半,即Ad=1/2A1。

(3)单端输入-双端输出,如图7-30所示。这种接法的特点是将单端输入信号转换为双端输出信号,作为下一级的差模输入信号,它的放大倍数Ad=A1。

(4)单端输入-单端输出,这种接法的差分放大电路与单管放大电路相比,显然有较强的抑制零漂的能力,但Ad=1/2A1。

总的来说,不管信号是单端输入还是双端输入,只要输出是单端,它的差模放大倍数就是基本放大电路的放大倍数的一半;若为双端输出,则与基本放大电路相同。

7-9功率放大电路

实际工程上,往往要利用放大后的信号去控制某种执行机构。例如扬声器的发声,电动机的转动,记录仪表的动作,继电器的闭合等。为了推动这些负载,不仅要求有较大的电压输出,而且要求有较大的电流输出,即要求有较大的功率输出。因此,多级放大电路的末级通常为功率放大电路。功率放大和电压放大原理一样,同样是利用晶体管基极电流对集电极电流的控制作用,把直流电源的电压、电流和功率转换成随输入信号做相应变化的交流电压、电流和功率,即进行能量转换。但也有不同之处,电压放大电路,通常在小信号情况下工作,要求有较高的电压放大倍数;而功率放大电路,多在大信号情况下工作,要求有较大的功率输出。

7-9-1对功率放大电路的基本要求

(1)有最大的功率输出。为了获得较大的输出功率,必然使三极管处于极限工作状态,由于信号大,工作的动态范围大,就要考虑到失真问题。

(2)效率要高。所谓效率,就是负载得到的交流信号功率与电源供给的直流功率之比值,为此需要寻求提高功率放大电路效率的途径。

放大电路有三种工作状态,如图7-31所示。其中图7-31(a)的静态工作点Q大致在交流负载线的中点,这种工作状态称甲类放大。在甲类工作状态,不论有无输入信号,电源供给的功率PE=UCCIC总是不变的。当无信号输入时,电源功率全部消耗在管子和电阻上,以管子的集电极损耗为主。当有信号输入时,其中一部分转换为有用的输出功率P;另一部分转换为管耗,信号越大,输出功率也越大。可以证明,在理想的情况下,甲类功率放大电路的最高效率也只能达到50%。

从甲类放大电路可以看出,静态电流是造成管耗的主要因素,欲提高效率须从降低管耗入手,要降低管耗,需减小集电极静态电流Ic。若将静态工作点Q沿着负载线下移,如图7-31(b)所示,这种工作状态称甲乙类放大。若将静态工作点Q移至IC0处,管耗基本为零,此时晶体管只有正半周导通,这种工作状态称做乙类放大,如图7-31(c)所示。

由图7-31可见,在甲乙类和乙类状态下工作时,虽然提高了效率,但产生了严重的失真。为此,采用两个管配合使用的互补对称放大电路。它既能提高效率,又能减小信号波形的失真。

7-9-2互补对称功率放大电路

图7-32为一种互补对称电路,VT1为NPN型三极管,VT2为PNP型三极管。两管的基极相连作为输入端,偏置电流为零,工作在乙类状态。两管的发射极相连作为输出端接到负载RL上。为使输出波形正负半波对称,VT1和VT2两管的特性和参数应选择尽可能相同。

当输入信号ui为正弦波时,在正半周期,VT1管由于发射结正偏而导通,VT2管发射结反偏而截止,VT1管以射极输出器方式将正半周信号传送给负载RL,形成输出信号uo的正半波,如图7-32(a)所示。在负半周期,VT1管由于反偏而截止,VT2管由于正偏而导通,此时,VT2管以射极输出器方式将负半周信号传送给负载RL,形成输出电压uo的负半波,如图7-32(b)所示。于是,在整个周期内,在负载RL上获得了完整的输出电压uo波形,如图7-32(c)所示。

这种电路,两个三极管轮流导通,推挽工作,且电路结构对称,所以称为互补对称电路。

当它工作在乙类状态时,输入信号足够大和忽略管子饱和压降的情况下,其效率可达到约78-5%,如图7-33所示。若忽略饱和压降UCES,UomUCC,则可见,由于管子工作在乙类状态,这种电路的功放效率是很高的,因此而获得广泛应用。

但是,此电路也有不足之处,因为VT1和VT2两管都工作在零偏置情况,而三极管的输入特性曲线开始一段存在着死区和非线性,所以在输入信号ui较小,输入端的电压不足以克服死区电压时,在两管交替导通时,在交替处会出现一段“死区”,使输出电压uo的波形出现了失真,称为交越失真,如图7-34所示。

为了减小交越失真,在具体应用时,静态工作点Q不设置在IC0处,而选在稍向上一点,让功放管工作于甲乙类放大状态。摆脱“死区”电压的影响,而使两管在静态时已有较小的基极电流IB,只要有输入信号,则总有一个管子导通,使轮流导通的交接点附近波形平滑,失真减小。

图7-35所示为甲乙类互补对称功率放大电路。利用二极管VD1、VD2上的正向压降给VT1、VT2的发射结提供一个正向偏置电压,使电路工作在甲乙类状态,从而消除交越失真。

由于电路结构对称,因此静态时两管的发射极电位为零,即输出端没有直流压降。所以,在输出端不需要接隔直电容。这种输出端不接电容的电路,称为OCL(OutCapacitor-Less)电路。

OCL电路的特点是输出端可以省去隔直电容,改善放大电路在低频时的特性,目前得到广泛应用。但是这种电路需要用正负双电源供电。图7-36所示为单电源互补对称电路,又称为OTL(OutputTransformer-Less)电路。VT1、VT2是两个特性和参数相近的功放管,利用电阻R1、R2及二极管VD1、VD2为VT1和VT2建立很小的偏流,使其工作在输入特性近似直线部分,显然静态时A点和E点的电位都为1/2UCC。

当输入信号ui的正半周时,VT1导通,VT2截止,电源通过VT1对电容Co充电,VT1以射极输出的形式将正方向的信号变化传给负载RL,形成输出信号uo的正半周波形。

当输入信号ui的负半周时,VT2导通,VT1截止,这时,电容Co作为电源通过VT2对负载电阻RL放电,放电电流经过负载电阻RL形成输出信号uo的负半周波形。

这样,两个管子交替工作,在RL上得到一个完整的正弦波形。可见,在此过程中,输出端电容Co实际上起了一个负电源的作用。

7-9-3集成功率放大器

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