《计算机电路基础第5章.ppt

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1、计算机电路基础(第二版),何超 主 编 中国水利水电出版社,第5章 几种常用的放大电路,本章提要 本章先讨论负反馈的概念、负反馈的类型（也称组态）及负反馈在放大电路中的应用。然后讨论几种常用的放大电路。在对信号进行放大时，根据信号特征的不同，需要分别采用不同类型的放大电路。若需要放大微弱的交流电压（mV级）信号，则采用低频小信号放大器或称为电压放大器（如上一章讲过的基本电压放大电路，往往为整个电子线路的第一级或前几级）；如果输入信号是随时间极其缓慢变化的（例如温度、压力、位移等非电量经传感器转换成的电信号），则需要用直流放大器；当信号电压值虽已比较大，但带动执行机构的功率还不够时，则要用低频功

2、率放大电路（往往为整个电子线路的末级或最后两级）。,5.1 负反馈放大电路,5.1.1 反馈的基本概念如果将电子电路中输出回路的电量（电压或电流）的一部分或全部，经过一定的元件（或网络）回送到电路的输入端，让这一回送信号（称反馈信号）与外加输入信号共同参与控制作用，这种输出量的回送过程就称为反馈，这样的元件（或网络）称作反馈元件（或网络），整个电路称为闭环电路。如果由输出回路反送到输入回路的信号（称为反馈信号）使加到电路输入端的净输入信号削弱，则称为负反馈。如果反馈信号使加到电路输入端的净输入信号加强，则称为正反馈。负反馈在放大电路中应用普遍，而正反馈主要应用于振荡电路和比较器电路中。,5.1

3、.2 负反馈放大电路的一般方框图和基本关式,5.1.2 负反馈放大电路的一般方框图和基本关式负反馈放大电路的方框图如图5-1所示。为便于分析，以下各量均以相量形式表示。图中，表示信号，可以是电压，也可以是电流；箭头表示信号传递方向；和分别表示输入和输出信号，表示基本放大电路的净输入信号，表示反馈信号。,图5-1,Xi,Xid,Xf,+,-,基本放大电路,反馈网络,该方框图中，设基本放大电路的增益为（又称为开环放大倍数），则有（5-1）反馈网络从输出信号中取出一部分或全部送回到输入回路，称之为反馈信号，其中 与 之比称为反馈系数，用 表示，即，所以 反馈信号 送回到输入回路与输入信号 相比较（相

4、加或相减），得到的差值信号称为净输入信号，即，该差值信号去控制输出信号。若以负反馈为例，则有,（5-3）,将式（5-1）式（5-2）、式（5-3）联立，可得（5-4）设为负反馈放大电路的闭环增益，则有（5-5）式（5-5）表明了负反馈放大电路的闭环增益与基本放大电路的开环增益、反馈系数之间的关系。在电子学中，把该式中的（）称为反馈深度，其值的大小反映了电路中施加负反馈的程度。负反馈放大电路所有性能的变化都与（）有关。,5.1.3 负反馈的四种基本组态与判别,根据反馈网络从基本放大电路输出信号中采集的反馈量是直流量还是交流量，有直流反馈与交流反馈之分；从采集的反馈量为电压信号还是电流信号来看，有

5、电压反馈与电流反馈之分。当反馈网络跨接于输出电压两端，反馈信号取自输出电压，这种反馈方式称为电压反馈。当反馈网络串接于输出回路，反馈信号取自输出电流，称这种反馈方式为电流反馈。反馈网络串接于基本放大电路的输入回路时，称为串联反馈。当反馈网络并联接于输入回路时，称为并联反馈。在负反馈放大电路中，可得到四种形式（或四种组态）的反馈放大电路，即：电压串联反馈；电压并联反馈；电流串联反馈；电流并联反馈。,5.1.3 负反馈的四种基本组态与判别,反馈的判别，首先是判别电路有无反馈；再判别其是交流反馈还是直流反馈，是正反馈还是负反馈，然后再进一步判别是属于上述四种组态（或基本类型）中的哪一种。现以图4-1

6、3所示电路为例来说明反馈判别的具体步骤和方法。,IR1,IR1,IC,RC,C2,RL,e,Ce,Re,IE,IR2,Rb2,+,+,Rb1,C1,b,IB,+,c,1判别电路中有无反馈 方法是找电路中有无联系输出回路与输入回路的元件（即找反馈网络），若有，则可判定电路有反馈，否则电路无反馈。事实上，输出电流iC流过发射极电阻Re（设Ce断开），产生电压降uEiERe，由于uE也在输入回路中，这样，就把输出回路的电量iC送回到了输入回路，这就是反馈。2判断是交流反馈还是直流反馈 在图4-14电路中，若在发射极电阻Re两端并联上旁路电容Ce，在Ce的容量足够大时，可认为交流量全部被Ce旁路，使R

7、e两端只有直流电压降UEIERe，这时仅有输出回路的直流量IC反送回到输入回路，称为直流反馈。图4-14所示电路中，如前所述把Ce去掉，则在Re上不仅有直流电压降，而且还有交流电压降，这时电路既有直流反馈，又有交流反馈（由输出回路反送到输入回路的电量是交流量，称为交流反馈）。,3判别是正反馈还是负反馈通常采用瞬时极性法来进行判别。具体步骤是，某瞬时在电路输入端加上一个对“地”为正的交变信号，根据电路组态（即三极管的连接方式），依次判定在该瞬时电路中有关各点的信号极性，从而找到反馈信号的极性，若反馈信号使净输入信号削弱，则为负反馈，若反馈信号使净输入信号增强，则为正反馈。若某瞬时在图4-14所示

8、电路的输入端加上对“地”为正的交流信号时，因隔直电容的容量足够大，其容抗很小，可视为短路。故三极管基极电位升高，其瞬时极性为（+）。基极电位升高使得增加，导致增加，集电极瞬时电位下降，故c极瞬时电位极性为（-）；而、的增加导致增加。根据知，发射极电位也增加，e极瞬时电位极性为（+）。这样，反馈作用使得净输入信号削弱。由,4判别是串联反馈还是并联反馈在图4-14中，反馈网络Re明显地串接于输入回路，因而是串联反馈。判别是串联反馈还是并联反馈时，还可以采用输入假想开路法。即：假想输入开路后，若反馈信号对净输入信号没有影响，则为串联反馈；若反馈信号对净输入信号有影响，则为并联反馈。,5判别是电压反馈

9、还是电流反馈可根据反馈网络是跨接于输出电压两端还是串接于输出回路来判别，跨接于输出电压两端时为电压反馈，串接于输出回路时为电流反馈。图4-14所示电路中的Re串接于输出回路，所以是电流反馈。在判别是电压反馈还是电流反馈时，还可以采用输出假想短路法。即：假想负载RL短接，若这时反馈信号等于零，则为电压反馈；不等于零则为电流反馈。综合上述分析表明，图4-14所示电路是电流串联负反馈电路。例5-1 试判别图5-2所示电路中的反馈。,uo,解（1）判别电路中有无反馈该电路中，电阻Rf将输出与输入回路相联系，因而存在反馈。（2）判别是交流反馈还是直流反馈反馈电阻Rf两端没有旁路电容短路交流信号，也无电容

10、隔离直流信号，所以，该电路既有直流反馈，又有交流反馈。（3）判别是正反馈还是负反馈 在某瞬时输入端加入对“地”为（+）信号时，因为三极管V为共射极放大组态，其输出与输入反相，故晶体管c极瞬时极性为（-），e极瞬时极性为（+），反馈信号使净输入削弱，所以是负反馈。,（4）判别是串联反馈还是并联反馈假想输入开路后，反馈信号 的变化仍然影响净输入信号，所以该电路是并联反馈。（5）判别是电压反馈还是电流反馈假想负载RL短接（即令uo0），此时反馈信号，所以是电压反馈。综上所述，该电路为电压并联负反馈电路。,例5-2 试判别图5-3所示电路中的级间反馈。解（1）判别有无级间反馈 该电路由两级共射放大电路

11、组成，Rf、Rel和Cf把第二级的输出回路与第一级的输入回路联系起来，因此级间有反馈。Re1、Re2还是本级反馈元件。（2）判别是交流反馈还是直流反馈电路中采用了电容Cf隔离直流，所以Rf和Cf构成交流反馈。Re1构成第一级本级交流反馈，Re2构成第二级本级直流反馈。（3）判别反馈极性设某瞬时所加的输入信号的极性对“地”为（+），Cb1容量足够大，可以认为Cb1对信号相当于短路，故输入信号相当于直接加到晶体管V1的基极，由于V1、V2均为共射极组态，故晶体管的集电极信号与基极信号是反相关系，可得到晶体管V2的集电极信号极性为（+），即输出信号该瞬时的极性为（+）。反馈回到Re1上的信号 在该瞬

12、时的极性是上（+）下（-）。因此，,净输入信号，使净输入信号削弱，故为负反馈。（4）判别是串联反馈还是并联反馈若假想输入开路，反馈信号变化不会影响净输入信号，所以该电路是串联反馈。（5）判别是电压反馈还是电流反馈若假想输出短路，这时由第二级输出回送到第一级输入回路的信号为零，这说明反馈信号与输出信号有关，故为电压反馈。注意：输出假想短路后，但Re1上仍会有电流流过，不过这不是由第二级的输出回路反馈回来的信号，即不是级间的反馈信号，而是第一级的信号,图5-3 例5-2题图（电压串联负反馈）,5.1.4 负反馈对放大器性能的影响放大电路引入负反馈后，会使其性能发生变化。负反馈对放大电路性能的主要影

13、响如下：1降低了增益，但可以提高其稳定性从前面导出的基本关系式（5-5）看，在负反馈情况下，与是同种物理量（同是电压或电流），而且相位相同，故 是正实数，并有1+1。可见，放大电路引入负反馈后，增益下降了。如果式（5-5）中的 1（例如 10），则认为反馈加得很深，或叫作深度负反馈。这时式（5-5）可简化为（5-6）式（5-6）表明，在深度负反馈时，闭环增益与晶体管或组件的参数无关，而仅与反馈系数有关。反馈系数是由反馈网络的结构和参数决定，反馈网络一般由电阻、电容等线性元件组成，反馈系数的稳定性可以做得很高，所以，深度负反馈放大电路的闭环增益是非常稳定的。由此可见，负反馈可以提高放大器增益的稳

14、定性。,2展宽通频带放大电路都有一定的频带宽度，如图4-2所示，若基本放大电路的通频带为BWfH-fL，则在保持输入信号幅值不变的情况下，当频率升高到fH以上（或下降到fL以下）时，增益的下降会比中频增益A0的0.707倍更多。但在引入负反馈后，频率上升到fH以上（或下降到fL以下）时，输出信号 的下降会使得反馈信号 也下降，在输入信号 不变的情况下，净输入信号 必然上升，从而使输出信号 有所上升，增益仍然在中频增益的0.707倍范围之内。这也就是说，放大电路引入负反馈后，通频带加宽了。,3减小非线性失真小大大小OOO小大O图5-4 负反馈对波形失真的改善由于放大电路内部存在晶体管等非线性元件

15、，若工作点选择不合适，或输入信号很大，都会使输出信号产生失真。引入负反馈后，可以利用负反馈的自动调节作用起到改善波形的效果。若输入信号为正弦波，经过放大电路后，输出波形失真，假设的负半周大而正半周小，如图5-4所示。引入负反馈后，送回到输入端的反馈信号的波形与波形相似，于是就会对输入信号波形的负半周削弱较多，正半周削弱较小，结果使净输入信号负半周小而正半周大，再经过放大电路放大，输出波形的失真就得到了一定程度的修正。应当注意，负反馈减小非线性失真是指减小放大电路内部的原因引起的失真，对于输入信号源本身的非线性失真，负反馈是无法改善的。,4抑制噪声外界因素（如电源纹波、其他杂散电磁场等）使放大器

16、输出端出现不规则的信号称为干扰输出，而放大电路中元、器件内部载流子的不规则热运动，也会使放大器输出端出现不规则的信号，常称为噪声输出。引入负反馈后，可以抑制噪声。其原理是：加了负反馈后，放大电路的输出信号幅值和噪声幅值都减小了。应当注意，负反馈可以抑制噪声，但必须增加输入。5对输入电阻的影响,放大电路引入负反馈后，会对输入电阻造成影响。其影响情况取决于所加负反馈是串联的还是并联的。串联反馈可以提高输入电阻，而并联反馈则会减小输入电阻。这主要是因为：串联负反馈的信号总是以电压的形式送回到输入回路，因此，实际加到放大元件上的净输入信号uid比输入信号ui要小，输入电流ii也必然减小，从输入电阻的定

17、义Ri=ui/ii看，相当于输入电阻增大了；而采用并联负反馈，则相当于在输入回路增加了一个并联支路，于是ii增加，相当于输入电阻减小了。,6对输出电阻的影响负反馈对放大电路输出电阻的影响情况，取决于所加负反馈是电压反馈还是电流反馈，电压负反馈可稳定输出电压，电路近似恒压源，因而使输出电阻降低。同理，电流负反馈起稳定输出电流的作用，电路近似恒流源，因而使输出电阻提高。综上分析，放大电路引入负反馈后，其性能得到了改善，这是以降低增益为代价换取的。增益的降低可以用增加放大电路的级数来弥补，而上述各种优点则很难用别的办法来获得。所以，负反馈在放大电路中得到了极为广泛的应用。负反馈也有一个潜在的缺点，那

18、就是有可能使放大电路产生自激振荡，这需要在电路设计时加以考虑。,5.1.5 负反馈放大电路的特例射极输出器射极输出器的电路如图5-5（a）所示。它的输出信号不是从晶体管的集电极取出，而是由发射极取出，即把负载由集电极移到发射极，因此，把它取名为射极输出器。从晶体管的接法上看，它是共集电极接法的电路，这是因为放大器的直流电源UCC对交流信号相当于短路，如图5-5（b）所示，集电极成为输入信号与输出信号的公共端，故称为共集电极电路。由图5-5可见，射极输出器的反馈电压就是输出电压，因此，输出电压全部反馈到了输入回路，与输入电压串联后加在三极管基极与发射极之间，且极性相反，所以，它是一种电压串联负反

19、馈电路。,射极输出器的主要特点如下：1电压增益近似等于1由图5-5（a）可知，加到基极和发射极之间的电压为或,因很小，可忽略不计，故电压增益（5-10）,可见，该电路输出电压随着输入电压的变化而变化，大小近似相等，且相位一致，因此又称该电路为射极跟随器。虽然该电路的电压增益 1，但从另一方面看，射极电流为（5-7）上式说明射极电流是基极电流的（1+）倍，具有电流放大作用。也就是说，虽然射极输出器不能作电压放大，但它仍可进行信号的功率放大。2输入电阻大从图5-5中知 式中，为发射极电阻Re与负载电阻RL并联，即ReRL，故输入电阻为（5-8）可见，射极输出器的输入电阻比共射极放大电路的输入电阻大

20、大提高了，通常可达几十千欧至几百千欧，而共射极放大电路的输入电阻约为几百欧至几千欧。,3输出电阻小为便于分析输出电阻，射极输出器的微变等效电路可改画成图5-6所示形式（注意：放大电路的输出电阻定义为输出开路、输入信号源短接时，从输出端看过去的电路的内阻）。由图可知，所以有（5-9）输出电阻为（5-10）由于rbe很小，于是有rbe/（1+）Re，上式可写为（5-11）由式（5-15）可看出，射极输出器的输出电阻是很小的。图56 分析输出电阻的微变等效电路,正由于射极输出器具有上述特点，才使它在电子设备中得到了广泛的应用。把用作测量仪器的输入级时，由于其输入电阻大，对被测电路的影响小，可保证测量

21、结果的准确度；用它作放大电路的输出级时，可利用其输出电阻小的特点来提高电路带负载的能力；在多级放大电路中，把它接在两级之间，可以隔离前后级之间的相互影响。,5.2 直流放大电路 在直流放大电路中，为了能让直流信号畅通无阻，就不能采用阻容耦合或变压器耦合方式，而不得不采用直接耦合的方式，如图5-7所示。但是，采用直接耦合方式后，带来了两个问题：一是各级静态工作点的配置问题，因为任何一级工作点的变动都会影响其他各级；二是零点漂移问题，我们把输入信号为零时，输出信号出现不为零的现象称为零点漂移。如何抑制零点漂移是直流放大电路的一个突出问题。5.2.1 直接耦合电路静态工作点的配置图5-7所示电路中，

22、V2管的基极直接与V1管的集电极相连。若V2管处在放大状态，则V1管的集电极电位UC1只有0.7V左右，这时V1已处在饱和的边缘，要使电路能起到放大作用，输入信号必须很小。若要求V1管有较大的输出范围，就必须提高UC1，但UC1又受到UB2的限制而不能提高，所以，两级静态工作点互相影响，很难配置合适。,1设法提高后一级中V2管发射极的静态电位可在V2管的发射极串接电阻Re2，利用Re2上的静态压降提高V2管的发射极电位，这样就可以提高V2管的基极电位，也就是提高了V1管的集电极电位，使V1管的输出范围扩大。此外，也可以在V2管的发射极串接二极管，利用二极管的正向压降提高V2管的发射极电位，或在

23、V2管的发射极串接稳压管，利用稳压管的稳定电压来提高V2管的发射极电位。2NPN型管与PNP型管直接耦合电路如图5-8所示，它是利用两个管子要求不同偏置极性的特点，把前级V1较高的集射极间电压转移到后级管子V2的集电极负载电阻Rc2上，可使前后级静态工作点都有较合适的配置，并让输出UO有较大的变化范围。,当我们希望管子有较高的电流放大系数，也就是说，在较小的基极电流驱动下，希望能得到较大的集电极电流时，可以把两个管子直接耦合起来等效成一个管子，称为复合管。复合管的应用非常广泛。用两个管子通过不同组合可以构成四种有用的复合管形式，如图5-9所示。分析图5-9（a），可得该复合管各极电流为 ibi

24、b1（5-12）ie ie2（5-13）ic ic1+ic21ib1+2ib2 1ib1+（1+1）2ib1（1+2+12）ib（5-14）,可见，复合管的电流放大系数为 1+2+1212（5-15）该复合管的输入电阻为Rirbe1+（1+1）Rbe2（5-16）用同样方法进行分析，可得图5-9（b）、图5-9（c）、图5-9（d）形式的复合管的电流放大系数和输入电阻Ri。通过对图5-9所示复合管的分析，可以得出如下几点结论：（1）外加电压的极性必须使复合管的每个管子都能正常工作，即：应使复合管中的每个管子发射极正偏，集电极反偏。否则管子无法工作。,（2）在两个管子的连接上，应保证前级管的输出

25、电流和后级管的输入电流形成一个适当的通路，否则复合管无法正常工作。以上两点是组成有用复合管的条件。（3）两个不同类型的晶体管组成复合管时，该复合管的类型与第一个晶体管的类型相同。（4）两个晶体管组成复合管后，该复合管的电流放大系数12。（5）由两个相同类型的晶体管（同是NPN型或PNP型）组成复合管（又称达林顿管）时，该复合管的等效输入电阻为Rirbe1+（1+1）rbe2。（6）图5-9中的四种复合管，因为第一个管子的穿透电流要被第二个管子放大，所以温度稳定性较差，在实际应用中，可根据需要引入电阻等元件进行温度补偿。,5.2.2 抑制零点漂移的有效电路结构差动放大电路零点漂移是多级直接耦合放

26、大电路必须认真对待的又一个重要问题。现以一个三级直接耦合放大器为例，假设各级的电压增益为A1A2A310，各级自身的零点漂移输出均为0.01V。那么，当第一级的输入端短路（ui10）时，输出端可出现1V左右（最大可达1.11V）的漂移电压。若用这个放大器去放大加到输入端为ui11mV的信号时，输出端的有效输出应为uo1mVA1A2A31000mV1V，有效的输出与漂移输出几乎相等，这就会造成“真假”难分，甚至有效信息被漂移输出所淹没，使放大器不能正常地工作。衡量放大电路的零点漂移，单看其输出端的漂移电压值的大小是不确切的，还必须考虑放大电路的增益。故通常都是将输出端的漂移电压值除以电压增益，即

27、折算成输入端的等效漂移电压来表示。,输出端漂移电压的大小，主要由第一级的零点漂移值决定，因为第一级的漂移值再经后面几级放大电路放大，最后将变为很大的漂移输出。此外，实验还证明，漂移产生的根本原因是放大器的静态工作点发生漂动，而引起静态工作点漂动的因素很多，如电源电压波动，电路元件参数变化和环境温度变化等。但其中最主要的因素是晶体管的ICBO、UBE、及等参数受温度的影响而导致静态工作点漂移不定。因此，抑制零点漂移主要也就是抑制温度引起的静态工作点改变，特别是要设法稳定第一级放大电路的静态工作点。1差动放大电路抑制零点漂移的基本原理 图5-10是差动放大电路的基本形式，它是由两个特性完全相同的单

28、管放大电路组合而成。信号由两个晶体管的基极输入，输出电压uo则取自两管的集电极之间，两边对应元件参数的选择应尽可能做到完全相同。,将该电路两边的输入端短路，即令ui1ui20，由于电路两边完全对称，故两边的集电极电流和集电极电位都相同，即：Ic1Ic2、Uc1Uc2，输出电压UOUc1-Uc20。当环境温度变化或电源电压波动时，两管的集电极电流和电压两管的集电极电流和电压都会按同等量级发生变化，,即：Ic1Ic2、Uc1Uc2，由于输出电压是取自两管的集电极之间，则有：UO（Uc1+Uc1）-（Uc2+Uc2）0。这说明对于完全对称的差动电路，在两个管子的集电极之间取出信号时，对两管产生的零漂

29、具有完全的抑制作用。2差动放大电路的动态分析 差动放大电路有两个输入端，当有信号输入时，它有几种工作情况。（1）共模输入 若两个输入端的输入信号有ui1ui2，即两个输入电压信号的大小相等，极性相同。通常把这样的一对输入信号称为共模信号，这种输入方式叫做共模输入。共模输入方式的差动放大电路可看成如图5-11所示。显然，在这种输入方式下，由于电路两边的对称性，晶体管V1、V2的基极电位变化相同，集电极电位变化也相同因而输出电压为零，即对共模信号无放大作用。从而可知，完全对称的差动放大电路，其共模电压增益为（5-17）,式中，ui表示从两个输入端来看的输入电压，共模输入时，uiui1-ui20。（

30、2）差模输入若两个输入端的输入信号有ui1-ui2，即两个输入电压信号的大小相等，极性相反。通常把这样的一对输入信号称为差模信号，这种输入方式叫做差模输入。输入差模信号ui1、ui2后，由于发射极公共电阻Re上流过大小相等、方向相反的差模信号电流，压降互相抵消，所以 Re两端差模电压为零，即电阻Re对差模信号无负反馈作用，可视为交流短路。,设两管集电极对地电压分别为uo1和uo2，则有 uo1 uo2 两管集电极之间的输出电压为（5-18）式中，uiui1-ui22ui1，它表示从两个输入端来看的输入 电压信号。电路的差模电压增益为（5-19）由此可见，这种双端输入，双端输出，完全对称的差动放

31、大电路对差模输入信号有放大作用，其差模电压增益与单管基本放大电路的电压增益相同。在输出端接有负载RL时，其差模电压增益为（5-20）由于电路完全对称，负载RL两端的电位极性相反，且变化量相等。可见，在RL/2处必然是信号的零电位，所以，式（5-24）中的 应为 Rc（RL/2）（5-21）,（3）既有差模输入又有共模输入当Ui1和Ui2的大小和极性都是任意的时，这样的输入信号可以把它等效地分解为一个共模输入信号和一个差模输入信号。设两输入端的共模输入信号分别为uic1和Uic2，两输入端的差模输入信号分别为uid1和Uid2，两输入端的任意输入信号分别为ui1和Ui2，两输入端之间的信号差为U

32、iUidUi1-Ui2。则有Uic1Uic2Uic，Uid1-Uid2Uid/2。于是得 Ui1=Uic1+Uid1=Uic+Uid（5-22）Ui2=Uic2+Uid2=Uic Uid（5-23）联立解上列两式得,（5-24）（5-25）放大电路输出端的电压应为共模输出电压uoc与差模输出电压uod之和，即（5-26）对于图5-10所示的电路，在两边完全对称时，因是在两个集电极端取出信号，所以有 0，这时只有差模信号输出。但实际电路往往不可能做到完全对称，这时 0，电路既有差模信号输出，又有共模信号输出。式（5-26）是差动放大电路的输出电压与输入电压关系的一般表达式。正由于实际电路要做到两

33、边参数完全对称是,很不容易的。为了反映放大电路的质量，常用共模抑制比来作为其性能指标。共模抑制比定义为 Kcmr（5-27）式（5-27）表明，差模增益越大，共模增益越小，则KCMR越大，共模抑制功能越强.有时，共模抑制比也用分贝（dB）来表示，即Kcmr20lg（dB）（5-28）在理想情况下，0，Kcmr。一般Kcmr在60dB（即 1000）左右，高质量的电路，Kcmr可达（8090）dB。,3差动放大电路的输入输出方式 差动放大电路通常有四种输入输出方式：（1）双端输入，双端输出方式 前面分析的图5-10所示电路就是这种输入输出方式，它适用于对称输入、对称输出，输入输出不需要接地的场合

34、。（2）双端输入，单端输出方式在图5-10所示电路中，如输出电压取自其中一管的集电极（uo1或uo2）,则变成为双端输入，单端输出方式。由于只取出一管的集电极电压变化量，所以这时的差模电压增益只是双端输出时的一半，即（5-29）这种接法常用于将双端输入信号转换为单端输出信号，即要求输出信号有一端接地的场合。（3）单端输入、双端输出方式 在实际系统中，有时要求放大电路的输入电路有一端接地，这时可在图5-10所示的电路中，令Ui1Uid，Ui20（即把V2管的基极接地），就把电路变成为单端输入，双端输出方式。通过对该电路的交流通路的分析可知，单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致，故其差模增

35、益及其它性能指标也与双端输入，双端输出方式近似一致。它适用于单端输入变为双端输出的场合。（4）单端输入、单端输出方式 在图5-10所示电路中，将V2管的基极接地，同时输出电压又仅取自其中一管的集电极，该电路则变成为单端输入，单端输出方式。由于只取出一管的集电极电压变化量，所以这时的差模电压增益只是双端输出时的一半。它适用于输入输出都需要接地的场合。,5.3 功率放大电路 功率放大电路大多处于多级放大电路的末级。其基本要求是向负载提供一定的不失真（或轻度失真）的输出功率。通常是在大信号状态下工作。因此，功率放大电路中出现了一些与电压放大电路不同的特殊问题。由于输出功率大，所以直流电源消耗的功率也

36、大，于是，效率问题就成为功率放大电路的重要问题。所谓效率高，也就是负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率的比值大。由于在大信号状态下工作，就难免会产生非线性失真，而且，对于同一功放管，其输出功率越大，非线性失真往往越严重。这就使得输出功率与非线性失真成为一对矛盾。但在不同的场合下，对非线性失真的要求可以是不同的。,功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电极上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子能输出足够大的功率，功放管的散热问题就显得很重要。另外，要使功放管有尽可能大的输出功率，它所承受的电压就要高，电流就要尽可能大，因而功放管损坏的可能性也大，保护问题也就不能忽视

37、。,5.3.1 功率放大电路的分类 功率放大电路实质上是一个功率变换器，即将直流电源的直流电功率变换为负载所需的信号功率。从控制的角度看，功率放大电路也可看成是一个功率控制器，它将信号源或前级的弱小功率，经过功放电路的控制，在负载上得到较大的信号功率。功率放大电路从总体上讲有两种类型：变压器耦合功放电路和无变压器功放电路。由于后者具有体积小、效率高、频率响应好、易于集成化等优点，因而目前无论是在分离元件的功放电路中还是在集成功放电路中都获得了广泛应用。根据信号电流流过功放管的情况不同，功率放大电路又可分为三种类型，如图5-12所示。在输入为正弦信号的情况下通过功放管集电极的电流ic不出现截止状

38、态的称为甲类；在正弦信号一个周期中，功率三极管导通角等于的称为乙类；导通角大于而小于2的称为甲乙类。,甲类功放电路中，为保证功放管的电流ic不出现截止，对功放管静态工作点Q的设置，应保证ICQ大于或至少等于功放管输出最大集电极电流交流分量的一半。可见甲类电路虽然失真最小，但静态功耗大，效率低。乙类电路则把静态工作点Q设置在截止点上，即ICQ0，这就使得输入信号等于零时，电源输出功率也等于零（或接近于零，主要用于消耗在电阻上）；输入信号增大时，电源供给的功率也随之增大。可见乙类电路的静态功耗最小，效率高。但由于在输入信号一个周期的变化中，功放管只有半个周期导通，故而波形失真严重。甲乙类电路的静态

39、工作点Q安排在接近截止区，其静态功耗和失真均介于甲类和乙类电路之间。由单管组成的乙类、甲乙类、丙类功放电路，虽然减小了静态功耗，提高了效率，但都出现了严重的波形失真。因此，既要保持静态功耗小，又要使波形失真不太严重，这就需要在电路结构上采取措施。切实可行的办法是选用两个功放管组成乙类或甲乙类互补对称式功率放大电路。,5.3.2 乙类互补对称功率放大电路1OCL乙类互补对称电路 这是一种乙类双电源互补对称功率放大电路，即选用两个功放管，使之都工作在乙类放大状态，但一个在正弦信号的正半周工作，而另一个在负半周工作，并同时使这两个输出波形都能叠加到负载上，从而在负载上得到完整的波形。基本OCL电路如

40、图5-13（a）所示。V1、V2分别为NPN型管和PNP型管，两管的基极和发射极相互连接在一起，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载。这个电路可以看成是由图5-13（b）和5-13（c）两个射极输出器组合而成。由于晶体三极管发射结处于正向偏置时才导电，因此，当输入信号ui0时，两个三极管均截止，无电流流过负载RL；当输入信号ui处于正弦信号的正半周时V1导通，V2截止，有电流（iLic1）流过负载RL；而当输入信号处于负半周时，V1截止，V2导通，则有电流iL-ic1流过负载RL。这样，就实现了静态（ui0）时功耗最小，而在有输入信号时，V1和V2轮流导通，性能对称，互补对方的不足，从而在负

41、载上得到一个完整的正弦波形。,图5-12 功率放大电路的工作状态（a）甲类（b）乙类（c）甲乙类,（a）基本OCL电路；（b）由NPN管组成的射极输出器；（c）由PNP管组成的射极输出器 由于这种电路采用双电源供电，输出端与负载之间可直接连接，不需要再增加耦合电容，因而被称为OCL电路，亦称为无输出电容器电路。,（1）分析计算 现用图解法对OCL基本电路进行分析讨论。以V1管工作的正半周为例，当ui0时，有iB1IB0，iC1IC0和uCE1UCC，电路工作在Q点，如图5-14所示。当ui0时，交流负载线的斜率为-1/RL，因此，过Q点且斜率为-1/RL的直线即为交流负载线。如果输入信号ui足

42、够大，则可求出iC的最大幅值Icm和uCE的最大幅值Ucem，有UcemUCC-UCESIcmRL，如果忽略晶体管的饱和压降UCES，则UcemIcmRLUCC。当ui为负半周时，分析V2管的工作可得到类似结果。根据以上分析，不难求出基本OCL互补对称电路的输出功率、管耗、直流电源供给的功率及该电路的效率。1）输出功率PO。输出功率PO用输出电压有效值UO和输出电流有效值IO的乘积来表示。设输出电压的幅值为Uom，则 PoIoUo,当输入信号足够大，并忽略管子的饱和压降UCES 时，即UomUcemUcc-UcesUcc，IomIcmUcc/RL时，可获得最大输出功（5-31）式（5-31）中

43、，对应于图5-14中的AB段，而Ucem则对应于图5-14中ABQ的BQ段，可见，式（5-31）表示的是图5-14中ABQ的面积，即该三角形的面积正好与输出功率Po相对应，故称此三角形为功率三角形，其面积越大，输出功率Po也越大。2）管耗PV。考虑到V1和V2在信号的一个周期内各导电约180，且通过两管的电流iL和电压uce在数值上都分别相等，仅仅是时间上错开了半个周期，因此，只需先求出单管损耗再乘以2，便可得到总的管耗。设输出电压为uoUomsint，则V1管的管耗为（5-32）两管的总损耗为（5-33）,（5-32）两管的总损耗为（5-33）3）直流电源供给的功率PS。直流电源供给的功率P

44、S包括负载得到的功率和V1、V2两管消耗的功率两部分。当ui0时，PS0；当ui0时，由式（5-30）和式（5-32）得（5-34）当输出电压幅值达到最大，即UomUCC时，可得电源供给的最大功率为（5-35）4）效率。电路的效率是指负载得到的信号功率Po与直流电源提供的功率PS之比。在一般情况下，该电路的效率为（5-36）,当UomUCC时效率最大，即%（5-37）这个理想的最大效率是假定OCL电路工作在乙类，并忽略了三极管的饱和压降UCES和输入信号足够大（UimUomUCC）的情况下得到的，实际效率总是比这个数值要低些。（2）功率三极管的选择 工作在乙类的基本OCL互补对称电路，在静态时

45、，管耗接近于零，当输入信号较小时，管耗也较小。但是否随着输入信号的增大，管耗也越来越大呢？由式（5-32）知，管耗PV1是Uom的函数，若求最大管耗，可用求极值的方法求解。令，则有 得（5-38）可见，当（而不是）时每个三极管具有最大的管耗，其值为,（5-39）由于电路的最大输出功率，则每个管子的最大管耗与电路的最大输出功率之间具有如下关系（5-40）不难看出，当UCC和RL一定时，基本OCL电路中功率管的选择应满足以下条件：1）每只晶体管的最大允许管耗Pcm必须大于PV1m0.2Pom，即(541),2）由于在一管导通时，另一管的uCE1具有最大值2UCC，因而应选用基极开路集-射反向击穿电

46、压大于2UCC的管子，即(542)3）所选晶体管的最大集电极电流Icm不应低于UCC/RL，即(543)2OTL乙类互补对称电路 OTL乙类互补对称电路如图5-15所示，与图5-13（a）相比，它采用单电源供电，省去了一个负电源，但在射极输出与负载RL之间增加了一个耦合电容C。当接上输入信号，在ui为正半周时，V1导通，V2截止电源+Ucc通过V1对电容C充电。由于两晶体管射极连接端K点的电位为Ucc/2，电容器C上的电压也充电至Ucc/2，有电流通过负载Rl，在Rl上获得正半周的输出 电压。如果时间常数Rlc足够大（比信 号的最大周期还大得多）则电容两端的 电压UcUcc/2基本不变。在ui

47、为负半 周时，V1截止，V2导通，这时电容C 起负电源的作用，即V2的电流不是依靠Ucc供给，而是通过电容C的放电来提供，,在RL上仍有电流流过，并获得负半周的输出电压 单电源供电的功率放大电路，输出与负载之间的连接，过去常采用变压器耦合，但这种电路则采用电容C耦合，省去了变压器，故称为无输出变压器功率放大电路 图5-15所示OTL电路中，每个功率管输出的电压为Ucc/2，所以其最大输出功率为（5-44）忽略晶体管的饱和压降Uces，则有（5-45）,5.3.3 交越失真与电路的改进措施1交越失真 处于乙类工作状态的OCL和OTL互补对称功率放大电路，虽然能降低功耗，提高效率，而且也可以在负载

48、上获得完整的波形，但实际上负载上获得的波形并不能很好地反映输入的变化。这是由于电路中功放管的静态工作点Q设置在理论截止点上，而实际上晶体管必须在Ube大于某一数值（即门坎电压，NPN硅管约为0.5V，PNP锗管约为0.1V）时才能导通，当ui低于这个数值时，V1和V2两个功放管均截止，ic1和ic2基本为零，负载RL上无电流通过，出现了两晶体管交替导通衔接不好的现象，电路的输出电压uo和电流iL波形如图5-16所示。这种现象称为交越失真。输入信号电压幅值越小，交越失真越严重，故又称之为“小信号失真”。,2电路的改进措施（1）OCL甲乙类互补对称电路 乙类互补对称功率放大电路由于没有直流偏置，使

49、之产生了交越失真。因此，消除交越失真的有效办法就是建立一定的直流偏置，偏置电压只要稍大于功放管的门坎电压即可。这时，共放管处于甲乙类工作状态。图5-17所示就是一种工作在甲乙类状态的OCL互补对称功率放大电路。图中，V1组成典型的甲类放大电路，用作前置放大级；V2和V3则组成互补功率放大级。在V2和V3的基极间加了两只二极管VD1，VD2。静态时，VD1和VD2上产生的压降为V2，V3提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。即预先给每只功放管以一定的电流，两管轮流导电时，交替得比较平滑，这样就克服了交越失真。由于电路对称，静态时，V2和V3虽有微导通，但因ic2ic3，iL0，uo0。有输入

50、信号时，即使ui很小，也能使两管轮流导电时交替得较平滑。,上述偏置方法的缺点是其偏置电压不易调整，因而往往也采用图5-18所示的OCL电路。,在图5-18中，流入V2的基极电流远小于流过R1，R2的电流，由图可求出UCE2UBE2（R1+R2）/R2，因此，利用V2管的UBE2基本上是一固定值（硅管约为0.60.7V），只要适当调节R1、R2的比值，就可改变V3、V4的偏压值。（2）OTL甲乙类互补对称电路 用单电源供电，工作在甲乙类工作状态的OTL电路也可消除交越失真。其电路如图5-19所示。在静态时，调节可调电阻R2可以使K点电位UKUCC/2，推动级V1的静态电流Ic1在VD1，VD2上