《 城市軌道交通電工電子（第2版）》（課件） 項目9 放大電路

項目9放大電路項目導讀放大電路是具有放大電信號功能的電子電路，在城市軌道交通廣播、電氣控制等系統(tǒng)中有著非常廣泛的應用。本項目主要介紹常見的放大電路，如共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路、多級放大電路、功率放大電路、集成運算放大器等的相關知識。知識目標213熟悉放大電路的組成。掌握共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路等單級放大電路的特點。掌握多級放大電路的組成、耦合方式及特性。45掌握互補對稱功率放大電路的工作原理。掌握集成運算放大器的組成、分類及使用常識。能力目標020103能夠測試基本放大電路。能夠安裝與調試集成功率放大器。能夠測試集成運算放大電路的性能指標。思政目標020103養(yǎng)成勇于探索、樂于奉獻的創(chuàng)新精神。養(yǎng)成求真務實、開拓進取的工作作風。厚植愛國愛黨、服務人民的社會主義情懷。CONTENTS1放大電路概述2功率放大電路3集成運算放大器放大電路概述任務9.1任務引入在電子電路中，通常會涉及很多關于微弱信號放大的問題。例如，地鐵廣播系統(tǒng)需要將微小的電流信號放大至足夠功率以供揚聲器發(fā)聲，壓力傳感器需要將微小的壓力信號轉變成較大的電流信號以便于被檢測。地鐵廣播系統(tǒng)、壓力傳感器等的信號放大功能，都是通過放大電路實現的。那么，什么是放大電路？放大電路的工作原理又是什么呢？放大電路是由三極管（或場效應管）、電阻、電容、電源等組成的，其作用是將微弱變化的電信號（非電信號可通過傳感器轉變成電信號）放大成幅度足夠大且與原信號變化規(guī)律一致的信號。如圖9-1所示為放大電路的信號放大過程，放大電路將小能量的輸入信號放大成較大能量的輸出信號。9.1.1放大電路的組成和分類1．放大電路的組成圖9-1放大電路的信號放大過程9.1.1放大電路的組成和分類2．放大電路的分類（1）根據信號源的不同，放大電路可分為交流放大電路和直流放大電路。（2）根據工作頻率的不同，放大電路可分為低頻放大電路、中頻放大電路和高頻放大電路。（3）根據集成程度的不同，放大電路可分為分立器件放大電路和集成放大電路。（4）根據三極管連接方式的不同，放大電路可分為共發(fā)射極放大電路、共基極放大電路和共集電極放大電路。（5）根據放大電路級數的不同，放大電路可分為單級放大電路和多級放大電路。9.1.2放大電路的基本分析方法1．靜態(tài)分析2．動態(tài)分析9.1.3常見放大電路1．單級放大電路1）共發(fā)射極放大電路如圖9-2所示為共發(fā)射極放大電路。輸入信號從三極管的基極和發(fā)射極之間輸入，放大后的輸出信號從三極管的集電極和發(fā)射極之間輸出。圖9-2共發(fā)射極放大電路9.1.3常見放大電路9.1.3常見放大電路2）共集電極放大電路如圖9-3所示為共集電極放大電路。在此電路中，交流信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，因此該電路又稱為射極輸出器。共集電極放大電路是電流放大電路，主要特點是：電壓放大倍數略小于1，輸出電壓與輸入電壓同相，輸入電阻高，輸出電阻低。圖9-3共集電極放大電路9.1.3常見放大電路2．多級放大電路如圖9-4所示為多級放大電路的組成示意圖。它們在電路中分別起到如下作用。（1）輸入級用于實現與信號源的銜接并對輸入信號進行放大。為減小信號源內阻對輸入信號的影響，輸入級應具有較高的輸入電阻。（2）中間級用于將微弱的輸入電壓信號放大到足夠的幅度，即進行電壓放大。（3）輸出級用于對信號進行功率放大，以滿足輸出負載所需要的功率，并實現和負載的阻抗匹配。圖9-4多級放大電路的組成示意圖1）多級放大電路的組成9.1.3常見放大電路2）多級放大電路的耦合方式多級放大電路前后兩級之間的連接稱為耦合。常用的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合等。圖9-5直接耦合的兩級放大電路（1）直接耦合。直接耦合是指各級放大電路直接通過導線相連的連接方式。如圖9-5所示為直接耦合的兩級放大電路，其中前級放大電路的輸出端直接與后級放大電路的輸入端相連。直接耦合的多級放大電路具有良好的頻率特性，既能放大高頻交流信號，又能放大緩慢變化的低頻交流信號，甚至直流信號。9.1.3常見放大電路圖9-6阻容耦合的兩級放大電路（2）阻容耦合。阻容耦合是指各級放大電路之間通過電容和電阻相連的連接方式。如圖9-6所示為阻容耦合的兩級放大電路。阻容耦合的多級放大電路零點漂移幅度較小，且具有體積小、質量輕等優(yōu)點，因此在分立器件電路中有較多的應用。9.1.3常見放大電路圖9-7變壓器耦合的兩級放大電路（3）變壓器耦合。變壓器耦合是指各級放大電路之間通過耦合變壓器相連的連接方式。如圖9-7所示為變壓器耦合的兩級放大電路。9.1.3常見放大電路3）多級放大電路的特性任務實施----測試基本放大電路任務準備實驗器材準備：直流穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、示波器各1臺，毫伏表1塊，3DG6三極管1只，電阻（1kΩ、4.7kΩ、10kΩ、3.3kΩ、6.8kΩ）5個，電位器（100kΩ）1個，電容（10μF、47μF）2個，實驗板1塊，導線若干。實施步驟1．連接電路2．調試最佳靜態(tài)工作點3．放大倍數的測量學生根據自己的答題情況進行自我評價和錯題記錄，并將相應內容填入表9-2中。表9-2基本放大電路的測試評分表任務評價序號內容評分標準分值得分1總體表現遵守課堂紀律和實訓規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣10分20分

3實施結果測量和計算過程正確，否則每錯1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

功率放大電路任務9.2任務引入在乘坐城市軌道交通列車出行時，乘客往往需要通過列車廣播系統(tǒng)來獲取列車運行方向、列車到達站點等信息，而列車廣播系統(tǒng)的功能則需通過功率放大電路來實現。在功率放大電路的作用下，列車廣播系統(tǒng)將微小的音頻信號放大成功率盡可能大的交流信號，從而驅動揚聲器工作，向乘客傳遞相關服務信息。那么，什么是功率放大電路？功率放大電路的工作原理又是什么呢？以最小的失真、最高的效率向負載提供盡可能大的輸出功率的放大電路，稱為功率放大電路，簡稱功放電路。功放電路中的主要功能器件為三極管，又稱功放管。29.2.1功率放大電路概述1．功率放大電路應滿足的要求輸出功率盡可能大。1效率盡可能高。非線性失真盡可能小。34散熱性盡可能好9.2.1功率放大電路概述2．功率放大電路工作狀態(tài)的分類根據三極管工作狀態(tài)的不同，可將功率放大電路的工作狀態(tài)分為甲類、乙類和甲乙類三種，如圖9-9所示。甲類工作狀態(tài)的靜態(tài)工作點位于放大區(qū)，其靜態(tài)功耗大，效率低，但失真較小；乙類工作狀態(tài)的靜態(tài)工作點位于截止區(qū)，其靜態(tài)功耗接近于零，效率高，但存在嚴重的失真；甲乙類工作狀態(tài)的靜態(tài)工作點接近截止區(qū)，其靜態(tài)功耗小，效率高，且失真現象較乙類輕。（a）甲類

（b）乙類

（c）甲乙類圖9-9功率放大電路的工作狀態(tài)雙電源互補對稱功率放大電路，又稱無輸出電容功率放大電路，簡稱OCL電路，如圖9-10所示。9.2.2雙電源互補對稱功率放大電路圖9-10OCL電路1靜態(tài)分析9.2.2雙電源互補對稱功率放大電路1．工作原理靜態(tài)時，由于兩只三極管的基極都未加偏置電壓，因此，它們都不導通，輸出電流為零，工作于截止區(qū)，屬于乙類工作狀態(tài)。此時，兩只三極管發(fā)射極的電位為零，負載上無電流。2動態(tài)分析9.2.2雙電源互補對稱功率放大電路（a）輸入信號（b）輸出信號圖9-11OCL電路的輸入、輸出信號1最大輸出功率9.2.2雙電源互補對稱功率放大電路2．性能參數計算2電源功率9.2.2雙電源互補對稱功率放大電路3效率9.2.2雙電源互補對稱功率放大電路4管耗9.2.3單電源互補對稱功率放大電路圖9-13OTL電路單電源互補對稱功率放大電路，又稱無輸出變壓器功率放大電路，簡稱OTL電路，如圖9-13所示。設輸入信號為正弦電壓，如圖9-14（a）所示。

獲得完整的輸出電壓，如圖9-14（b）所示。（a）輸入信號（b）輸出信號圖9-14OTL電路的輸入、輸出信號9.2.4集成功率放大器集成功率放大器具有輸出功率大、頻率特性好、非線性失真小、外圍器件少、成本低、使用方便等優(yōu)點，因而被廣泛地應用在收音機、錄音機、電視機、音響系統(tǒng)等設備中。LM386常作為音頻放大電路在電話機或袖珍收音機上使用，其外形如圖9-15（a）所示。LM386為8腳雙列直插塑料封裝結構，其各引腳接線示意圖如圖9-15（b）所示。（a）外形（b）引腳接線示意圖圖9-15LM386的引腳9.2.4集成功率放大器LM386是一種通用型寬帶集成功率放大器，采用的是OTL電路，適用的電源電壓為4～10V，常溫下的功耗約為660mW。如圖9-16所示為LM386的應用接線圖。圖9-16LM386的應用接線圖任務實施----安裝與調試功率放大電路任務準備實驗器材準備：直流穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、示波器各1臺，萬用表、交流毫伏表各1塊，LM386集成功率放大器1片，電阻（5.1kΩ、1kΩ）2個，電容（220μF、10μF、0.01μF）3個，揚聲器1個，實驗板1塊，導線若干。實施步驟（1）根據圖9-17所示電路連接各類實驗器材。圖9-17實驗電路（2）用萬用表直流電壓擋測量集成功率放大器各管腳的靜態(tài)工作電壓，并將測量結果填入表9-3中。表9-3靜態(tài)工作電壓的測量結果（3）測量最大不失真功率。（4）測量功率放大電路的效率。學生根據自己的答題情況進行自我評價和錯題記錄，并將相應內容填入表9-5中。表9-2基本放大電路的測試評分表任務評價序號內容評分標準分值得分1總體表現遵守課堂紀律和實訓規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣10分20分

3實施結果測量過程正確，否則每錯1處扣5分；計算結果正確，否則每錯1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

集成運算放大器任務9.3任務引入集成運算放大器是應用最為廣泛的一種集成電路，由集成運算放大器制成的各類芯片在城市軌道交通中有著各式各樣的應用。例如，在城市軌道交通列車機械制動系統(tǒng)中，通常會設有壓力傳感器，用來監(jiān)測氣缸前后腔之間的壓力差。當氣缸發(fā)生故障時，壓力傳感器受力發(fā)生改變，并將微小的壓力信號經集成運算放大器轉變成可檢測的電流信號，發(fā)送到列車控制室，向列車駕駛員示警。那么，集成運算放大器是如何工作的？具體又該如何使用呢？9.3.1集成運算放大器的組成與圖形符號集成運算放大器一般由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路四部分組成，如圖9-18所示。圖9-18集成運算放大器的組成1．集成運算放大器的組成如圖9-19所示為集成運算放大器的圖形符號。圖9-19集成運算放大器的圖形符號2．集成運算放大器的圖形符號9.3.2集成運算放大器的分類集成運算放大器主要有以下幾種分類方式。（1）根據用途的不同，集成運算放大器可分為通用型集成運算放大器和專用型集成運算放大器兩大類。（2）根據供電電源的不同，集成運算放大器可分為雙電源集成運算放大器和單電源集成運算放大器兩大類。其中，單電源集成運算放大器采用特殊設計，在放大交流信號時失真較小。（3）根據制作工藝的不同，集成運算放大器可分為雙極型集成運算放大器、單極型集成運算放大器和雙極-單極型集成運算放大器三類。1開環(huán)差模增益9.3.3集成運算放大器的使用常識1．集成運算放大器的主要參數2開環(huán)共模增益3共模抑制比9.3.3集成運算放大器的使用常識開環(huán)共模增益是指集成運算放大器本身的共模增益，它反映了集成運算放大器抗溫漂、抗共模干擾的能力，優(yōu)質集成運算放大器的應接近于零。共模抑制比是指集成運算放大器對差模信號的電壓放大倍數與其對共模信號的電壓放大倍數之比，可用來綜合衡量集成運算放大器的放大能力和抗溫漂、抗共模干擾的能力，其值一般應大于80dB。4差模輸入電阻6輸入失調電流9.3.3集成運算放大器的使用常識差模輸入電阻是指在差模信號作用下集成運算放大器的輸入電阻。輸入失調電壓是指當輸入電壓為零時，在輸入端所要施加的使輸出電壓也為零的補償電壓。5輸入失調電壓輸入失調電流反映了輸入級差放管輸入電流的對稱程度。其值為當輸出電壓為零時集成運算放大器兩個輸入端電流之差的絕對值。1輸入保護9.3.3集成運算放大器的使用常識2．集成運算放大器的保護正常工作情況下，集成運算放大器兩個輸入端之間的差模輸入電壓應不大于二極管的正向導通電壓，共模輸入電壓取值應在-U～U之間。因此，為防止集成運算放大器電壓過大，須連接相應的輸入保護電路，如圖9-20所示。（a）防止差模電壓過大（b）防止共模電壓過大圖9-20