電子技術(shù)課件：放大電路的頻率響應(yīng)及反饋

放大電路的頻率響應(yīng)及反饋4.1放大電路的頻率響應(yīng)4.2放大電路的負(fù)反饋4.3正弦波振蕩器4.4低頻功率放大電路4.5能力訓(xùn)練習(xí)題

本章就放大電路的頻率響應(yīng)、負(fù)反饋、正弦波振蕩器和低頻功率放大電路做專題討論。放大電路的頻率響應(yīng)中主要介紹頻率響應(yīng)中的分析及描述方法；放大電路的負(fù)反饋中主要介紹反饋的基本概念、反饋的判斷、反饋對放大器性能的改善和基本的分析方法；正弦波振蕩器中簡要介紹正弦波振蕩器的電路組成、基本的正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)形式和分析方

法；低頻功率放大電路中介紹低頻功率放大電路的分析方法和常見的電路結(jié)構(gòu)。

4.1放大電路的頻率響應(yīng)

在放大電路的應(yīng)用實踐中，首先遇到的問題是一個放大電路是否可以放大任意頻率的輸入信號?如果不可以，那么放大電路適合放大信號的頻率范圍是什么?下面就放大電路適合放大信號頻率范圍的描述方法和分析方法做簡要分析。

4.1.1頻率特性的概念及描述方法

1.頻率特性的概念

1)放大電路適合放大信號頻率范圍——通頻帶寬度fbw

對于共射基本放大電路而言，如果分析其電壓放大倍數(shù)Au

隨頻率的變化，可以得到如圖4－1所示的關(guān)系曲線，可見幅度Au

和相角φ

都是頻率的函數(shù)，即放大電路的電壓放

大倍數(shù)是一個復(fù)數(shù)，即圖4－1共射基本放大電路的頻率特性

其中幅度Au

隨頻率的變化關(guān)系曲線稱為放大電路的幅頻特性，相角φ

隨頻率的變化關(guān)系曲線稱為相頻特性。當(dāng)用對數(shù)坐標(biāo)表示變化關(guān)系曲線時，稱其為波特圖。

當(dāng)放大倍數(shù)下降為0.707Aum(Aum為中頻放大倍數(shù))時，在低頻端和高頻端對應(yīng)的頻率分別稱為下限截止頻率和上限截止頻率，分別用fL

和fH

表示，則通頻帶寬度定義為

在圖4－1(a)所示的幅頻特性中定義：通頻帶寬度用于表征放大電路對不同頻率的輸入信號的響應(yīng)能力，即表明一個放大器適合放大信號的頻率范圍，當(dāng)信號頻率在此期間時，認(rèn)為放大器可以對信號進行很好的放大，若超出此范圍，放大電路的放大能力會隨頻率的降低或升高急劇下降，放大器就失去了放大能力。它是放大電路的重要技術(shù)指標(biāo)之一。

2)原因分析

造成通頻帶隨頻率的變化引起放大倍數(shù)下降的主要原因如下:

(1)對低頻段，由于耦合電容(和旁路電容)隨頻率的降低容抗變大，在中頻和高頻時容抗1/(ωC

)?R(R

是放大電路的輸入電阻，由后續(xù)分析可知此時等效電路為一高通電路，

如圖4－2(a)所示)，可視為短路，但在低頻段時1/(ωC

)?R不成立，隨頻率的下降，引起放大倍數(shù)的下降，同時產(chǎn)生附加相移。

(2)對高頻段，由于三極管極間電容或分布電容的存在，在低頻和中頻段時容抗1/(ωC

)較大，與輸出電阻并聯(lián)可視為開路，但在高頻段隨頻率的升高，容抗1/(ωC

)變小，

此時考慮極間電容影響的等效電路如圖4－2(b)所示(為一低通電路)。當(dāng)頻率上升時，容抗減小，使輸出電壓減小，從而使放大倍數(shù)下降。同時也會在輸出電壓與輸入電壓間產(chǎn)生附加相移。圖4－2考慮頻率特性時的等效電路

式中，

ω為輸入信號的角頻率。令則

因此

即

圖4－3高通電路的頻率響應(yīng)

(2)低通電路的頻率響應(yīng)。在放大電路高頻段時，放大電路等效為一低通電路，如圖4－2(b)所示。

圖4－4低通電路的頻率響應(yīng)

2.頻率特性的描述方法———波特圖

在放大電路的實際應(yīng)用中，輸入信號的頻率往往在一個很大的范圍內(nèi)變化，而放大倍數(shù)也可以在幾十到幾萬之間變化，甚至更高。為了在同一坐標(biāo)系中表示放大電路的頻率響

應(yīng)，在作頻率特性曲線時常采用對數(shù)坐標(biāo)，此時稱其為波特圖。

圖4－5高通與低通電路的波特圖

同理可以得到低通電路的波特圖，如圖4－5(b)所示。

由上述分析可知，電路的上、下限截止頻率取決于所在回路的時間常數(shù)τ，當(dāng)信號頻率等于上、下限截止頻率時，放大電路的增益下降3dB，且產(chǎn)生±45°相移，所以有時稱通頻帶寬度為3dB帶寬。在近似分析時，可以采用折線近似畫法作波特圖曲線。

4.1.2單管放大器的頻率響應(yīng)———分析方法

由上述分析可知，當(dāng)一個放大電路在分析頻率特性時，如果能將其等效為高通和低通電路，就可以計算它的上、下限截止頻率，畫出波特圖，從而得到它的頻率響應(yīng)。下面就單管放大器的頻率響應(yīng)的分析方法做一討論。

1.三極管混合參數(shù)π型等效電路

在分析放大電路頻率特性時，如何將其等效為高通和低通電路是分析的重點和難點。前面介紹的h參數(shù)微變等效電路分析法分析放大電路交流性能時，由于頻率不是太高，耦

合電容和極間電容的容抗可以忽略。但隨著頻率升高，容抗的減小，在與負(fù)載并聯(lián)時不能再被忽略，會對放大倍數(shù)產(chǎn)生影響。此時可以采用晶體管混合參數(shù)π型等效電路法進行分析。

圖4－6三極管的混合π型等效電路

2)混合π模型的簡化

圖4－6(b)所示電路中，通常rce

遠(yuǎn)大于ce

間連接的負(fù)載電阻，

rb‘c

遠(yuǎn)大于集電結(jié)結(jié)電容Cμ的容抗，因此可認(rèn)為二者開路，得到圖4－7(a)所示的等效電路。

在圖4－7(a)所示的等效電路中，因Cμ

跨接在輸入與輸出回路之間(如圖4－7(b)所示)，使電路分析變得非常復(fù)雜。為方便起見，將其單向化(分別等效到輸入與輸出回路)，如圖4－7(c)所示。圖4－7Cμ的等效過程

考慮到通常情況下C″μ的容抗遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，可將其忽略，從而可以得到圖4－6(b)所示混合π參數(shù)等效電路的簡化電路，如圖4－8所示。

圖4－8中:圖4－8混合π參數(shù)簡化等效電路

3)混合π模型的主要參數(shù)

將簡化的混合π參數(shù)等效電路與簡化的h參數(shù)微變等效電路相比較，它們的電阻參數(shù)是相同的，如圖4－9所示。

所以圖4－9混合π參數(shù)和h參數(shù)之間的關(guān)系

2.單管共射極放大電路的頻率響應(yīng)

利用晶體管簡化混合π模型(如圖4－9(b)所示)，將放大電路等效為高通和低通電路，即可分析放大電路的頻率特性。電路如圖4－10所示。圖4－10共射極放大電路及其混合π型等效電路

具體分析時，通常分成三個頻段考慮:

(1)中頻段:全部電容均不考慮，耦合電容視為短路，極間電容視為開路。

(2)低頻段:耦合電容的容抗不能忽略，而極間電容視為開路。

(3)高頻段:耦合電容視為短路，而極間電容的容抗不能忽略。

這樣求得三個頻段的頻率響應(yīng)，然后再進行綜合。這樣做的優(yōu)點是，可使分析過程簡單明了，且有助于從物理概念上來理解各個參數(shù)對頻率特性的影響。

圖4－11中頻段等效電路

由圖4－11可知:

圖4－12低頻段等效電路

因此

此時，低頻段對數(shù)頻率特性如圖4－13所示。圖4－13低頻段對數(shù)頻率特性

圖4－14高頻等效電路

因此圖4－15高頻段對數(shù)頻率特性

4)完整的頻率特性曲線(波特圖)

綜上所述，考慮電容影響，在整個頻率范圍內(nèi)，電壓放大倍數(shù)的表達式應(yīng)為

由此可以得到如圖4－16所示的共射極基本放大電路的折線化波特圖。圖4－16共射極基本放大電路的波特圖

4.2放大電路的負(fù)反饋

4.2.1反饋的基本概念

1.反饋的定義反饋就是將輸出信號的一部分(或全部)通過一定的電路方式(反饋網(wǎng)絡(luò))引回到輸入回路，并與輸入信號(進行疊加)一起對輸出信號的大小產(chǎn)生影響，使放大電路的某些性能獲得改善的過程，其組成方框圖如圖4－17所示。圖4－17反饋放大器的方框圖

定義:為開環(huán)放大倍數(shù)(基本放大電路放大倍數(shù));

為反饋系數(shù);為閉環(huán)放大倍數(shù)(反饋放大

電路放大倍數(shù))。因為

所以

2.反饋類型及其判斷

反饋類型及其判斷是研究反饋放大電路性質(zhì)的基礎(chǔ)。

在放大電路中，根據(jù)反饋信號對凈輸入信號的影響結(jié)果是增大還是減小，可以分為正反饋和負(fù)反饋;是在交流通路還是在直流通路中起作用，可以分為交流反饋和直流反饋;根據(jù)反饋信號在輸出端取樣對象不同，可以分為電壓反饋和電流反饋;根據(jù)反饋信號、輸入信號和凈輸入信號在輸入回路的連接方式不同，可以分為串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋，這樣就形成了反饋的四種組態(tài)，即電壓串聯(lián)、電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)和電流并聯(lián)反饋。反饋類型及其判斷就是針對以上不同類型反饋的判斷。

1)有無反饋的判斷

在放大電路中若存在將輸出回路與輸入回路連接的通路(或連接輸出回路與輸入回路的公共元件)，并由此影響輸入回路的凈輸入信號，則表明電路存在反饋，否則電路不存在反饋。

在圖4－18(a)電路中，電阻Rf將輸出回路與輸入回路相連接，凈輸入信號不僅取決于輸入信號，還與由輸出引回的反饋信號(R2兩端電壓)有關(guān)，所以電路中引入了反饋。在圖4－18(b)電路中，雖然R接在輸出端與反相輸入端之間，但由于反相輸入端接地，凈輸入信號大小與輸出信號大小無關(guān)，所以電路不存在反饋。圖4－18有無反饋的判斷

2)正、負(fù)反饋的判斷

若反饋信號使凈輸入信號減弱，則為負(fù)反饋;若反饋信號使凈輸入信號加強，則為正反饋。負(fù)反饋多應(yīng)用于改善放大器的性能;正反饋多應(yīng)用于振蕩電路。

正、負(fù)反饋判斷多用瞬時極性法，其步驟如下:

(1)在基本放大器輸入端設(shè)定某一時刻有一個遞增的輸入信號(用表示)。

(2)以此為依據(jù)，經(jīng)過基本放大電路到輸出回路，再經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)到輸入回路，標(biāo)出電路中各點的瞬時極性，并推演出反饋信號的變化極性。

(3)判定在反饋信號的影響下，凈輸入信號的變化極性。若該極性使凈輸入信號減小，則為負(fù)反饋;若該極性使凈輸入信號增大，則為正反饋。

按上述方法可以判定圖4－18(a)是負(fù)反饋。判定過程如下:假設(shè)某一時刻輸入信號瞬時極性為(遞增)，則經(jīng)過基本放大電路到輸出的瞬時極性為，再經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)(電阻Rf

)到反相輸入端產(chǎn)生的瞬時極性為，由此導(dǎo)致集成運放的凈輸入信號(U+-U-)減小，說明引入的是負(fù)反饋。

3)交、直流反饋的判斷

交、直流反饋的判斷是根據(jù)放大電路的交流通路和直流通路中是否存在反饋環(huán)進行判斷。

(1)直流反饋：若放大電路的直流通路中存在反饋環(huán)，則該放大電路存在直流反饋。直流負(fù)反饋主要用于穩(wěn)定靜態(tài)工作點。

(2)交流反饋：若放大電路的交流通路中存在反饋環(huán)，則該放大電路存在交流反饋。交流負(fù)反饋主要用來改善放大器的性能;交流正反饋主要應(yīng)用于波形的產(chǎn)生與變換電路。

若某放大電路的交流通路和直流通路中均存在反饋環(huán)，則該放大電路既存在直流反饋，又可以產(chǎn)生交流反饋。圖4－18(a)中的Rf既可以產(chǎn)生直流反饋，也可以產(chǎn)生交流反饋。

在圖4－19(a)所示電路中，電容C對交流信號視為短路，對直流信號視為斷路，所以在交流通路中不存在反饋環(huán)，而在直流通路中存在反饋環(huán)，故電路只存在直流反饋。

同理圖4－19(b)所示電路中，在交流通路中存在反饋環(huán)，而在直流通路中不存在反饋環(huán)，故電路只存在交流反饋。根據(jù)瞬時極性法，圖4－19(a)、(b)所示電路均為負(fù)反饋。圖4－19交、直流反饋的判斷

4)反饋組態(tài)的判斷

(1)電壓反饋與電流反饋。電壓反饋與電流反饋的判斷，主要看反饋放大器反饋信號在輸出端的取樣對象，若反饋信號的大小取決于輸出電壓，則輸出端引入電壓反饋;若反饋信號的大小取決于輸出電流，則輸出端引入電流反饋。如圖4－20所示，其中圖(a)為電壓反饋示意圖，圖(b)為電流反饋示意圖。具體實踐過程中，可以由以下方法進行判斷。圖4－20電壓反饋與電流反饋示意圖

方法一：輸出短路法。將反饋放大器的輸出端對地交流短路，若其反饋信號隨之消失，則為電壓反饋；否則為電流反饋。因為輸出端對交流短路后，輸出交變電壓為零，若反饋信號隨之消失，則說明反饋信號取決于輸出電壓，故為電壓反饋；若反饋信號依然存在，則說明反饋信號取決于輸出電流，故為電流反饋。

方法二：按電路結(jié)構(gòu)判斷。在交流通路中，若反饋網(wǎng)絡(luò)的取樣端處在放大器的輸出端，則為電壓反饋;否則為電流反饋。

在圖4－21(a)所示電路中，可以判斷Rf引入的是交、直流負(fù)反饋，由于其取樣直接接到放大電路的輸出端，則由方法二判斷引入的反饋為電壓反饋。圖4－21(b)所示電路中，Re

引入的也是交、直流負(fù)反饋，由于其取樣沒有接到放大電路的輸出端，則由方法二判斷引入的反饋為電流反饋。圖4－21電壓反饋與電流反饋的判斷

(2)串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋。串聯(lián)與并聯(lián)反饋的判斷，主要看反饋信號、輸入信號和凈輸入信號在輸入回路中的連接方式。如果三者在輸入回路以電壓信號串聯(lián)求和，則屬于串聯(lián)反饋；如果三者在輸入回路以電流信號并聯(lián)求和，則屬于并聯(lián)反饋。如圖4－22所示，其中圖(a)為串聯(lián)反饋示意圖，圖(b)為并聯(lián)反饋示意圖。具體實踐過程中，可以通過觀察反饋信號和輸入信號的連接情況進行判斷。對于交變分量而言，若信號源的輸出端和反饋網(wǎng)絡(luò)的比較端接于同一個放大器件的同一個電極上，則為并聯(lián)反饋；否則為串聯(lián)反饋。圖4－22串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋示意圖

在圖4－21(a)所示電路中，可以判斷Rf引入的反饋電流信號If和輸入信號Ii

同接于放大器件的基極上，則判斷引入的反饋為并聯(lián)反饋，即為交直流電壓并聯(lián)負(fù)反饋。圖4－21(b)所示電路中，

Re

引入的也是交、直流負(fù)反饋，由于其反饋電壓信號沒有與輸入信號接到放大器件的同一個電極上，因此判斷引入的反饋為串聯(lián)反饋，即交直流電流串聯(lián)負(fù)反饋。

同理，在圖4－18(a)所示電路中，

Rf引入的反饋為交直流電壓串聯(lián)負(fù)反饋，圖4－19(b)所示電路中引入的反饋為電壓并聯(lián)的交流負(fù)反饋。

4.2.2負(fù)反饋對放大器性能的影響

1.降低大器的放大倍數(shù)

根據(jù)負(fù)反饋的定義可知，負(fù)反饋總是使凈輸入信號減弱。所以，對于負(fù)反饋放大器而言，中頻時必有Xi>X'i

，所以

即

2.穩(wěn)定被取樣的輸出信號

1)電壓負(fù)反饋

電壓負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓，對于圖4－21(a)所示的電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，當(dāng)某一因素使Uo

增大時，就會產(chǎn)生如下反饋過程:

結(jié)果使Uo的變化量減小，

Uo的穩(wěn)定性提高。

2)電流負(fù)反饋

電流負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電流，對于圖4－21(b)所示的電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，當(dāng)某一因素使Io

增大時，就會產(chǎn)生如下反饋過程:

結(jié)果使Io的變化量減小，

Io的穩(wěn)定性提高。

3.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性

由式(4－31)可知:

對該式求微分:

由以上兩式得

式(4－33)表明，負(fù)反饋放大器放大倍數(shù)的相對變化量僅是基本放大電路放大倍數(shù)相對變化量的1/(1+AF)，即A

f

的穩(wěn)定性是A的1+AF倍。

4.展寬通頻帶

因為

所以當(dāng)反饋系數(shù)F不隨頻率變化時，引入負(fù)反饋后的高頻特性為

故

同理

由于通常情況下，

fH?fL

，

fhf?flf

，所以放大電路的通頻帶可以表示為

由式(4－35)可知，引入負(fù)反饋后使通頻帶展寬了1+AF倍。

5.對輸入電阻的影響

1)串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻提高

如圖4－23所示，開環(huán)輸入電阻為

閉環(huán)輸入電阻為圖4－23串聯(lián)負(fù)反饋方框圖

2)并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小

如圖4－24所示，開環(huán)輸入電阻為

閉環(huán)輸入電阻為圖4－24并聯(lián)負(fù)反饋方框圖

6.對輸出電阻的影響

1)電壓負(fù)反饋使輸出電阻減小

如圖4－25(a)所示，令Xi

=0，在輸出端加交流電壓Uo

，產(chǎn)生電流Io

，則輸出電阻為圖4－25負(fù)反饋對輸出電阻的影響

2)電流負(fù)反饋使輸出電阻增大

如圖4－25(b)所示，令Xi

=0，在輸出端加交流電壓Uo

，產(chǎn)生電流Io

，則輸出電阻為

7.減小非線性失真和抑制干擾、噪聲

圖4－26反映了采用負(fù)反饋減少信號放大后非線性失真的基本原理。圖4－26負(fù)反饋減小非線性失真

【例4－1】某放大器的Au=1000，

ri=10kΩ，

ro=10kΩ，

fh=100kHz，

fi=10kHz，在該電路中引入串聯(lián)電壓負(fù)反饋后，當(dāng)開環(huán)放大倍數(shù)變化±10%時，閉環(huán)放大倍數(shù)變化不超過±1%，求Auf、rif

、rof、fhf、flf

。

解

4.2.3放大電路引入負(fù)反饋的一般原則

有時為了改善放大電路某些方面的性能，需要在電路中引入負(fù)反饋。那么如何引入負(fù)反饋，引入哪種組態(tài)的負(fù)反饋，這要根據(jù)電路要改善哪方面的性能來決定。而對性能的改

善程度則由反饋深度來決定，在此提供引入負(fù)反饋的一般原則：

(1)為了改善放大電路的性能，應(yīng)引入負(fù)反饋;為了實現(xiàn)信號的產(chǎn)生和變換，應(yīng)引入正反饋。

(2)為了穩(wěn)定Q點，應(yīng)引入直流負(fù)反饋;為了改善交流性能，應(yīng)引入交流負(fù)反饋。

(3)根據(jù)信號源的性質(zhì)、需要增大或減小輸入電阻來決定引入串聯(lián)負(fù)反饋還是并聯(lián)負(fù)反饋。需要增大輸入電阻，應(yīng)引入串聯(lián)負(fù)反饋;需要減小輸入電阻，應(yīng)引入并聯(lián)負(fù)反饋。

(4)根據(jù)負(fù)載對放大電路輸出信號的要求，決定輸出端的反饋類型。當(dāng)負(fù)載要求輸出電壓穩(wěn)定，提高放大器帶負(fù)載的能力時，應(yīng)引入電壓負(fù)反饋;當(dāng)負(fù)載要求輸出電流穩(wěn)定時，應(yīng)引入電流負(fù)反饋。

(5)需要進行信號的變換時，選擇合適的組態(tài)可以實現(xiàn)。例如:需要將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，應(yīng)引入電流串聯(lián)負(fù)反饋;需要將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，則應(yīng)引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋。

4.3正弦波振蕩器

4.3.1概述

1.正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路是指在沒有外加輸入信號時，能夠自動產(chǎn)生一定頻率、一定幅度的正弦波。其基本結(jié)構(gòu)是一個引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路，如圖4－27所示。圖4－27正弦波振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)

得

式(4－43)就是正弦波振蕩電路的振蕩平衡條件，有時表示為

式(4－44)稱為幅值平衡條件，式(4－45)稱為相位平衡條件，式(4－42)與式(4－45)則稱為正弦波振蕩電路的起振條件。

2.正弦波振蕩器的電路組成

由正弦波振蕩的概念可知，正弦波振蕩器一般應(yīng)包括以下幾個組成部分:

(1)放大電路:實現(xiàn)能量控制和放大作用，保證電路從起振到動態(tài)平衡的過程。

(2)正反饋網(wǎng)絡(luò):引入正反饋，保證振蕩相位平衡條件的滿足。

(3)選頻網(wǎng)絡(luò):決定了產(chǎn)生正弦波的頻率，保證產(chǎn)生單一頻率的正弦波。

(4)穩(wěn)幅電路:保證產(chǎn)生一定幅度的正弦波，在起振以后幅度能夠穩(wěn)定下來。

4.3.2常見正弦波振蕩電路

正弦波振蕩器往往根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件來命名，常見電路形式有RC正弦波振蕩器、LC正弦波振蕩器和石英晶體正弦波振蕩器三種類型。

1.RC正弦波振蕩器

1)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

RC正弦波振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)如圖4－28(a)所示。圖4－28RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其高低頻等效電路

當(dāng)信號頻率足夠低時，1/(ωC

1)?R1，

1/(ωC2)?R2

，可得到如圖4－28(b)所示的近似的低頻等效電路，其輸出電壓相位超前輸入電壓，是一個超前網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信號頻率足夠高時，1/(ωC

1)?R1

，

1/(ωC2)?R2

，可以得到如圖4－28(c)所示的近似的高頻等效電路，其輸出電壓相位落后輸入電壓，是一個滯后網(wǎng)絡(luò)

圖4－29RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

2)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路

電路組成:RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)兼作正反饋網(wǎng)絡(luò)，放大電路由帶有電壓串聯(lián)負(fù)反饋的同相比例放大電路組成，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)由具有正穩(wěn)定系數(shù)的R1

(或具有負(fù)溫度系數(shù)的

Rf)來實現(xiàn)，如圖4－30所示。圖4－30RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩電路

2.LC正弦波振蕩器

LC正弦波振蕩器電路組成與RC正弦波振蕩器相同，只是其選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC電路。LC正弦波振蕩器電路的選頻網(wǎng)絡(luò)多采用LC并聯(lián)諧振回路。

1)LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性

LC并聯(lián)諧振回路如圖4－31所示，圖中R

為電感內(nèi)阻。圖4－31LC并聯(lián)電路

對于某個特定頻率ωo

，滿足

因此

此時電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，所以f0叫做諧振頻率。諧振時，回路的等效阻抗呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)，且達到最大值，稱為諧振阻抗Z0

，諧振時虛部為零，所以相移也為零。這時

其中

稱為諧振回路品質(zhì)因數(shù)，一般情況下，

Q?1。

式(4－54)表明，一定的諧振頻率下，電阻R、電容C越小，電感L越大，品質(zhì)因數(shù)越大，從而選頻特性越好。圖4－32反映了LC并聯(lián)回路的頻率特性。圖4－32LC并聯(lián)回路的頻率特性

2)變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路

引入正反饋最直接的方法是采用變壓器反饋方式，如圖4－33所示，為使電路引入正反饋，同名端如圖所標(biāo)注。圖4－33變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路

當(dāng)Q

值較高時，振蕩頻率f0

就等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率，即

變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路易于產(chǎn)生振蕩，應(yīng)用較為廣泛，波形也比較好，但輸出電壓與反饋電壓靠磁路耦合，所以損耗較大，振蕩頻率穩(wěn)定性不高。

3)三點式LC正弦波振蕩電路

電路組成上，三點式LC正弦波振蕩電路仍由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。

結(jié)構(gòu)上，三點式LC正弦波振蕩電路的特點是選頻網(wǎng)絡(luò)由三個電抗元件組成，且三個元件連接的三個頂點分別與晶體管三個電極相連接。可以證明，當(dāng)連接發(fā)射極的兩個元件

性質(zhì)相同，連接基極的兩個元件性質(zhì)相反時，電路可以滿足正弦波振蕩電路的相位平衡條件，可以簡稱為“射同基反”。

當(dāng)連接發(fā)射極的兩個元件是電感時，則稱其為電感三點式LC正弦波振蕩電路，如圖4－34(a)、(b)所示。當(dāng)連接發(fā)射極的兩個元件是電容時，稱其為電容三點式LC正弦波振蕩電路，如圖4－34(c)、(d)所示。圖4－34三點式LC正弦波振蕩電路

電感三點式LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率基本上等于LC并聯(lián)電路的諧振頻率，即

其中L‘是諧振回路的等效電感，

L’=L1+L2+2M(M為N1

與N2

間的互感)。

電容三點式LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)電路的諧振頻率，即

圖4－34(c)、(d)中

圖4－35是電容三點式改進型LC正弦波振蕩電路，在選取電容參數(shù)時，可使C1?C，C2?C，則有

故

f0

僅取決于電感L和電容C，與C1

、C2和管子的極間電容關(guān)系很小，因此振蕩頻率的穩(wěn)定度較高，其頻率穩(wěn)定度Δf

/f0

的值可小于0.01%。圖4－35電容三點式改進型LC正弦波振蕩電路

3.石英晶體正弦波振蕩器

石英晶體振蕩器具有穩(wěn)定的振蕩頻率，主要應(yīng)用于對頻率穩(wěn)定性要求比較高的場合。

1)石英晶體的基本知識

石英晶體就是將二氧化硅(SiO2)結(jié)晶體按照一定的方向切割成非常薄的晶片，再將晶片的兩個表面拋光，涂覆銀層并作為兩個電極引腳引出封裝，就構(gòu)成了石英晶體。

石英晶體最突出的特點是具有壓電效應(yīng)，即在石英晶體兩個電極加交流電壓時，晶片將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而晶片的機械變形也會在兩個電極間產(chǎn)生電壓。一般情況

下，交流電壓產(chǎn)生的機械變形和機械變形產(chǎn)生的電壓都很小。但是當(dāng)交流電壓為某一特定頻率時，機械振動(變形)的幅度突然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩，此時的頻率就是石英晶體的固有頻率，即振蕩頻率。

石英晶體的符號和等效電路如圖4－36(a)、(b)所示。其中：

Co

為石英晶體等效靜態(tài)電容量(一般為幾皮法至幾十皮法)；

L

為等效石英晶體機械振動的慣性(幾毫亨至幾十毫亨)；

C

為等效晶片的彈性(C?Co

)，

R為等效晶片的摩擦損耗，其值約為100Ω。

從石英晶體振蕩器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即當(dāng)R、L、C支路發(fā)生諧振時，它的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)諧振頻率為

當(dāng)頻率高于fs

時，

L、C、R支路呈感性，可與電容Co

發(fā)生并聯(lián)諧振，并聯(lián)諧振頻率為

由于C?Co

，因此fs和fp

非常接近。圖4－36石英晶體振蕩器

2)石英晶體振蕩器

如果用石英晶體代替電容三點式振蕩器中的電感，就得到并聯(lián)型石英晶體振蕩器，如圖4－37所示。振蕩時，根據(jù)三點式振蕩器的相位平衡條件，必須滿足“射同基反”，此時石英晶體應(yīng)呈現(xiàn)電感特性，振蕩頻率一定在fs與fp之間，而fs和fp非常接近，所以電路的振蕩頻率約等于并聯(lián)諧振頻率，即圖4－37并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路

圖4－38所示為石英晶體形成的串聯(lián)型石英晶體振蕩器，根據(jù)正負(fù)反饋的判別方法可知，只有石英晶體呈現(xiàn)純電阻特性(即產(chǎn)生串聯(lián)諧振)時，才能滿足正弦波振蕩器的相位平

衡條件，所以振蕩頻率應(yīng)是石英晶體的串聯(lián)諧振頻率，見式(4－58)。調(diào)整R5

的值可使電路滿足幅值平衡條件。圖4－38串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路

4.4低頻功率放大電路

4.4.1低頻功率放大電路概述在應(yīng)用實踐中，往往要求多級放大電路的末級輸出足夠的功率，以驅(qū)動負(fù)載的工作。能夠向負(fù)載提供足夠功率的末級放大電路稱為功率放大電路。這就要求功放電路不僅輸出較大的電壓幅度，還能夠輸出較大的電流幅度，從而輸出足夠大的功率。這樣的要求就決定了功率放大電路的特點和必須解決的一些問題。

1.功率放大器的特點及特殊問題

1)功率放大器的特點

(1)輸出功率要足夠大。為了保證負(fù)載的正常工作，要求輸出功率應(yīng)足夠大。輸出功率即是放大電路提供給負(fù)載的功率，常采用最大不失真輸出功率Pom

描述這一性能。如輸入信號是某一頻率的正弦信號，則輸出功率表達式為

Po=IoUo

其中Io

、Uo

均為交流有效值。Pom是在電路參數(shù)確定的情況下負(fù)載可能獲得的最大不失真交流功率。

(2)效率要高。放大器實質(zhì)上是一個能量轉(zhuǎn)換器，它是將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成交流信號的能量輸送給負(fù)載，因此要求轉(zhuǎn)換效率要高。為定量反映放大電路效率的高低，

引入?yún)?shù)η，它的定義為

(4－60)

式中，

Po

為信號輸出功率，

PE

是直流電源向電路提供的功率。在直流電源提供相同直流功率的條件下，輸出信號功率愈大，電路的效率愈高，也意味著電路損耗愈小。

(3)非線性失真要小。為使電路輸出足夠大的功率，要求輸出電壓和輸出電流有足夠幅度，故功率放大器采用的三極管均應(yīng)工作在大信號的極限狀態(tài)下。由于三極管是非線性

器件，在大信號工作狀態(tài)下，輸出信號不可避免地會產(chǎn)生一定的非線性失真。Pom是在參數(shù)確定的情況下、在允許的失真范圍內(nèi)負(fù)載可能獲得的最大交流功率。

2)功放管的選擇與散熱

由于晶體管工作在大信號的極限狀態(tài)下，信號放大時晶體管往往在接近極限的大信號狀態(tài)下運行，必然導(dǎo)致功放管耗散功率比較大，溫升嚴(yán)重。因此，在選擇功放管時，一方面要特別注意極限參數(shù)的選擇，保證功放管安全可靠地工作;另一方面，由于普通功率三極管的外殼較小，散熱效果差，所以允許的耗散功率較低，當(dāng)加上散熱片，使得器件的熱量及時散發(fā)后，輸出功率可以提高很多。例如，低頻大功率管3AD6在不加散熱片時，允許的最大功耗Pcm

僅為1W，加了120mm×120mm×4mm的散熱片后，其Pcm

可達到10W。在功率放大電路中，為了提高輸出信號功率，功放管一般加裝合適的散熱片。通常電路也采取一定的保護措施。

3)分析方法

因為功率放大電路放大的信號較大，晶體管的非線性再不能被忽視，在分析電路性能時，不能用前面的小信號交流等效電路法，所以在此采用圖解分析法對交流性能進行分析。

4)主要性能指標(biāo)

功率放大電路的分析更關(guān)注輸出功率和能量的轉(zhuǎn)換效率，所以其主要性能指標(biāo)為最大不失真輸出功率Pom和最大效率ηm

。

2.提高效率的方法

在前述的放大電路分析中，其Q點應(yīng)設(shè)置在交流負(fù)載線的中點，如圖4－39所示。此時，放大電路輸出功率為

即為矩形OMBA的面積。圖4－39功放的圖解法(甲類放大狀態(tài))

故效率:

此時的晶體管處于甲類工作狀態(tài)，可以證明這時最大效率不超過50%，可見效率太低。

此時效率低的主要原因是因為靜態(tài)功耗太大，即使輸出功率為零時，電路也會有較大的功率損耗，造成效率低下。因此為了提高效率，應(yīng)降低Q點，如圖4－40所示。圖4－40乙類放大狀態(tài)

當(dāng)靜態(tài)工作點設(shè)置在Q'點時，此時的晶體管處于乙類工作狀態(tài)，此時的靜態(tài)功耗為零，效率會得到提高。但是，此時的電路會出現(xiàn)嚴(yán)重失真。那么如何處理提高效率與失真的矛盾，就是我們在電路設(shè)計與分析中必須解決的問題。當(dāng)靜態(tài)工作點選擇在Q與Q'點之間時，晶體管處于甲乙類工作狀態(tài)。

4.4.2常見的功率放大電路

1.雙電源互補對稱功率放大電路(OCL電路)

在提高效率的同時，為了消除嚴(yán)重的失真，設(shè)想用兩只晶體管組成功率放大電路，讓一只管子放大正半周信號，另一只管子放大負(fù)半周信號，在同一個負(fù)載上輸出，就可以解決提高效率與失真的矛盾。OCL功率放大電路如圖4－41(a)所示。圖4－41OCL功率放大電路

設(shè)兩管的導(dǎo)通電壓UBE=0，當(dāng)輸入信號

ui

=0時，則ICQ=0，兩管均處于截止?fàn)顟B(tài)，故輸出uo=0。當(dāng)輸入端加一正弦信號，在信號正半周時，由于u

i>0，因此V1導(dǎo)通、V2

截止，

iC1

流過負(fù)載電阻RL

，如圖4－41(b)所示；在負(fù)半周時，由于u

i

<0，因此V1

截止、V2導(dǎo)通，電流iC2

通過負(fù)載電阻RL

，但方向與正半周相反，如圖4－41(

c)所示，即V1

、V2交替工作，流過RL的電流為一完整的正弦波信號，波形如圖4－41(a)所示。

由于該電路中兩個管子導(dǎo)電特性互為補充，電路對稱，因此該電路稱為互補對稱功率放大電路，也稱為無輸出電容的功率放大電路(即OCL功率放大電路)。圖4－42雙電源互補對稱電路的圖解分析

2)效率η圖4－43集電極電流iC波形圖4－44PE與ξ的關(guān)系曲線

(3)集電極功率損耗PC

:

PC與ξ的關(guān)系曲線如圖4－45所示，

PC最大取值可通過求極值獲得。圖4－45PC與ξ的關(guān)系曲線

可知功放管的選擇原則為

2)存在問題

(1)交越失真。前面的電路分析是在假設(shè)UBE

=0的情況下進行的，實際工作中的晶體管UBE應(yīng)為0.7V左右，即在實際應(yīng)用中，輸入信號|Ui|≤0.7V時，兩個功放管均截止，輸出為零，所以在兩個功放管工作交替之時出現(xiàn)失真，稱為交越失真，如圖4－46所示。圖4－46互補對稱功率放大電路的交越失真

圖4－47所示是幾種常見的消除交越失真的電路。圖4－47消除交越失真的常見電路

圖4－47(a)是利用V3

的靜態(tài)電流ICQ3在電阻R1上的壓降來提供V1

、V2

所需的偏壓，即

圖4－47(b)是利用二極管的正向壓降為V1

、V2提供所需的偏壓，即

圖4－47(c)是利用UBE

倍壓電路向V1

、V2提供所需的偏壓，電路中

所以

改變R1與R2

的值，可以得到不同倍數(shù)的UBE3

，消除交越失真。

(2)用復(fù)合管組成互補對稱電路。實際應(yīng)用中，有時為了進一步改善放大電路的性能，往往用兩個或兩個以上的晶體管，通過合理的連接形成復(fù)合管，來代替放大電路中的某一只晶體管。

圖4－48為常見的幾種復(fù)合管，其組成原則為:輸入信號由第一個晶體管的基極輸入，第二個晶體管的基極接第一個晶體管的集電極或發(fā)射極，由第二個晶體管的集電極或發(fā)射極輸出;要保證各個晶體管均有一個合適的靜態(tài)工作點;復(fù)合管的等效類型與第一個晶體管類型相同；

復(fù)合管的β=β1·β2

。圖4－48復(fù)合管的幾種接法

圖4－49是由復(fù)合管組成的OCL功率放大電路，圖450是由復(fù)合管形成的準(zhǔn)互補對稱的OCL功率放大電路，二者區(qū)別僅在于V4

的類型不同。圖4－49復(fù)合管互補對稱電路圖4－50準(zhǔn)互補對稱電路

2.單電源互補對稱電路(OTL電路)

實際應(yīng)用中，

OCL功率放大電路采用正負(fù)兩個電源會帶來很大的不便，解決辦法是在輸出端接入電容C，形成無輸出變壓器的功率放大電路，簡稱為OTL功率放大電路。如圖4－51所示，靜態(tài)時，圖4－51單電源準(zhǔn)互補對稱電路

4.5能力訓(xùn)練

4.5.1超外差式收音機本機振蕩電路超外差式收音機本機振蕩器產(chǎn)生高頻等幅波信號，它的頻率高于被選電臺載波465kHz，送入變頻級，二者信號通過晶體管的混頻作用，在變頻級輸出端選出二者的差值465kHz的中頻調(diào)幅信號，然后送入中頻放大級放大。

收音機的本振和變頻是由一個晶體管來實現(xiàn)的，如圖4－52所示。本機振蕩器是由振蕩變壓器組成的變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路。選頻網(wǎng)絡(luò)由振蕩變壓器B2

和雙連可變電容C1b

、C'1b

等元件組成。三極管的集電極調(diào)諧回路B3與C1

諧振于465kHz，對于465kHz信號阻抗最大，放大倍數(shù)大，從而選出465kHz信號。本機振蕩為一共基極電路圖4－52本機振蕩電路

4.5.2超外差收音機的音頻放大器

收音機的音頻放大器包括前置放大(或稱推動級)和功率放大兩部分。其中功率放大電路形式較多，常見的音頻放大器有變壓器耦合的功率放大器和互補對稱無輸出變壓器的功

率放大器(OTL電路)。圖4－53所示是變壓器耦合的功率放大器。其中，

RW

是音量電位器，

V1

是前置放大管，

V2

、V3

是推挽管，

R1

、R2和R3分別是V1、V2和V3

的偏置電阻。檢波器輸出的音頻信號加到RW上，通過調(diào)節(jié)RW可以改變前置放大級輸入音頻信號的大小，達到音量調(diào)節(jié)的目的。

音頻信號通過耦合電容C1加到前置放大管V1

的基極(共射極放大器)，被放大的信號通過變壓器

B1

耦合到功放級。功放級采用變壓器耦合的推挽功率放大器，其輸出信號推動揚聲器發(fā)出聲音。由于V2

導(dǎo)通時V3

截止，

V3

導(dǎo)通時V2

截止，故V2和V3交替工作形成推挽電路。為了克服交越失真，推挽管處于甲乙類工作狀態(tài)，一般靜態(tài)工作電流為3~8mA，

V1的集電極靜態(tài)電流