目 录

    封面

    扉页

    前言

    第1章 电路分析基础

    1.1 电路分析的基本方法与规律

    1.1.1 欧姆定律

    1.1.2 电功、电功率和焦耳定律

    1.1.3 电阻的串联、并联与混联

    1.2 复杂电路的分析方法与规律

    1.2.1 基本概念

    1.2.2 基尔霍夫定律

    1.2.3 叠加定理

    1.2.4 戴维南定理

    1.2.5 最大功率传输定理与阻抗变换

    第2章 放大电路

    2.1 基本放大电路

    2.1.1 固定偏置放大电路

    2.1.2 分压式偏置放大电路

    2.1.3 交流放大电路

    2.1.4 放大电路的3种基本接法

    2.1.5 朗读助记器的原理与检修(一)

    2.2 负反馈放大电路

    2.2.1 反馈知识介绍

    2.2.2 反馈类型的判别2.2.3 常见负反馈放大电路

    2.2.4 负反馈对放大电路的影响

    2.2.5 朗读助记器的原理与检修(二)

    2.3 功率放大电路

    2.3.1 功率放大电路的3种状态

    2.3.2 变压器耦合功率放大电路

    2.3.3 OTL功率放大电路

    2.3.4 OCL功率放大电路

    2.3.5 朗读助记器的原理与检修(三)

    2.4 多级放大电路

    2.4.1 阻容耦合放大电路

    2.4.2 直接耦合放大电路

    2.4.3 变压器耦合放大电路

    2.5 场效应管放大电路

    2.5.1 结型场效应管及其放大电路

    2.5.2 增强型绝缘栅场效应管及其放大电路

    2.5.3 耗尽型绝缘栅场效应管及其放大电路

    第3章 放大器

    3.1 直流放大器

    3.1.1 直流放大器的级间静态工作点影响问题

    3.1.2 零点漂移问题

    3.2 差动放大器

    3.2.1 基本差动放大器

    3.2.2 实用的差动放大器

    3.2.3 差动放大器的几种连接形式

    3.3 集成运算放大器

    3.3.1 集成运算放大器的基础知识3.3.2 集成运算放大器的线性应用电路

    3.3.3 集成运算放大器的非线性应用电路

    3.3.4 集成运算放大器的保护电路

    3.4 小功率集成立体声功放器的原理与检修

    3.4.1 电路原理

    3.4.2 电路检修

    第4章 谐振电路与滤波电路

    4.1 谐振电路

    4.1.1 串联谐振电路

    4.1.2 并联谐振电路

    4.2 滤波电路

    4.2.1 无源滤波器

    4.2.2 有源滤波器

    第5章 振荡器

    5.1 振荡器基础知识

    5.1.1 振荡器组成

    5.1.2 振荡器的工作条件

    5.2 RC振荡器

    5.2.1 RC移相式振荡器

    5.2.2 RC桥式振荡器

    5.3 可调音频信号发生器的原理与检修

    5.3.1 电路原理

    5.3.2 电路检修

    5.4 LC振荡器

    5.4.1 变压器反馈式振荡器

    5.4.2 电感三点式振荡器

    5.4.3 电容三点式振荡器5.4.4 改进型电容三点式振荡器

    5.5 石英晶体及晶体振荡器

    5.5.1 石英晶体

    5.5.2 晶体振荡器

    第6章 调制电路与解调电路

    6.1 无线电信号的发送与接收

    6.1.1 无线电信号的发送

    6.1.2 无线电信号的接收

    6.2 幅度调制与检波电路

    6.2.1 幅度调制电路

    6.2.2 检波电路

    6.3 频率调制与鉴频电路

    6.3.1 频率调制电路

    6.3.2 鉴频电路

    第7章 变频电路与反馈控制电路

    7.1 变频电路

    7.1.1 倍频电路

    7.1.2 混频电路

    7.2 反馈控制电路

    7.2.1 自动增益控制(AGC)电路

    7.2.2 自动频率控制(AFC)电路

    7.2.3 锁相环(PLL)控制电路

    第8章 电源电路

    8.1 整流电路

    8.1.1 半波整流电路

    8.1.2 全波整流电路

    8.1.3 桥式整流电路8.1.4 倍压整流电路

    8.2 滤波电路

    8.2.1 电容滤波电路

    8.2.2 电感滤波电路

    8.2.3 复合滤波电路

    8.2.4 电子滤波电路

    8.3 稳压电路

    8.3.1 简单的稳压电路

    8.3.2 串联型稳压电路

    8.3.3 集成稳压电路

    8.4 0～12V 可调电源的原理与检修

    8.4.1 电路原理

    8.4.2 电路检修

    8.5 开关电源

    8.5.1 开关电源基本工作原理

    8.5.2 3种类型的开关电源工作原理分析

    8.5.3 开关电源电路分析

    第9章 晶闸管电路

    9.1 单向晶闸管与晶闸管开关

    9.1.1 单向晶闸管

    9.1.2 晶闸管开关

    9.2 晶闸管可控整流电路

    9.2.1 可控半波整流电路

    9.2.2 可控桥式整流电路

    9.3 单结晶管与单向晶闸管交流调压电路

    9.3.1 单结晶管

    9.3.2 单结晶管振荡电路9.3.3 单向晶闸管交流调压电路

    9.4 双向晶闸管与双向晶闸管交流调压电路

    9.4.1 双向触发二极管

    9.4.2 双向晶闸管

    9.4.3 双向晶闸管交流调压电路

    第10章 数字电路基础与门电路

    10.1 数字电路基础

    10.1.1 模拟信号与数字信号

    10.1.2 正逻辑与负逻辑

    10.1.3 三极管的3种工作状态

    10.2 基本门电路

    10.2.1 与门

    10.2.2 或门

    10.2.3 非门

    10.3 门电路实验板的电路原理与实验

    10.3.1 电路原理

    10.3.2 基本门实验

    10.4 复合门电路

    10.4.1 与非门

    10.4.2 或非门

    10.4.3 与或非门

    10.4.4 异或门

    10.4.5 同或门

    10.5 集成门电路

    10.5.1 TTL集成门电路

    10.5.2 CMOS集成门电路

    第11章 数制、编码与逻辑代数11.1 数制

    11.1.1 十进制数

    11.1.2 二进制数

    11.1.3 十六进制数

    11.1.4 数制转换

    11.2 编码

    11.2.1 8421BCD码、2421BCD码和5421BCD码

    11.2.2 余3码

    11.2.3 格雷码

    11.2.4 奇偶校验码

    11.3 逻辑代数

    11.3.1 逻辑代数的常量和变量

    11.3.2 逻辑代数的基本运算规律

    11.3.3 逻辑表达式的化简

    11.3.4 逻辑表达式、逻辑电路和真值表相互转换

    11.3.5 逻辑代数在逻辑电路中的应用

    第12章 组合逻辑电路

    12.1 组合逻辑电路分析与设计

    12.1.1 组合逻辑电路的分析

    12.1.2 组合逻辑电路的设计

    12.2 编码器

    12.2.1 普通编码器

    12.2.2 优先编码器

    12.3 译码器

    12.3.1 二进制译码器

    12.3.2 二-十进制译码器

    12.3.3 数码显示器与显示译码器12.4 数码管译码控制器的电路原理与实验

    12.4.1 电路原理

    12.4.2 实验操作

    12.5 加法器

    12.5.1 半加器

    12.5.2 全加器

    12.5.3 多位加法器

    12.6 数值比较器

    12.6.1 等值比较器

    12.6.2 数值比较器

    12.7 数据选择器

    12.7.1 结构与原理

    12.7.2 常用数据选择器芯片

    12.8 奇偶校验原理及奇偶校验器

    12.8.1 奇偶校验原理

    12.8.2 奇偶校验器

    第13章 时序逻辑电路

    13.1 触发器

    13.1.1 基本RS触发器

    13.1.2 同步RS触发器

    13.1.3 D触发器

    13.1.4 JK触发器

    13.1.5 T触发器

    13.1.6 主从触发器和边沿触发器

    13.2 寄存器与移位寄存器

    13.2.1 寄存器

    13.2.2 移位寄存器13.3 计数器

    13.3.1 二进制计数器

    13.3.2 十进制计数器

    13.3.3 任意进制计数器

    13.3.4 常用计数器芯片

    13.4 电子密码控制器的电路原理与实验

    13.4.1 电路原理

    13.4.2 实验操作

    第14章 脉冲电路

    14.1 脉冲电路基础

    14.1.1 脉冲的基础知识

    14.1.2 RC电路

    14.2 脉冲产生电路

    14.2.1 多谐振荡器

    14.2.2 锯齿波发生器

    14.3 脉冲整形电路

    14.3.1 单稳态触发器

    14.3.2 施密特触发器

    14.3.3 限幅电路

    14.4 555定时器

    14.4.1 结构与原理

    14.4.2 应用

    14.5 电子催眠器的电路原理与实验

    14.5.1 电子催眠原理

    14.5.2 电路原理

    14.5.3 实验操作及分析

    第15章 DA转换器和AD转换器15.1 概述

    15.2 DA转换器相关知识

    15.2.1 DA转换原理

    15.2.2 DA转换器

    15.2.3 DA转换器芯片DAC0832

    15.3 AD转换器相关知识

    15.3.1 AD转换原理

    15.3.2 AD转换器

    15.3.3 AD转换器芯片ADC0809

    第16章 半导体存储器

    16.1 顺序存储器

    16.1.1 动态移存单元

    16.1.2 动态移存器

    16.1.3 常见顺序存储器

    16.2 随机存储器

    16.2.1 随机存储器的结构与原理

    16.2.2 存储单元

    16.2.3 存储器容量的扩展

    16.3 只读存储器

    16.3.1 固定只读存储器(ROM)

    16.3.2 可编程只读存储器(PROM)

    16.3.3 可改写只读存储器(EPROM)

    16.3.4 电可改写只读存储器(EEPROM)

    版权电子工程师自学速成——提高篇

    蔡杏山 主编

    人民邮电出版社

    北京前言

    “电子技术无处不在”，小到身边的随身听，大到“神舟飞船”，无一

    不闪现着电子技术的身影。电子技术应用于社会的众多领域，根据应用

    领域的不同，电子技术可分为家庭消费电子技术(如电视机)、通信电

    子技术(如移动电话)、工业电子技术(如变频器)、机械电子技术

    (如智能机器人控制系统)、医疗电子技术(如 B 超机)、汽车电子技

    术(如汽车电气控制系统)、消费数码电子技术(如数码相机)和军事

    科技电子技术(如导弹制导系统)等。

    电子工程师是指从事各类电子产品和信息系统研究、教学、产品设

    计、科技开发、生产和管理等工作的高级工程技术人才。电子工程师一

    般分为硬件电子工程师和软件电子工程师，其中硬件电子工程师主要负

    责运用各种电子工具进行电子产品的装配、测试和维修等工作，其工作

    是技术与手动操作的结合；软件电子工程师主要负责分析、设计电路

    图，制作印制电路板(PCB)，以及对嵌入式系统(如单片机)进行编

    程等工作。

    为了让读者能够轻松快速地进入电子工程师行列，我们推出了“电

    子工程师自学速成”丛书，该丛书分为“入门篇”、“提高篇”和“设计篇”共

    3本，各书内容说明如下。

    《电子工程师自学速成——入门篇》的内容包括电子技术入门基

    础、电子元器件(电阻器、电容器、电感器、变压器、二极管、三极

    管、光电器件、电声器件、晶闸管、场效应管、IGBT、继电器、干簧

    管、显示器件、贴片元器件、集成电路和传感器)、基础电子电路、收音机与电子产品的检修、电子测量基础、指针万用表、数字万用表、信

    号发生器、毫伏表、示波器、频率计和扫频仪等。

    《电子工程师自学速成—提高篇》的内容包括模拟电路和数字电路

    两大部分，其中模拟电路部分的内容有电路分析基础、放大电路、放大

    器、谐振电路、滤波电路、振荡器、调制电路、解调电路、变频电路、反馈控制电路、电源电路和晶闸管电路，数字电路部分的内容有数字电

    路基础、门电路、数制、编码、逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电

    路、脉冲电路、DA转换器、AD转换器和半导体存储器。

    《电子工程师自学速成—设计篇》的内容包括单片机技术和Protel

    电路绘图设计两大部分，其中单片机技术部分的内容有单片机入门、单

    片机硬件原理、单片机的开发过程、单片机编程、中断技术、定时器

    计数器、串行通信技术和接口技术，Protel电路绘图设计部分的内容有

    Protel软件入门、设计电路原理图、制作新元件、手工设计PCB、自动

    设计PCB和制作新元件封装。

    “电子工程师自学速成”丛书主要有以下特点。

    ◆ 基础起点低。读者只需具有初中文化程度即可阅读本套丛书。

    ◆ 语言通俗易懂。书中少用专业化的术语，遇到较难理解的内容

    用形象的比喻说明，尽量避免复杂的理论分析和烦琐的公式推导，使得

    图书阅读起来十分顺畅。

    ◆ 内容解说详细。考虑到自学时一般无人指导，因此在本套丛书

    编写过程中对书中的知识和技能进行了详细解说，让读者能轻松理解所

    学内容。

    ◆ 采用图文并茂的表现方式。书中大量采用读者喜欢的直观形象

    的图表方式表现内容，使阅读变得非常轻松，不易产生阅读疲劳。

    ◆ 内容安排符合认知规律。图书按照循序渐进、由浅入深的原则

    来确定各章节内容的先后顺序，读者只需从前往后阅读图书，便会水到

    渠成。◆ 突出显示知识要点。为了帮助读者掌握书中的知识要点，书中

    用阴影和文字加粗的方法突出显示知识要点，指示学习重点。

    ◆ 网络免费辅导。读者在阅读时遇到难理解的问题可登录易天教

    学网：www.eTV100.com，观看有关辅导材料或向老师提问进行学习，读者也可以在该网站了解本套丛书的新书信息。

    本套丛书在编写过程中得到了许多老师的支持，其中，蔡玉山、詹

    春华、黄勇、何慧、黄晓玲、蔡春霞、邓艳姣、刘凌云、刘海峰、刘元

    能、邵永亮、万四香、何宗昌、朱球辉、何彬、李清荣、蔡理刚、何

    丽、蔡华山、梁云、蔡理峰、唐颖、王娟、蔡任英和邵永明等参与了书

    中资料的收集和部分章节的编写工作，在此一致表示感谢。由于我们水

    平有限，书中的错误和疏漏在所难免，望广大读者和同仁予以批评指

    正。

    编者第1章 电路分析基础1.1 电路分析的基本方法与规律

    学好电子电路的关键是学会分析电路，而分析电路前先要掌握一些

    与电路分析有关的基本定律和方法。1.1.1 欧姆定律

    欧姆定律是电子技术中的一个最基本的定律，它反映了电路中电

    阻、电流和电压之间的关系。欧姆定律分为部分电路欧姆定律和全电路

    欧姆定律。

    1.部分电路欧姆定律

    部分电路欧姆定律的内容是：在电路中，流过导体的电流I的大小

    与导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比，即

    也可以表示为U＝IR或R＝ 。

    为了让大家更好地理解欧姆定律，下面以图1-1为例来说明。

    图1-1 欧姆定律的几种形式

    如图 1-1 ( a )所示，已知电阻 R＝10?，电阻两端电压 UAB=5V

    ，那么流过电阻的电流 。

    又如图1-1(b)所示，已知电阻R=5?，流过电阻的电流I=2A，那

    么电阻两端的电压UAB=I·R=(2×5)V=10V。

    在图1-1(c)所示电路中，流过电阻的电流I=2A，电阻两端的电压

    UAB=12V，那么电阻的大小 。

    下面再来说明欧姆定律在实际电路中的应用，如图 1-2所示。图1-2 部分电路欧姆定律应用说明图

    在图1-2所示电路中，电源的电动势E=12V，A、D之间的电压UAD

    与电动势E相等，3个电阻器R1、R2、R3串接起来，可以相当于一个电

    阻器 R，R=R1+R2+R3=(2+7+3)Ω=12Ω。知道了电阻的大小和电阻器

    两端的电压，就可以求出流过电阻器的电流I

    求出了流过R1、R2、R3的电流I，并且它们的电阻大小已知，就可

    以求R1、R2、R3两端的电压UR1( UR1实际就是A、B两点之间的电压

    UAB)、UR2(实际就是UBC)和UR3(实际就是UCD)，即

    从上面可以看出UR1+UR2+UR3=UAB+UBC+UCD=UAD=12V

    在图1-2所示电路中如何求B点电压呢？首先要明白，求某点电压指

    的就是求该点与地之间的电压，所以B点电压UB实际就是电压UBD。求

    UB有以下两种方法。

    方法一：UB=UBD=UBC+UCD=UR2+UR3=(7+3)V=10V

    方法二：UB=UBD=UAD?UAB=UAD?UR1=(12?2)V=10V2.全电路欧姆定律

    全电路是指含有电源和负载的闭合回路。全电路欧姆定律又称闭合

    电路欧姆定律，其内容是：闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的内、外电阻之和成反比，即

    全电路欧姆定律应用如图1-3所示。

    图1-3 全电路欧姆定律应用说明图

    图1-3中点画线框内为电源，R0表示电源的内阻，E表示电源的电动

    势。当开关S闭合后，电路中有电流I流过，根据全电路欧姆定律可求得。电源输出电压(也即电阻R两端的电压)U

    ＝IR＝1×10V＝10V，内阻R0两端的电压U0＝IR0＝1×2V＝2V。如果将

    开关S断开，电路中的电流I＝0A，那么内阻R0上消耗的电压U0=0V，电

    源输出电压U与电源电动势相等，即U=E=12V。

    由全电路欧姆定律不难看出以下几点。

    ① 在电源未接负载时，不管电源内阻多大，内阻消耗的电压始终

    为 0V，电源两端电压与电动势相等。

    ② 当电源与负载构成闭合回路后，由于有电流流过内阻，内阻会

    消耗电压，从而使电源输出电压降低。内阻越大，内阻消耗的电压越

    大，电源输出电压越低。③ 在电源内阻不变的情况下，外阻越小，电路中的电流越大，内

    阻消耗的电压也越大，电源输出电压会降低。

    由于正常电源的内阻很小，内阻消耗的电压很低，故一般情况下可

    认为电源的输出电压与电源电动势相等。

    利用全电路欧姆定律可以解释很多现象。比如旧电池两端电压与正

    常电压相同，但将旧电池与电路连接后除了输出电流很小外，电池的输

    出电压也会急剧下降，这是旧电池内阻变大的缘故；又如将电源正、负

    极直接短路时，电源会发热甚至烧坏，这是因为短路时流过电源内阻的

    电流很大，内阻消耗的电压与电源电动势相等，大量的电能在电源内阻

    上消耗并转换成热能，故电源会发热。1.1.2 电功、电功率和焦耳定律

    1.电功

    电流流过灯泡，灯泡会发光；电流流过电炉丝，电炉丝会发热；电

    流流过电动机，电动机会运转。由此可以看出，电流流过一些用电设备

    时是会做功的，电流做的功称为电功。用电设备做功的大小不但与加到

    用电设备两端的电压及流过的电流有关，还与通电时间长短有关。电功

    可用下面的公式计算

    式中，W表示电功，单位是焦(J)；U表示电压，单位是伏

    (V)；I表示电流，单位是安(A)；t表示时间，单位是秒(s)。

    电功的单位是焦(J)，在电学中还常用到另一个单位千瓦时

    (kW·h)，也称度。1kW·h=1度。千瓦时与焦的换算关系是：

    1kW·h可以这样理解：一个电功率为100W的灯泡连续使用10h，消

    耗的电功为1kW·h(即消耗1度电)。

    2.电功率

    电流需要通过一些用电设备才能做功。为了衡量这些设备做功能力

    的大小，引入一个电功率的概念。电流单位时间做的功称为电功率。电

    功率常用P表示，单位是瓦(W)，此外还有千瓦(kW)和毫瓦

    (mW)等，它们之间的换算关系是

    电功率的计算公式是

    根据欧姆定律可知U=I·R，I=UR，所以电功率还可以用公式P=I

    2·R

    和P=U2R来求。

    下面以图1-4 所示电路为例来说明电功率的计算方法。图1-4 电功率的计算说明图

    在图 1-4 所示电路中，白炽灯两端的电压为 220V(它与电源的电

    动势相等)，流过白炽灯的电流为0.5A，求白炽灯的功率、电阻和白炽

    灯在10s所做的功。

    白炽灯的功率

    白炽灯的电阻

    白炽灯在10s做的功

    3.焦耳定律

    电流流过导体时导体会发热，这种现象称为电流的热效应。电热

    锅、电饭煲和电热水器等都是利用电流的热效应来工作的。

    英国物理学家焦耳通过实验发现：电流流过导体，导体发出的热量

    与导体流过的电流、导体的电阻和通电的时间有关。这个关系用公式表

    示就是

    式中，Q表示热量，单位是焦(J)；R表示电阻，单位是欧

    (Ω)；t表示时间，单位是秒(s)。

    焦耳定律说明：电流流过导体产生的热量，与电流的平方及导体的

    电阻成正比，与通电时间也成正比。由于这个定律除了由焦耳发现外，俄国科学家楞次也通过实验独立发现，故该定律又称焦耳-楞次定律。举例：某台电动机额定电压是220V，线圈的电阻为0.4Ω，当电动

    机接220V的电压时，流过的电流是3A，求电动机的功率和线圈每秒发

    出的热量。

    电动机的功率是

    电动机线圈每秒发出的热量1.1.3 电阻的串联、并联与混联

    电阻的连接有串联、并联和混联3种方式。

    1.电阻的串联

    两个或两个以上的电阻头尾相连串接在电路中，称为电阻的串联，如图1-5所示。

    图1-5 电阻的串联

    电阻串联电路的特点有以下几点。

    ① 流过各串联电阻的电流相等，都为I。

    ② 电阻串联后的总电阻 R 增大，总电阻等于各串联电阻之和，即

    ③ 总电压U等于各串联电阻上电压之和，即

    ④ 串联电阻越大，两端电压越高，因为R1
    在图1-5所示电路中，两个串联电阻上的总电压U等于电源电动势，即U=E=6V；电阻串联后总电阻R=R1+R2=12Ω；流过各电阻的电流；电阻R1上的电压UR1=I·R1=(0.5×5)V=2.5V，电阻R2上的电压UR2=I·R2=(0.5×7)V=3.5V。2.电阻的并联

    两个或两个以上的电阻头尾相并接在电路中，称为电阻的并联，如

    图1-6所示。

    图1-6 电阻的并联

    电阻并联电路的特点有以下几点。

    ① 并联的电阻两端的电压相等，即

    ② 总电流等于流过各个并联电阻的电流之和，即

    ③ 电阻并联总电阻减小，总电阻的倒数等于各并联电阻的倒数之

    和，即

    该式可变形为

    ④ 在并联电路中，电阻越小，流过的电流越大，因为 R1
    流过 R1的电流 I1大于流过R2的电流I2。

    在图1-6所示电路中，并联的电阻R1、R2两端的电压相等，UR1=UR2=U=6V；流过R1的电流 ，流过R2的电流

    ，总电流I=I1+I2=(1+0.5)A=1.5A；R1、R2并联

    总电阻为

    3.电阻的混联

    一个电路中的电阻既有串联又有并联时，称为电阻的混联，如图1-

    7所示。

    图1-7 电阻的混联

    对于电阻混联电路，总电阻可以这样求：先求并联电阻的总电阻，然后再求串联电阻与并联电阻的总电阻之和。在图1-7所示电路中，并

    联电阻R3、R4的总电阻为

    电路的总电阻为

    读者如果有兴趣，可求图1-7所示电路中总电流I，R1两端电压

    UR1，R2两端电压UR2，R3两端电压UR3和流过R3、R4的电流I3、I4的大小。1.2 复杂电路的分析方法与规律

    1.2.1 基本概念

    在分析简单电路时，一般应用欧姆定律和电阻的串、并联规律，但

    用它们来分析复杂电路就比较困难。这里的简单电路通常是指只有一个

    电源的电路，而复杂电路通常是指有两个或两个以上电源的电路。对于

    复杂电路，常用基尔霍夫定律、叠加定理和戴维南定理进行分析。在了

    解这些定律和定理之前先来说明几个基本概念。

    1.支路

    支路是指由一个或几个元器件首尾相接构成的一段无分支的电路。

    在同一支路内，流过所有元器件的电流相等。图1-8所示电路有3条支

    路，即BAFE支路、BE支路和BCDE支路。其中BAFE支路和 BCDE 支

    路中都含有电源，这种含有电源的支路称为有源支路。BE 支路没有电

    源，称为无源支路。

    2.节点

    3条或3条以上支路的连接点称为节点。图1-8所示电路中的B点和E

    点都是节点。

    图1-8 一种复杂电路

    3.回路电路中任意一个闭合的路径称为回路。图1-8所示电路中的

    ABEFA、BCDEB、ABCDEFA都是回路。

    4.网孔

    内部不含支路的回路称为网孔。图1-8所示电路中的ABEFA、BCDEB回路是网孔，ABCDEFA就不是网孔，因为它含有支路BE。1.2.2 基尔霍夫定律

    基尔霍夫定律又可分为基尔霍夫第一定律(又称基尔霍夫电流定

    律)和基尔霍夫第二定律(又称基尔霍夫电压定律)。

    1.基尔霍夫第一定律(电流定律)

    基尔霍夫第一定律指出，在电路中，流入任意一个节点的电流之和

    等于流出该节点的电流之和。下面以图1-9所示的电路为例来说明该定

    律。

    图1-9 节点电流示意图

    在图1-9所示电路中，流入A点的电流有3个，即I1、I2、I3；从A点

    流出的电流有两个，即I4、I5。由基尔霍夫第一定律可得

    又可表示为

    这里的“Σ”表示求和，可读作“西格马”。

    如果规定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负，那么基尔霍

    夫第一定律也可以这样叙述：在电路中任意一个节点上，电流的代数和

    等于0A，即

    也可以表示成基尔霍夫第一定律不但适合于电路中的节点，对一个封闭面也是适

    用的。如图1-10所示，图1-10(a)所示示意图中流入三极管的电流Ib、Ic与流出的电流Ie有以下关系

    在图1-10(b)所示电路中，流入三角形负载的电流I1与流出的电流

    I2、I3有以下关系图1-10 封闭面电流示意图

    2.基尔霍夫第二定律(电压定律)

    基尔霍夫第二定律指出，电路中任一回路内各段电压的代数和等于

    0V，即

    在应用基尔霍夫第二定律分析电路时，需要先规定回路的绕行方

    向。当流过回路中某元件的电流方向与绕行方向一致时，该元件两端的

    电压取正，反之取负；电源的电动势方向(电源的电动势方向始终是由

    负极指向正极)与绕行方向一致时，电源的电动势取负，反之取正。下

    面以图1-11所示的电路为例来说明这个定律。图1-11 基尔霍夫第二定律说明图

    先来分析图1-11所示电路中的BCDFB回路的电压关系。首先在这个

    回路中画一个绕行方向，流过R2的电流I2和流过R3的电流I3与绕行方向

    一致，故I2·R2(即U2)和I3·R3(即U3)都取正；电源E2的电动势方向

    与绕行方向一致，电源E2的电动势取负。根据基尔霍夫第二定律可得出

    再来分析图1-11所示电路中的ABFHA回路的电压关系。先在

    ABFHA回路中画一个绕行方向，流过R1的电流I1方向与绕行方向相同，I1·R1取正；流过R2的电流I2方向与绕行方向相反，I2·R2取负；电源E2的

    电动势方向(负极指向正极)与绕行方向相反，E2的电动势取正；电源

    E1的电动势方向与绕行方向相同，E1的电动势取负。根据基尔霍夫第二定律可得出

    3.基尔霍夫定律的应用——支路电流法

    对于复杂电路的计算常常要用到基尔霍夫第一、第二定律，并且这

    两个定律经常同时使用，下面介绍应用这两个定律计算复杂电路的一种

    方法——支路电流法。

    支路电流法使用时的一般步骤如下。

    ① 在电路上标出各支路电流的方向，并画出各回路的绕行方向。

    ② 根据基尔霍夫第一、第二定律列出方程组。

    ③ 解方程组求出未知量。

    下面再举例说明支路电流法的应用。

    图1-12所示为汽车照明电路，其中E1为汽车发电机的电动势，E1=14V；R1为发电机的内阻， R1=0.5Ω；E2为蓄电池的电动势，E2=12V；R2为蓄电池的内阻，R2=0.2Ω，照明灯电阻R=4Ω。求各支路

    电流I1、I2、I和加在照明灯上的电压UR。

    解题过程如下。

    第1步：在电路中标出各支路电流I1、I2、I的方向，并画出各回路

    的绕行方向。

    第2步：根据基尔霍夫第一、第二定律列出方程组。

    节点B的电流关系为

    回路ABEFA的电压关系为

    回路BCDEB的电压关系为图1-12 汽车照明电路

    第3步：解方程组。

    将E1=14V、R1=0.5Ω、E2=12V、R2=0.2Ω代入上面3个式子中，再

    解方程组可得

    上面的I2为负值，表明电流I2实际方向与标注方向相反，即电流I2实

    际是流进蓄电池的，这说明发电机在为照明灯供电的同时还对蓄电池进

    行充电。1.2.3 叠加定理

    对于一个元件，如果它两端的电压与流过的电流成正比，这种元件

    就被称为线性元件。线性电路是由线性元件组成的电路。电阻就是一种

    最常见的线性元件。叠加定理是反映线性电路基本性质的一个重要定

    理。

    叠加定理的内容是：在线性电路中，任一支路中的电流(或电压)

    等于各个电源单独作用在此支路中所产生的电流(或电压)的代数和。

    下面以求图 1-13(a)所示电路中各支路电流 I1、I2、I 的大小为例

    来说明叠加定理的应用，图中的E1=14V，R1=0.5Ω，E2=12V，R2=0.2Ω，R=4Ω。

    解题过程如下。

    第1步：在图1-13(a)所示电路中标出各支路电流的方向。

    第2步：画出只有一个电源E1作用时的电路，把另一个电源当作短

    路，并标出这个电路各支路的电流方向，如图1-13(b)所示；再分别

    求出该电路各支路的电流大小。

    第3步：画出只有电源E2作用时的电路，把电源E1当作短路，并在

    这个电路中标出各支路电流的方向，如图1-13(c)所示，再分别求出

    该电路各支路的电流大小。图1-13 利用叠加定理求支路电流

    第4步：将每一支路的电流或电压分别进行叠加。凡是与图1-

    13(a)所示的电路中假定的电流(或电压)方向相同的为正，反之为

    负。这样可以求出各支路的电流分别是1.2.4 戴维南定理

    对于一个复杂电路，如果需要求多条支路的电流大小，可以应用基

    尔霍夫定律或叠加定理。如果仅需要求一条支路中的电流大小，则应用

    戴维南定理更为方便。

    在介绍戴维南定理之前，先来说明一下二端网络。任何具有两个出

    线端的电路都可以称为二端网络。包含有电源的二端网络称为有源二端

    网络，否则就称为无源二端网络。图1-14(a)所示电路就是一个有源

    二端网络，通常可以将它画成图1-14(b)所示的形式。

    戴维南定理的内容是：任何一个有源二端网络都可以用一个等效电

    源电动势 E0和内阻 R0串联起来的电路来代替。根据该定理可以将图1-

    14(a)所示的电路简化成图1-14(c)所示的电路。

    图1-14 有源二端网络

    那么等效电源电动势E0和内阻R0如何确定呢？戴维南定理还指出：

    等效电源电动势E0是该有源二端网络开路时的端电压；内阻R0是指从两

    个端点向有源二端网络内看进去，并将电源均当成短路时的等效电阻。

    下面以图1-15(a)所示的电路为例来说明戴维南定理的应用。在

    图1-15(a)所示的电路中， E1=14V，R1=0.5Ω，E2=12V，R2=0.2Ω，R=4Ω，求流过电阻R的电流I的大小。

    解题过程如下。第1步：将电路分成待求支路和有源二端网络，如图1-15(a)所

    示。

    第2步：假定待求支路断开，求出有源二端网络开路的端电压，此

    即为等效电源电动势E0，如图1-15(b)所示，即

    第3步：假定有源二端网络内部的电源都短路，求出内部电阻，此

    即为内阻值R0，如图1-15(c)所示，即

    第4步：画出图1-15(a)所示电路的戴维南等效电路，如图1-

    15(d)所示，再求出待求支路电流的大小，即图1-15 用戴维南定理求支路电流1.2.5 最大功率传输定理与阻抗变换

    1.最大功率传输定理

    在电路中，往往希望负载能从电源中获得最大的功率，怎样才能做

    到这一点呢？如图1-16所示， E为电源，R为电源的内阻，RL为负载电

    阻，I为流过负载RL的电流，U为负载两端的电压。

    负载RL获得的功率P=UI，当增大RL的阻值时，电压U会增大，但电

    流I会减小；如果减小RL的阻值，虽然电流I会增大，但电压U会减小。

    什么情况下功率P的值最大呢？最大功率传输定理的内容是：负载要从

    电源获得最大功率的条件是负载的电阻(阻抗)与电源的内阻相等。负

    载的电阻与电源的内阻相等又称两者阻抗匹配。在图1-16所示电路中，负载RL要从电源获得最大功率的条件是RL=R，此时RL得到的最大功率

    是 。

    图1-16 简单电路功率传输定理说明图

    如果有多个电源向一个负载供电，如图1-17所示，负载RL怎样才能

    获得最大功率呢？这时就要先用戴维南定理求出该电路的等效内阻R0和

    等效电动势E0，只要RL=R0，负载就可以获得最大功率 。图1-17 复杂电路功率传输定理说明图

    2.阻抗变换

    当负载的阻抗与电源的内阻相等时，负载才能从电源中获得最大功

    率，但很多电路的负载阻抗与电源的内阻并不相等，这种情况下怎么才

    仍能让负载获得最大功率呢？解决方法是进行阻抗变换，阻抗变换通常

    采用变压器。下面以图1-18所示电路为例来说明变压器的阻抗变换原

    理。

    图1-18 变压器的阻抗变换原理说明图

    在图1-18(a)所示电路中，要使负载从电源中获得最大功率，需

    让负载的阻抗Z与电源(这里为信号源)内阻 R0大小相等，即 Z=R0。

    这里的负载可以是一个元件，也可以是一个电路，它的阻抗可以用

    表示。

    现假设负载是图1-18(b)所示点画线框内由变压器和电阻组成的电路，该负载的阻抗 ，变压器的匝数比为n，电阻的阻抗为ZL，根

    据变压器改变电压的规律 可得到下式，即

    从上式可以看出，变压器与电阻组成电路的总阻抗Z是电阻阻抗ZL

    的n2倍，即Z=n2 ZL。如果让总阻抗Z等于电源的内阻R0，变压器和电阻

    组成的电路就能从电源获得最大功率，又因为变压器不消耗功率，所以

    功率全传送给真正的负载(电阻)，达到功率最大程度传送的目的。由

    此可以看出：通过变压器的阻抗变换作用，真正负载的阻抗不需与电源

    内阻相等，同样能实现功率最大传输。

    下面举例来说明变压器阻抗变换的应用。如图 1-19 所示，音频信

    号源内阻R0=72Ω，而扬声器的阻抗ZL=8Ω，如果将两者按图 1-19(a)

    所示的方法直接连接起来，扬声器将无法获得最大功率，这时可以在它

    们之间加一个变压器T1，如图1-19(b)所示。至于选择匝数比n为多少

    的变压器，可用R0= 来计算，结果可得到n=3。也就是说，只要在两

    者之间接一个n=3的变压器，扬声器就可以从音频信号源获得最大功

    率，从而发出最大的声音。图1-19 变压器阻抗变换举例第2章 放大电路2.1 基本放大电路

    三极管是一种具有放大功能的电子器件，但单独的三极管是无法放

    大信号的，只有给三极管提供电压，让它导通才具有放大能力。为三极

    管提供导通所需的电压，使三极管具有放大能力的简单放大电路通常称

    为基本放大电路，又称偏置放大电路。常见的基本放大电路有固定偏置

    放大电路和分压式偏置放大电路。2.1.1 固定偏置放大电路

    固定偏置放大电路是一种最简单的放大电路。固定偏置放大电路如

    图2-1所示。图2-1 固定偏置放大电路

    图2-1(a)所示为NPN型三极管构成的固定偏置放大电路，图2-

    1(b)所示是由PNP型三极管构成的固定偏置放大电路。它们都由三极

    管VT和电阻Rb、Rc组成，Rb称为偏置电阻，Rc称为负载电阻。接通电

    源后，有电流流过三极管VT，VT就会导通而具有放大能力。下面来分

    析图2-1(a)所示的NPN型三极管构成的固定偏置放大电路。

    1.电流关系

    接通电源后，从电源VCC正极流出电流，分作两路：一路电流经电

    阻Rb流入三极管VT基极，再通过VT内部的发射结从发射极流出；另一

    路电流经电阻Rc流入VT的集电极，再通过VT内部从发射极流出；两路

    电流从VT的发射极流出后汇合成一路电流，再流到电源的负极。

    三极管3个极分别有电流流过，其中流经基极的电流称为电流Ib，流经集电极的电流称为电流Ic，流经发射极的电流称为电流Ie。电流Ib、Ic、Ie的关系为

    Ic=Ib·β(β为三极管VT的放大倍数)

    2.电压关系接通电源后，电源为三极管各极提供电压，电源正极电压经 Rc降

    压后为 VT 提供集电极电压Uc，电源经Rb降压后为VT提供基极电压

    Ub，电源负极电压直接加到VT的发射极，发射极电压为Ue。电路中Rb

    阻值较Rc的阻值大很多，所以处于放大状态的NPN型三极管的3个极的

    电压关系为

    3.三极管内部两个PN结的状态

    图2-1(a)中的三极管VT为NPN型三极管，它内部有两个PN结，集电极和基极之间有一个PN结，称为集电结；发射极和基极之间有一

    个PN结，称为发射结。因为VT的3个极的电压关系是Uc>Ub>Ue，所以

    VT内部两个PN结的状态是：发射结正偏(PN结可相当于一个二极管，P极电压高于N极电压时称为PN结电压正偏)，集电结反偏。

    综上所述，三极管处于放大状态时具有的特点如下。

    ① Ib+Ic=Ie，Ic=Ib·β。

    ② Uc>Ub>Ue(NPN型三极管)。

    ③ 发射结正偏导通，集电结反偏。

    4.静态工作点的计算

    在图2-1(a)所示电路中，三极管VT的Ib(基极电流)、Ic(集电

    极电流)和Uce(集电极和发射极之间的电压，Uce=Uc?Ue)称为静态工

    作点。

    三极管VT的静态工作点计算方法如下

    (三极管处于放大状态时Ube值为定值，硅管一般取

    Ube=0.7V，锗管取Ube=0.3V)

    举例：在图2-1(a)所示电路中，VCC=12V，Rb=300kΩ，Rc=4kΩ，β=50，求放大电路的静态工作点Ib、Ic、Uce。

    静态工作点计算过程如下

    以上分析的是NPN型三极管固定偏置放大电路，读者可根据上面的

    方法来分析图2-1(b)所示电路中的PNP型三极管固定偏置放大电路。

    固定偏置放大电路结构简单，但当三极管温度上升引起静态工作点

    发生变化时(如环境温度上升，三极管内的半导体材料导电能力增强，会使电流Ib、Ic增大)，电路无法使静态工作点恢复正常，从而会导致

    三极管工作不稳定，所以固定偏置放大电路一般用在要求不高的电子设

    备中。2.1.2 分压式偏置放大电路

    分压式偏置放大电路是一种应用最为广泛的放大电路，这主要是因

    为它能有效克服固定偏置放大电路无法稳定静态工作点的缺点。分压式

    偏置放大电路如图2-2所示，该电路为NPN型三极管构成的分压式偏置

    放大电路。R1为上偏置电阻，R2为下偏置电阻，R3为负载电阻，R4为发

    射极电阻。

    图2-2 分压式偏置放大电路

    1.电流关系

    接通电源后，电路中有电流 I1、I2、Ib、Ic、Ie产生，各电流的流向

    如图2-2所示。不难看出，这些电流有以下关系

    2.电压关系

    接通电源后，电源为三极管各个极提供电压，+VCC电源经 R3降压

    后为VT提供集电极电压Uc，+VCC经R1、R2分压为VT提供基极电压Ub，电流Ie在流经R4时，在R4上得到电压UR4，UR4大小与VT的发射极电压Ue相等。图中的三极管VT处于放大状态，Uc、Ub、Ue3个电压满足以下

    关系

    3.三极管内部两个PN结的状态

    由于Uc>Ub>Ue，其中Uc>Ub使VT的集电结处于反偏状态，Ub>Ue使

    VT的发射结处于正偏状态。

    4.静态工作点的计算

    在电路中，三极管VT的电流Ib远小于电流I1，基极电压Ub基本由

    R1、R2分压来确定，即

    由于Ube=Ub?Ue=0.7V，所以三极管VT的发射极电压为

    三极管VT的集电极电压为

    举例：在图 2-2 所示电路中，VCC=18V，R1=39kΩ，R2=10kΩ，R3=3kΩ，R4=2kΩ，β=50，求放大电路的Ub、Uc、Ue和静态工作点Ib、Ic、Uce。

    计算过程如下

    5.静态工作点的稳定与固定偏置放大电路相比，分压式偏置放大电路最大的优点是具有

    稳定静态工作点的功能。分压式偏置放大电路静态工作点稳定过程分析

    如下。

    当环境温度上升时，三极管内部的半导体材料导电性增强，VT 的

    电流 Ib、Ic增大→流过 R4的电流Ie增大(Ie=Ib+Ic，电流Ib、Ic增大，Ie就

    增大)→R4两端的电压UR4增大(UR4=Ie?R4，R4不变， Ie增大，UR4也

    就增大)→VT的发射极电压Ue上升(Ue=UR4)→VT的发射结两端的电

    压Ube下降(Ube=Ub?Ue，Ub基本不变，Ue上升，Ube下降)→Ib减小→Ic

    也减小(Ic=Ib?β，β不变，Ib减小，Ic也减小)→Ib、Ic减小到正常值，从

    而稳定了三极管的电流Ib、Ic。2.1.3 交流放大电路

    偏置放大电路具有放大能力，若给偏置放大电路输入交流信号，它

    就可以对交流信号进行放大，再输出幅度大的交流信号。为了使偏置放

    大电路以较好的效果放大交流信号，并能与其他电路很好连接，通常要

    给偏置放大电路增加一些耦合、隔离和旁路元件，这样的电路常称为交

    流放大电路。图2-3所示就是一种典型的交流放大电路。

    图2-3 一种典型的交流放大电路

    1.元器件说明

    图中的电阻R1、R2、R3、R4与三极管VT构成分压式偏置放大电

    路。C1、C3称为耦合电容，C1、C3容量较大，对交流信号阻碍很小，交

    流信号很容易通过C1、C3，C1用来将输入端的交流信号传送到VT的基

    极，C3用来将VT集电极输出的交流信号传送给负载RL，C1、C3除了传

    送交流信号外，还起隔直作用，所以VT基极直流电压无法通过C1到输

    入端，VT集电极直流电压无法通过C3到负载RL。C2称为交流旁路电

    容，可以提高放大电路的放大能力。

    2.直流工作条件因为三极管只有在满足了直流工作条件时才具有放大能力，所以分

    析一个放大电路是否具有放大能力先要分析它能否为三极管提供直流工

    作条件。

    三极管要工作在放大状态，需满足的直流工作条件主要有：有完整

    的电流Ib、Ic、Ie途径；能提供电压 Uc、Ub、Ue；发射结正偏导通，集

    电结反偏。这 3 个条件具备了三极管才具有放大能力。一般情况下，如

    果三极管电流 Ib、Ic、Ie在电路中有完整的途径就可认为它具有放大能

    力，因此以后在分析三极管的直流工作条件时，一般分析三极管的电流

    Ib、Ic、Ie途径就可以了。

    VT的电流Ib的途径是：电源VCC正极→电阻R1→VT的基极→VT的

    发射极；

    VT的电流Ic的途径是：电源VCC正极→电阻R3→VT的集电极→VT

    的发射极；

    VT的电流Ie的途径是：VT的发射极→R4→地→电源VCC负极。

    电流Ib、Ic、Ie途径也可用如下流程图表示：

    从上面的分析可知，三极管VT的电流Ib、Ic、Ie在电路中有完整的

    途径，所以VT具有放大能力。试想一下，如果R1或R3开路，三极管VT

    有无放大能力，为什么？

    3.交流信号处理过程

    满足了直流工作条件后，三极管具有了放大能力，就可以放大交流

    信号。图 2-3 所示电路中的Ui

    为小幅度的交流信号电压，它通过电容C1

    加到三极管VT的基极。

    当交流信号电压 Ui

    为正半周时，Ui

    极性为上正下负，上正电压经

    C1送到 VT 的基极，与基极的直流电压(VCC经R1提供)叠加，使基极电压上升，VT的电流Ib增大，电流Ic也增大，流过R3的电流Ic增大，R3

    上的电压UR3也增大(UR3=IcR3，因Ic增大，故UR3增大)，VT集电极电

    压Uc下降(Uc=VCC?UR3，UR3增大，故 Uc下降)，该下降的电压即为

    放大输出的信号电压，但信号电压被倒相180°，变成负半周信号电压。

    当交流信号电压 Ui

    为负半周时，Ui

    极性为上负下正，上负电压经

    C1送到 VT 的基极，与基极的直流电压(VCC经R1提供)叠加，使基极

    电压下降，VT的电流Ib减小，电流Ic也减小，流过R3的Ic电流减小，R3

    上的电压UR3也减小(UR3=IcR3，因Ic减小，故UR3减小)，VT集电极电

    压Uc上升(Uc=VCC?UR3，UR3减小，故 Uc上升)，该上升的电压即为

    放大输出的信号电压，但信号电压也被倒相180°，变成正半周信号电

    压。

    也就是说，当交流信号电压正、负半周送到三极管基极，经三极管

    放大后，从集电极输出放大的信号电压，但输出信号电压与输入信号电

    压相位相反。三极管集电极输出信号电压再经耦合电容C3隔直后送给负

    载RL。2.1.4 放大电路的3种基本接法

    1.放大电路的一些基本概念

    为了让大家更容易理解放大电路，先来介绍一些放大电路的基本概

    念。

    (1)输入电阻和输出电阻

    一个放大电路通常可以用图 2-4 所示的电路来等效，这样等效的依

    据是：在放大电路工作时，输入信号送到放大电路输入端，对于输入信

    号来说，放大电路就相当于一个负载电阻 Ri

    ，这个电阻Ri

    称为放大电路

    的输入电阻；放大电路将输入信号放大后，会输出信号送到负载RL两

    端，因为放大电路有信号输出，所以对于负载RL来说，放大电路就相当

    于一个具有内阻为Ro和电压为U2的信号源，这里的内阻Ro称为放大电路

    的输出电阻。图2-4 放大电路等效图

    图中的 U1为信号源电压，R1为信号源内阻，RL为负载。图中间点

    画线框内的部分是放大电路的等效图，U2是放大的信号电压，Ui

    为放大

    电路的输入电压，负载RL两端的电压Uo为放大电路的输出电压，流入

    放大电路的电流Ii

    称为输入电流，从放大电路流出的电流Io称为输出电

    流，Ri

    为放大电路的输入电阻，Ro为放大电路的输出电阻。

    从减轻输入信号源负担和提高放大电路的输出电压角度考虑，输入

    电阻Ri

    的阻值大一些好，因为在输入信号源内阻R1不变时，输入电阻Ri

    大一方面会使放大电路从信号源吸取的电流Ii

    小，同时可以在放大电路

    输入端得到比较高的电压Ui

    ，这样放大电路放大后输出的电压很高。如果需要提高放大电路的输出电流Io，输入电阻Ri

    小一些更好，因为输入

    电阻小时放大电路输入电流大，放大后输出的电流就比较大。

    对于放大电路的输出电阻Ro的阻值，要求是越小越好，因为输出电

    阻小时，在输出电阻上消耗的电压和电流都很小，负载RL就可以获得比

    较大的功率，也就是说放大电路输出电阻小则该放大电路带负载能力

    强。

    (2)放大倍数和增益

    放大电路的放大倍数有以下3种。

    ① 电压放大倍数。电压放大倍数是指输出电压Uo与输入电压Ui

    的

    比值，用Au表示

    ② 电流放大倍数。电流放大倍数是指输出电流Io与输入电流Ii

    的比

    值，用Ai

    表示

    ③ 功率放大倍数。功率放大倍数是指输出功率Po与输入功率Pi

    的比

    值，用AP表示

    在实际应用中，为了便于计算和表示，常采用放大倍数的对数来表

    示放大电路的放大能力，这样得到的值称为增益，增益的单位为分贝

    (dB)。增益越大说明电路的放大能力越强。

    电压增益为

    电流增益为功率增益为

    例如放大电路的电压放大倍数分别为100倍和10 000倍时，它的电

    压增益分别就是40dB和80dB。

    2.放大电路的3种基本接法

    根据三极管在电路中的连接方式不同，放大电路有3种基本接法：

    共发射极接法、共基极接法和共集电极接法。放大电路的3种基本接法

    如图2-5所示。图2-5 放大电路的3种基本接法

    放大电路的3种基本接法电路可从下面几个方面来分析。

    (1)是否具备放大能力

    前面已经讲过，要判断三极管电路是否具备放大能力，一般可通过

    分析电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie有无完整的途径来判断，若有完整的

    途径就说明该放大电路具有放大能力。图2-5所示电路中3种基本接法电

    路的三极管电流Ib、Ic、Ie分析如下。

    共发射极接法电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie途径：

    共基极接法电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie途径：

    共集电极接法电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie途径：

    从上面的分析可以看出，3种基本接法电路中的三极管电流Ib、Ic、Ie都有完整的途径，所以它们都具有放大能力。(2)共用电极形式

    一个放大电路应具有输入和输出端，为了使输入、输出端的交流信

    号能有各自的回路，要求输入和输出端应各有两极，而三极管只有3个

    电极，这样就会出现一个电极被输入、输出端共用的情况。

    在分析放大电路时，为了掌握放大电路交流信号的处理情况，需要

    画出它的交流等效图，在画交流等效图时不考虑直流。画交流等效图要

    掌握以下两点。

    ① 电源的内阻很小，对于交流信号可视为短路，即对交流信号而

    言，电源正、负极相当于短路，所以画交流等效图时应将电源正、负极

    用导线连起来。

    ② 电路中的耦合电容和旁路电容容量比较大，对交流信号阻碍很

    小，也可视为短路，在画交流等效图时大容量的电容应用导线取代。

    根据上述原则，可按图2-6所示的方法画出图2-5(a)所示共发射极

    接法放大电路的交流等效图。

    图2-6 共发射极接法放大电路的交流等效图的绘制

    用同样的方法可画出其他两种基本接法放大电路的交流等效图。3

    种基本接法放大电路的交流等效图如图2-7所示。图2-7 3种基本接法放大电路的交流等效图

    在图2-7(a)所示电路中，基极是输入端，集电极是输出端，发射

    极是输入和输出回路的共用电极，这种放大电路称为共发射极放大电

    路。

    在图2-7(b)所示电路中，发射极是输入端，集电极是输出端，基

    极是输入和输出回路的共用电极，这种放大电路称为共基极放大电路。

    在图2-7(c)所示电路中，基极是输入端，发射极是输出端，集电

    极是输入和输出回路的共用电极，这种放大电路称为共集电极放大电

    路。

    (3)3种基本接法放大电路的特点

    3种基本接法放大电路的特点见表2-1。

    表2-1 3种基本接法放大电路的特点2.1.5 朗读助记器的原理与检修(一)

    朗读助记器是一种利用声音反馈来增强记忆的电子产品。在朗读

    时，助记器的话筒(又称传声器)将声音转换成电信号，然后对电信号

    进行放大，最后又将电信号经耳机(又称受话器)还原成声音，人耳听

    到增强的朗读声音可强化朗读内容的记忆。朗读助记器电路较为复杂，本书将它分成3个部分说明。

    1.电路原理

    图2-8所示是朗读助记器的第一部分电路原理图。

    电路分析如下。

    (1)信号处理过程

    在朗读时，话筒BM将声音转换成电信号，这种由声音转换成的电

    信号称为音频信号。音频信号由音量电位器 RP1调节大小后，再通过 C1

    送到三极管 VT1基极，音频信号经 VT1放大后从集电极输出，通过C3送

    到耳机插座X2_out，如果将耳机插入X2插孔，就可以听到自己的朗读

    声。图2-8 朗读助记器的第一部分电路原理图

    (2)直流工作情况

    6V直流电压通过接插件X4送入电路，+6V电压经R10降压后分成3

    路：第1路经R1、插座X1的内部簧片为话筒提供工作电压，使话筒工

    作；第2路经R2、R3分压后为三极管VT1提供基极电压；第3路经R4为

    VT1提供集电极电压。三极管VT1提供电压后有电流Ib、Ic、Ie流过，VT1

    处于放大状态，可以放大送到基极的信号并从集电极输出。

    (3)元器件说明

    BM为内置驻极体式话筒，用于将声音转换成音频信号，BM有正、负极之分，不能接错极性。X1为外接输入插座，当外接音源设备(如收

    音机、MP3等)时，应将音源设备的输出插头插入该插座，插座内的簧

    片断开，内置话筒BM被切断，而外部音源设备送来的信号经X1簧片、RP1和C1送到三极管VT1基极进行放大。X3为扬声器接插件，当使用外

    接扬声器时，可将扬声器的两根引线与X3连接。X2为外接耳机插座，当

    插入耳机插头后，插座内的簧片断开，扬声器接插件X3被切断。R10、C5构成电源退耦电路，用于滤除电源供电中的波动成分，使

    电路能得到较稳定的供电电压。在电路工作时，+6V电源经R10为三极

    管VT1供电，同时还会对C5充电，在C5上充得上正下负的电压。在静态

    时，VT1无信号输入，VT1导通程度不变(即Ic保持不变)，流过R10的

    电流I基本稳定，电压UA保持不变，在VT1有信号输入时，VT1的电流Ic

    会发生变化，当输入信号幅度大时， VT1放大时导通程度深，电流 Ic增

    大，流过 R10的电流 I 也增大，若没有 C5，A 点电压会因电流 I的增大

    而下降(I增大，R10上电压增大)，有了C5后，C5会向R4放电弥补电流

    Ic增多的部分，无需通过R10的电流I增大，这样A点电压变化很小。同

    样，如果VT1的输入信号幅度小时，VT1放大时导通浅，电流Ic减小，若

    没有C5，电流I也减小，A点电压会因电流I减小而升高，有了C5后，多

    余的电流I会对C5充电，这样电流I不会因Ic减小而减小，A点电压保持不

    变。

    2.电路的检修

    下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第一部分电路的检修方

    法，检修过程如图 2-9所示。图2-9 “无声”故障检修流程图(朗读助记器第一部分电路)2.2 负反馈放大电路

    2.2.1 反馈知识介绍

    反馈意为“反送”，反馈电路的功能就是从电路的输出端取出一部分

    信号反送到电路的输入端。由于温度和电源的影响，放大电路在工作时

    往往是不稳定的，并且性能也不大好，给放大电路加上反馈电路可以有

    效克服这些缺点。

    下面通过图2-10所示的方框图来介绍反馈的基础知识。

    图2-10无反馈和有反馈放大电路方框图

    1.正反馈和负反馈

    图 2-10(a)中所示的基本放大电路没有加反馈电路，Xo表示输出

    信号，Xi

    表示输入信号。图2-10(b)中所示的基本放大电路增加了反

    馈电路，它从放大电路的输出端取一部分信号反送到电路的输入端，Xf

    表示反馈信号，反馈信号 Xf

    与输入信号 Xi

    叠加后送到电路的输入端。

    如果反馈的信号与输入信号叠加所得到的信号增强，这种反馈称为正反

    馈；如果反馈的信号与输入信号叠加所得到的信号减弱，这种反馈称为

    负反馈。2.开环放大倍数

    在图2-10(a)所示电路中，放大电路没加反馈时的放大倍数称为

    开环放大倍数A，它可表示为

    3.闭环放大倍数

    在图2-10(b)所示电路中，反馈信号Xf

    与输出信号Xo的比值称为

    反馈系数F，即

    如果反馈电路是负反馈，反馈系数F越大，表示负反馈信号Xf

    越

    大，抵消输入信号越多，送到基本放大电路的净输入信号 越小，输

    出信号Xo越小，电路增益下降。

    电路加了反馈电路后的放大倍数称为闭环放大倍数Af

    ，它可表示为

    由于反馈放大电路引入了负反馈，它输出的信号 Xo较未加负反馈

    的基本放大电路输出信号 Xo要小，所以负反馈放大电路的闭环放大倍

    数Af

    较开环放大倍数A小。2.2.2 反馈类型的判别

    反馈电路类型很多，可根据以下不同的标准分类。

    根据反馈的极性分：有正反馈和负反馈。

    根据反馈信号和输出信号的关系分：有电压反馈和电流反馈。

    根据反馈信号和输入信号的关系分：有串联反馈和并联反馈。

    根据反馈信号是交流或直流分：有交流反馈和直流反馈。

    电路的反馈类型虽然很多，但对于一个具体的反馈电路，它会同时

    具有以上4种类型。下面就以图2-11所示两个反馈电路为例来介绍反馈

    类型的判别方法。

    图2-11 两个反馈电路

    1.正反馈和负反馈的判别

    (1)三极管各极电压变化关系

    为了快速判断出反馈电路的反馈类型，有必要了解三极管各极电压

    的变化关系。不管NPN型还是PNP型三极管，它们各极电压的变化都有

    以下规律。

    ① 三极管的基极与发射极是同相关系。当基极电压上升(或下

    降)时，发射极电压也上升(或下降)，即基极电压变化时，发射极的电压变化与基极电压变化相同。

    ② 三极管的基极与集电极是反相关系。当基极电压上升(或下

    降)时，集电极电压下降(或上升)，即基极电压变化时，集电极的电

    压变化与基极电压变化相反。

    ③ 三极管的发射极与集电极是同相关系。当发射极电压上升(或

    下降)时，集电极电压也上升(或下降)，即发射极电压变化时，集电

    极的电压变化与发射极相同。

    三极管各极电压变化规律可用图2-12表示，其中 表示电压上升，Θ表示电压下降。

    图2-12 三极管各极电压变化规律

    图2-12(a)表示的含义为“当三极管基极电压上升时，会引起发射

    极电压上升、集电极电压下降；当三极管基极电压下降时，会引起发射

    极电压下降、集电极电压上升”。

    图2-12(b)表示的含义为“当三极管发射极电压上升时，会引起基

    极和集电极电压都上升；当三极管发射极电压下降时，会引起基极和集

    电极电压都下降”。

    (2)正反馈和负反馈的判别

    ① 判别电路中有无反馈。在图2-11(a)所示电路中，R5、C1将输

    出信号的一部分反送到输入端，所以电路中有反馈。R5、C1构成反馈电

    路。

    在图2-11(b)所示电路中，R4、R5将后级电路信号的一部分反送到前级电路，这也属于反馈。R4、R5、C1构成反馈电路。

    ② 判别反馈电路的正、负反馈类型。反馈电路的正、负反馈类型

    通常采用“瞬时极性法”判别。所谓“瞬时极性法”是指假设电路输入端电

    压瞬间变化(上升或下降)，再分析输出端反馈过来的电压与先前假设

    的输入端电压的变化是否相同，相同说明反馈为正反馈，相反则为负反

    馈。

    正、负反馈类型判别如图2-13所示。

    图2-13 正、负反馈类型的判别

    在图 2-13(a)所示电路中，因为信号反馈到三极管 VT1的基极，所以假设 VT1的基极电压上升，根据前面介绍的三极管各极电压变化规

    律可知，当三极管VT1的基极电压(指对地电压，以下同)上升时，集

    电极电压会下降，三极管 VT2的基极电压下降，VT2的集电极电压上

    升，该上升的电压经R5、C1反馈到VT1的基极，由于反馈信号的电压极

    性与先前假设的电压极性相同，所以该反馈为正反馈。

    在图2-13(b)所示电路中，因为信号反馈到VT1的发射极，所以假

    设VT1的发射极电压上升，VT1的集电极电压也会上升，VT2的基极电压

    上升，VT2的集电极电压下降，该下降的电压经R5、R4反馈到VT1的发

    射极，由于反馈信号的电压极性与先前假设的电压极性相反，所以该反馈为负反馈。

    2.电压反馈和电流反馈的判别

    电压反馈和电流反馈的判别方法是：将电路的输出端对地短路，如

    果反馈信号不再存在(即反馈信号被短路到地)，则该反馈为电压反

    馈；如果反馈信号依然存在(即反馈信号未被短路)，该反馈为电流反

    馈。

    电压、电流反馈类型判别如图2-14所示。

    图2-14 电压、电流反馈类型的判别

    在图 2-14(a)所示电路中，将输出端 B 点对地短路，输出信号和

    反馈信号都被短路到地，反馈信号不存在，该反馈为电压反馈。

    在图 2-14(b)所示电路中，将输出端 B 点对地短路，输出信号被

    短路到地，反馈信号没有被短路(输出端为三极管的发射极，但反馈信

    号取自三极管的集电极，故反馈信号未被短路到地)，反馈信号还存

    在，该反馈为电流反馈。

    3.串联反馈和并联反馈的判别

    串联反馈和并联反馈的判别方法是：将电路的输入端对地短路，如

    果反馈信号不存在(即反馈信号被短路到地)，该反馈为并联反馈；如

    果反馈信号依然存在(即反馈信号未被短路)，该反馈为串联反馈。串联、并联反馈类型判别如图2-15所示。

    在图 2-15(a)所示电路中，将输入端 A 点与地短路，输入信号和

    反馈信号都被短路到地，反馈信号不存在，该反馈为并联反馈。

    在图2-15(b)所示电路中，将输入端A点对地短路，输入信号被短

    路到地，反馈信号没有被短路，仍有反馈信号加到前级电路，该反馈为

    串联反馈。

    图2-15 串联、并联反馈类型的判别

    4.交流反馈和直流反馈的判别

    交流反馈和直流反馈的判别方法是：如果反馈信号是交流信号，为

    交流反馈；如果反馈信号是直流信号，就为直流反馈；如果反馈信号中

    既有交流信号又有直流信号，这种反馈称为交流、直流反馈。

    交流、直流反馈类型判别如图2-16所示。图2-16 交流、直流反馈类型的判别

    在图2-16(a)所示电路中，由于电容C1的隔直作用，直流信号无

    法加到输入端，只有交流信号才能加到输入端，故该反馈为交流反馈。

    在图2-16(b)所示电路中，由于电容C1的旁路作用，反馈的交流

    信号被旁路到地，只有直流信号送到前级电路，故该反馈为直流反馈。

    综上所述，图2-11(a)所示电路的反馈类型是电压、并联、交流

    正反馈，图2-11(b)所示电路的反馈类型是电流、串联、直流负反

    馈。2.2.3 常见负反馈放大电路

    为了让放大电路稳定地工作，可以给放大电路增加负反馈电路，带

    有负反馈电路的放大电路称为负反馈放大电路。下面介绍两种常见的负

    反馈放大电路。

    1.电压负反馈放大电路

    电压负反馈放大电路如图2-17所示。

    电压负反馈放大电路的电阻R1除了可以为三极管VT提供基极电流Ib

    外，还能将输出信号的一部分反馈到VT的基极(即输入端)，由于基

    极与集电极是反相关系，故反馈为负反馈，用前面介绍的方法还可以判

    断出该电路的反馈类型是电压、并联、交流、直流反馈。

    负反馈电路的一个非常重要的特点就是可以稳定放大电路的静态工

    作点，下面分析图2-17所示电压负反馈放大电路静态工作点的稳定过

    程。

    图2-17 电压负反馈放大电路

    由于三极管是半导体器件，它具有热敏性，当环境温度上升时，它

    的导电性增强，电流 Ib、Ic会增大，从而导致三极管工作不稳定，整个

    放大电路工作也不稳定。给放大电路引入负反馈电阻 R1后就可以稳定

    电流Ib、Ic，其稳定过程如下。当环境温度上升时，三极管VT的电流Ib、Ic增大→流过R2的电流I

    增大(I=Ib+Ic，Ib、Ic电流增大，I 就增大)→R2两端的电压 UR2增大

    (UR2=I?R2，I 增大，R2不变，UR2增大)→VT 的集电极电压 Uc下降

    (Uc=VCC?UR2，UR2增大，VCC不变，Uc会减小)→VT 的基极电压 Ub

    下降(Ub由Uc经R1降压获得，Uc下降，Ub也会跟着下降)→Ib减小(Ub

    下降，VT发射结两端的电压Ube减小，流过的电流Ib就减小)→Ic也减小

    (Ic=Ib?β，Ib减小，β不变，故Ic减小)→Ib、Ic减小到正常值。

    由此可见，电压负反馈放大电路由于R1的负反馈作用，静态工作点

    得到稳定。

    2.负反馈多级放大电路

    图 2-18 所示是一种较常用的负反馈多级放大电路，电路中的 R3为

    反馈电阻，根据前面介绍的方法不难判断出该电路的反馈类型是电压、并联、交流、直流负反馈。

    图2-18 一种较常用的负反馈多级放大电路

    (1)三极管电流途径

    三极管VT2的电流途径为：三极管VT1的电流途径为：

    由于三极管 VT1、VT2都有正常的电流 Ic、Ib、Ie，所以 VT1、VT2

    均处于放大状态。另外，从VT1的电流途径可以看出，VT1的Ib1电流取

    自VT2的发射极，如果VT2没有导通，无电流Ie2，VT1也就无电流Ib1，VT1就无法导通。

    (2)静态工作点的稳定

    给放大电路增加负反馈可以稳定静态工作点，图2-18所示电路也不

    例外，其静态工作点稳定过程如下。

    当环境温度上升时，三极管VT1的电流Ib、Ic增大→流过R1的电流Ic1

    增大→UR1增大→Uc1下降(Uc1=VCC?UR1，UR1增大，Uc1下降)→VT2

    的基极电压Ub2下降→Ib2减小→Ic2减小→Ie2减小→流过 R4的电流减小

    →UR4减小→Ue2下降(Ue2=UR4)→VT1的基极电压 Ub1下降(电压 Ub1

    取自电压Ue2)→Ib1减小→Ic1减小，即三极管VT1原来增大的电流Ib、Ic

    又下降到正常值，从而稳定了放大电路的静态工作点。2.2.4 负反馈对放大电路的影响

    反馈有正反馈和负反馈之分，正反馈用在放大电路中可以将放大电

    路转变成振荡电路，而负反馈用在放大电路中可以使放大性能更好、更

    稳定。有关正反馈的应用将在后面的章节介绍。负反馈对放大电路的影

    响主要有以下几点。

    1.对输入电阻的影响

    对放大电路输入电阻的影响主要是并联负反馈和串联负反馈。理论

    分析和计算(该过程较复杂，这里省略)表明：并联负反馈可使放大电

    路的输入电阻减小，串联负反馈可使放大电路的输入电阻增大。

    2.对输出电阻的影响

    对放大电路输出电阻的影响主要是电压负反馈和电流负反馈。理论

    分析和计算表明：电压负反馈可使放大电路的输出电阻减小，有稳定输

    出电压的功能；电流负反馈可使放大电路的输出电阻增大，有稳定输出

    电流的功能。

    3.对非线性失真的影响

    如果一个放大电路静态工作点设置不合理(如 Ib、Ic偏大或偏小)

    或三极管本身存在缺陷，就会造成放大电路放大后输出的信号产生失

    真。为了减小失真，可以在放大电路中加入负反馈电路。

    4.对频率特性的影响

    对于一个放大电路，如果放大倍数很大，那么它的频率特性就比较

    差，对频率偏高或偏低的信号就不能正常放大，而引入负反馈后，放大

    电路的放大倍数就会减小，频率特性就会得到改善，通频带变宽(即能

    放大频率范围更广的信号)。2.2.5 朗读助记器的原理与检修(二)

    1.电路原理

    朗读助记器第一、二部分电路如图2-19所示，点画线框内为第二部

    分，它是一个负反馈多级放大电路。由于朗读助记器的第一部分前面已

    详细说明，这里仅介绍第二部分电路。

    图2-19 朗读助记器的第一、二部分电路原理图

    朗读助记器的第二部分电路原理分析如下。

    (1)信号处理过程

    三极管VT1输出的音频信号经C3送到VT2基极，放大后从VT2集电极

    输出又送到VT3基极，经VT3放大后从VT3发射极输出，再经C6送到耳机

    插座X2_out，如果将耳机插入X2插孔，就可以听到自己的朗读声。

    (2)直流工作情况

    6V直流电源通过接插件X4送入电路，+6V电压经R10降压后除了为

    朗读助记器第一部分电路供电外，还为第二部分电路供电。第二部分电

    路中的VT2、VT3获得供电会导通进入放大状态，VT2、VT3的电流Ib、Ic、Ie途径如下。VT3的电流途径：

    VT2的电流途径：

    (3)元器件说明

    VT2、VT3构成两级反馈放大电路。RP2为反馈电阻，该电路反馈类

    型是电压、并联、交流、直流负反馈。RP2不但可以为VT2提供电流

    Ib2，还可以稳定VT2、VT3的静态工作点。C4为交流旁路电容，可以提

    高VT2放大电路的增益。

    2.电路的检修

    下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第二部分电路的检修方法

    (第一部分电路已确定正常)，检修过程如图2-20所示。图2-20 “无声”故障检修流程图(朗读助记器第二部分电路)2.3 功率放大电路

    功率放大电路简称功放电路，其功能是放大幅度较大的信号，让信

    号有足够的功率来推动大功率负载(如扬声器、仪表的表头、电动机和

    继电器等)工作。功率放大电路一般用作末级放大电路。2.3.1 功率放大电路的3种状态

    根据功率放大电路功放管(三极管)静态工作点的不同，功率放大

    电路主要有3种工作状态：甲类、乙类和甲乙类，如图2-21所示。

    图2-21 功率放大电路的3种工作状态

    1.甲类

    甲类工作状态是指功放管的静态工作点设在放大区，该状态下功放

    管能放大信号正、负半周。

    如图2-21(a)所示，电源VCC经R1、R2分压为三极管VT基极提供

    0.6V电压，VT处于导通状态。当交流信号正半周加到VT基极时，与基

    极的0.6V电压叠加使基极电压上升，VT仍处于放大状态，正半周信号

    经VT放大后从其集电极输出；当交流信号负半周加到VT基极时，与基

    极0.6V电压叠加使基极电压下降，只要基极电压不低于 0.5V，三极管还

    处于放大状态，负半周信号被 VT放大从其集电极输出。

    图2-21(a)所示电路中的功率放大电路能放大交流信号的正、负

    半周信号，它的工作状态就是甲类。由于三极管正常放大时的基极电压

    变化范围小(0.5～0.7V)，所以这种状态的功率放大电路适合小信号

    放大。如果输入信号很大，会使三极管基极电压过高或过低(低于

    0.5V)，三极管会进入饱和或截止状态，信号就不能被正常放大，会产

    生严重的失真，因此处于甲类状态的功率放大电路只能放大幅度小的信号。

    2.乙类

    乙类工作状态是指功放管的静态工作点Ib设为0A时的状态，该状态

    下功放管能放大半个周期的信号。

    如图2-21(b)所示，电源VCC经R1、R2分压为三极管VT基极提供

    0.5V电压，在静态(无信号输入)时，VT处于临界导通状态(将通未

    通状态)。当交流信号正半周送到VT基极时，基极电压高于0.5V，VT

    导通，VT进入放大状态，正半周交流信号被三极管放大输出；当交流

    信号负半周来时，VT基极电压低于0.5V，不能导通。

    图2-21(b)所示电路中的功率放大电路只能放大半个周期的交流

    信号，它的工作状态就是乙类。

    3.甲乙类

    甲乙类工作状态是指功放管的静态工作点设置在接近截止区但仍处

    于放大区时的状态，该状态下Ib很小，功放管处于微导通。

    如图2-21(c)所示，电源VCC经R1、R2分压为三极管VT基极提供

    0.55V电压，VT处于微导通放大状态。当交流信号正半周加到VT基极

    时，VT处于放大状态，正半周信号经VT放大从其集电极输出；当交流

    信号负半周加到VT基极时，VT并不是马上截止，只有交流信号负半周

    低于?0.05V部分来到时，基极电压低于0.5V，三极管才进入截止状态，大部分负半周信号无法被三极管放大。

    图2-21(c)所示电路中的功率放大电路能放大超过半个周期的交

    流信号，它的工作状态就是甲乙类。

    综上所述，功率放大电路的3种状态的特点是：甲类状态的功率放

    大电路能放大交流信号完整的正、负半周信号，甲乙类状态的功率放大

    电路能放大超过半个周期的交流信号，而乙类状态的功率放大电路只能

    放大半个周期的交流信号。2.3.2 变压器耦合功率放大电路

    变压器耦合功率放大电路是指采用变压器作为耦合元件的功率放大

    电路。变压器耦合功率放大电路如图2-22所示。电源VCC经R1、R2分压

    和L2、L3分别为功放管VT1、VT2提供基极电压，VT1、VT2弱导通，工

    作在甲乙类状态。

    图2-22 变压器耦合功率放大电路

    音频信号加到变压器T1初级绕组(又称一次绕组)L1两端，当音频

    信号正半周到来时，L1上的信号电压极性是上正下负，该电压感应到

    L2、L3上，L2、L3上得到的电压极性都是上正下负，L3的下负电压加到

    VT2基极，VT2基极电压下降而进入截止状态，L2的上正电压加到VT1的

    基极，VT1基极电压上升进入正常导通放大状态。VT1导通后有电流流

    过，电流的途径是：电源 VCC正极→L4→VT1的集电极→VT1的发射极

    →R3→地，该电流就是放大的正半周音频信号电流，此电流在流经 L4

    时，L4上有音频信号电压产生，它感应到L6上，再送到扬声器两端。

    当音频信号负半周到来时，L1上的信号电压极性是上负下正，该电

    压感应到L2、L3上，L2、L3上的电压极性都是上负下正，L2的上负电压

    加到VT1基极，VT1基极电压下降而进入截止状态，L3的下正电压加到VT2的基极，VT2基极电压上升进入正常导通放大状态。VT2导通后有电

    流流过，电流的途径是：电源 VCC正极→L5→VT2的集电极→VT2的发

    射极→R3→地，该电流就是放大的负半周音频信号电流，此电流在流经

    L5时，L5上有音频信号电压产生，它感应到L6上，再加到扬声器两端。

    VT1、VT2分别放大音频信号的正半周和负半周，并且一个三极管

    导通放大时，另一个三极管截止，两个三极管交替工作，这种放大形式

    称为推挽放大。两个功放管各放大音频信号半周，结果会有完整的音频

    信号流进扬声器。2.3.3 OTL功率放大电路

    OTL功率放大电路是指无输出变压器的功率放大电路。

    1.简单的OTL功率放大电路

    图2-23所示是一种简单的OTL功率放大电路。电源VCC经R1、VD1、VD2和R2为三极管VT1、VT2提供基极电压，若二极管VD1、VD2

    的导通电压为0.55V，则A点电压较B点电压高1.1V，这两点的电压差可

    以使 VT1、VT2两个发射结刚刚导通，两个三极管处于微导通状态。在

    静态时，三极管VT1、VT2导通程度相同，故它们的中心点F的电压约为

    电源电压的一半，即 。

    图2-23 一种简单的OTL功率放大电路

    电路工作原理分析如下。

    音频信号通过耦合电容C1加到功率放大电路，当音频信号正半周来

    时，B 点电压上升，VT2基极电压升高，进入截止状态，由于B点电压

    上升，A点电压也上升(VD1、VD2使A点始终高于B点1.1V)，VT1基

    极电压上升，进入放大状态，有放大的电流流过扬声器，电流途径是电

    源 VCC正极→VT1的集电极→VT1的发射极→电容C2→扬声器→地，该电流同时对电容C2充得左正右负的电压；当音频信号负半周来时，B点

    电压下降，A点电压也下降，VT1基极电压下降，进入截止状态，B 点

    电压下降会使 VT2基极电压下降，VT2进入放大状态，有放大的电流流

    过扬声器，途径是电容C2左正→VT2的发射极→集电极→地→扬声器

    →C2右负，有放大的电流流过扬声器，即音频信号经VT1、VT2交替放

    大半周后，有完整正、负半周音频信号流进扬声器。

    2.带自举功能的OTL功率放大电路

    带自举功能的OTL功率放大电路如图2-24所示。

    图2-24 带自举功能的OTL功率放大电路

    (1)直流工作情况

    这个电路的直流工作情况比较复杂，接通电源后3个三极管并不是

    同时导通的，它们导通的顺序是VT2、VT1，最后才是VT3导通。电源首

    先经R6、R4为VT2提供电流Ib2而使VT2导通，VT2导通后，它的电流Ie2

    一路经R1为VT1提供电流Ib1而使VT1导通，VT1导通后，VT3的电流Ib3才

    能通过VT1的集电极、发射极和R3到地而使VT1导通。

    在静态时，R5和VD1能保证A、B点电压在1.2V左右，让VT2、VT3处于刚导通状态。另外，VT2、VT3的导通程度相同，F点电压为电源电

    压的一半( )。

    (2)交流信号处理过程

    音频信号送到VT1基极，放大后从其集电极输出，由于集电极和基

    极是反相关系，所以VT1集电极输出的信号与基极信号极性相反。

    音频信号正半周经 VT1放大后，从集电极输出变为负半周信号，该

    信号使 A 点电压下降，经VD1和R5后，B点电压也下降，功放管VT2截

    止。A点电压下降会使VT3导通程度深而进入正常放大状态，有电流流

    进扬声器，途径是：电容C3左正(注：在静态时，电源会通过VT2对C3

    充得左正右负的约 电压)→VT3的发射极→VT3的集电极→扬声器

    →C3右负。

    音频信号负半周经VT1放大后，从集电极输出变为正半周信号，该

    信号使A点电压上升，功放管VT3因基极电压上升而截止。A点电压上升

    后经VD1和R5会使B点电压上升(相当于正半周信号加到B点)，B点电

    压上升会使VT2导通程度深，VT2进入正常放大状态，有电流流进扬声

    器，途径是：电源VCC正极→VT2的集电极→VT2的发射极→电容C3→扬

    声器→地。该电流同时会对C3充得左正右负电压。

    由此可见，音频信号正、负半周到来时，VT3、VT2交替工作，有

    完整的放大的音频信号流进扬声器。

    (3)自举升压原理

    C1、R6构成自举升压电路，C1为升压电容，R6为隔离电阻。

    在电路工作时，VT1输出交流信号的正半周，A点电压上升，VT3截

    止，上升的A点电压经VD1、R5使B点电压也上升，VT2导通加深而进入

    放大状态。如果VT1输出的正半周信号幅度很大，A点电压很高，B点电

    压也上升到很高，电流Ib很大，VT2放大的电流Ic很大，电流Ic对电容C3充电很多，F点电压上升到很高，接近电源电压，F点电压上升使得VT2

    的发射结两端的电压Ube2减小(Ube2=Ub2?Ue2，Ue2=UF，因为三极管放

    大作用使Ue2上升较Ub2上升更多，故Ube2减小)，VT2不能充分导通，这样会造成大幅度正半周信号到来时不能被正常放大而出现失真。

    自举升压过程：在静态时，F点电压等于 ，电阻R6阻值很小，G点电压约等于电源电压，电容C1被充得上正下负的电压VCC，大小为。在VT2放大正半周信号时，若F点电压上升到很高，接近电源电

    压VCC，由于电容具有“瞬间保持两端电压不变”的特点，电容C1一端F

    点电压上升，另一端G点电压也上升，G点电压约为 (即)。G点电压上升，通过R4使VT2的电压Ub也拉高，这样使

    得VT2在放大幅度大的正半周信号时发射结仍能正常充分导通，从而减

    少失真。2.3.4 OCL功率放大电路

    OCL功率放大电路是指无输出电容的功率放大电路。OCL功率放大

    电路如图2-25所示，该电路输出端取消了电容，采用了正、负双电源供

    电，电路中+VCC端的电位最高，?VCC端的电位最低，接地的电位高低

    处于两者中间。

    图2-25 OCL功率放大电路

    音频信号正半周加到A点时，功放管VT2因基极电压上升而截止，A

    点电压上升，经VD1、VD2使B点电压也上升， VT1因基极电压上升而

    导通加深，进入正常放大状态，有电流流过扬声器，电流途径是：

    +VCC→VT1的集电极→VT1的发射极→扬声器→地。此电流即为放大的

    音频正半周信号电流。

    音频信号负半周加到A点时，A点电压下降，经VD1、VD2使 B 点

    电压也下降，VT1因基极电压下降而截止。A 点电压下降使功放管 VT2

    基极电压下降而导通程度加深，进入正常放大状态，有电流流过扬声

    器，电流途径是：地→扬声器→VT2的发射极→VT2的集电极→?VCC。

    此电流即为放大的音频负半周信号电流。2.3.5 朗读助记器的原理与检修(三)

    1.电路原理

    朗读助记器整体电路如图2-26所示，点画线框内为第三部分，它是

    一个带自举升压功能的OTL功率放大电路。下面介绍第三部分电路的原

    理。

    图2-26 朗读助记器整体电路原理图

    (1)信号处理过程

    三极管VT3输出的音频信号经C6耦合到VT4基极，放大后从VT4集电

    极输出。当VT4输出正半周信号时，VT4集电极电压上升，经VD2、VD1

    将VT5的基极电压抬高，VT5导通放大(此时VT6因基极电压高而截

    止)，有放大的正半周信号经 VT5、C8流入扬声器，其途径是：

    VCC(6V)→VT5的集电极、发射极→C8→扬声器→地，同时在C8上充

    得左正右负的电压；当VT4输出负半周信号时， VT4集电极电压下降，经VD2、VD1将VT5的基极电压拉低，VT5截止，此时VT6因基极电压下

    降而导通放大，有放大的负半周信号流过扬声器，其途径是：C8左正

    →VT6的发射极、集电极→扬声器→C8右负。扬声器有正、负半周信号

    流过而发声。(2)直流工作情况

    接通电源后，VT4、VT5、VT63个三极管并不是同时导通的，它们

    导通的顺序是VT5、VT4，最后才是VT6导通。这是因为电源首先经

    R15、R13为VT5提供电流Ib5而使VT5导通，VT5导通后，它的电流Ie5经

    R11为VT4提供电流Ib4而使VT4导通，VT4导通后，VT6的电流Ib6才能通

    过VT4的集电极、发射极和R14到地而使VT4导通。

    (3)元器件说明

    C7、R15构成自举升压电路，可以提高VT5的动态范围。二极管

    VD1、VD2用来保证静态时VT5、VT6基极的电压相差1.1V左右，让

    VT5、VT6处于刚导通状态(又称微导通状态)。另外，VT5、VT6的导

    通程度相同，H点电压约为电源电压的一半( )。

    2.电路的检修

    下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第三部分电路的检修方法

    (第一、二部分电路已确定正常)，检修过程如图2-27所示。图2-27 “无声”故障检修流程图(朗读助记器第三部分电路)2.4 多级放大电路

    在多数情况下，电子设备处理的交流信号是很微弱的，由于单级放

    大电路的放大能力有限，往往不能将微弱信号放大到要求的幅度，所以

    电子设备中常常将多个放大电路连接起来组成多级放大电路，来放大微

    弱的电信号。

    根据各个放大电路之间的耦合方式(连接和传递信号方式)不同，多级放大电路可分为阻容耦合放大电路、直接耦合放大电路和变压器耦

    合放大电路。2.4.1 阻容耦合放大电路

    阻容耦合放大电路是指各放大电路之间用电容连接起来的多级放大

    电路。阻容耦合放大电路如图2-28所示。

    交流信号经耦合电容C1送到第1级放大电路的三极管VT1基极，放

    大后从VT1集电极输出，再经耦合电容C2送到第2级放大电路的三极管

    VT2基极，放大后从VT2集电极输出，通过耦合电容C3送往后级电路。

    图2-28 阻容耦合放大电路

    阻容耦合的特点是：由于耦合电容的隔直作用，各放大电路的直流

    工作点互不影响，所以设计各放大电路直流工作点比较容易。但因为各

    电路独立，所以采用的元器件比较多。另外，由于电容对交流信号有一

    定的阻碍作用，交流信号在经过耦合电容时有一定的损耗，频率越低，这种损耗越大。这种损耗可以通过采用大容量的电容来减小。2.4.2 直接耦合放大电路

    直接耦合放大电路是指各放大电路之间直接用导线连接起来的多级

    放大电路。直接耦合放大电路如图2-29所示。

    图2-29 直接耦合放大电路

    交流信号送到第1级放大电路的三极管VT1基极，放大后从VT1集电

    极输出，再直接送到第2级放大电路的三极管VT2基极，放大后从VT2集

    电极输出去后级电路。

    直接耦合的特点是：因为电路之间直接连接，所以各放大电路直流

    工作点会互相影响，设计这种电路要考虑到前级电路对后级电路的影

    响，有一定的难度，但这种电路采用元器件较少。另外，由于各电路之

    间是直接连接，对交流信号没有损耗。这种耦合电路还可以放大直流信

    号，故又称为直流放大器。2.4.3 变压器耦合放大电路

    变压器耦合放大电路是指各放大电路之间采用变压器连接起来的多

    级放大电路。变压器耦合放大电路如图2-30所示。

    图2-30 变压器耦合放大电路

    交流信号送到第1级放大电路的三极管VT1基极，放大后从VT1集电

    极输出送到变压器T1的初级绕组，再感应到次级绕组(又称二次绕

    组)，送到第 2 级放大电路的三极管 VT2基极，放大后从VT2集电极输

    出，通过变压器T2送往后级电路。

    变压器耦合的特点是：各级电路之间的直流工作点互不影响。采用

    变压器耦合有一个优点，就是变压器可以进行阻抗变换，适当设置初、次级绕组的匝数，可以让前级电路的信号最大程度地送到后级电路。

    多级耦合放大电路的放大能力远大于单级放大电路，其放大倍数等

    于各单级放大电路放大倍数的乘积，即A=A1·A2·A3…2.5 场效应管放大电路

    三极管是一种电流控制型器件，当输入电流Ib变化时，输出电流Ic

    会随之变化；而场效应管是一种电压控制型器件，当输入电压发生变化

    时，输出电压会发生变化。

    根据结构不同，场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应

    管，绝缘栅型场效应管简称为MOS管(MOS的含义为金属-氧化物-半导

    体)，MOS管又可分成耗尽型MOS管和增强型MOS管。同三极管一

    样，场效应管也具有放大功能，因此它也能组成放大电路。2.5.1 结型场效应管及其放大电路

    1.结型场效应管

    (1)结构

    与三极管一样，场效应管也是由P型半导体和N型半导体组成的，三极管有PNP型和NPN型两种，场效应管则可分为P沟道和N沟道两种。

    两种沟道的结型场效应管的结构如图2-31所示。图2-31 场效应管的结构

    图2-31(a)所示为N沟道场效应管的结构图。从图中可以看出，场

    效应管内部有两块P型半导体，它们通过导线内部相连，再引出一个电

    极，该电极称栅极(G极)，两块P型半导体以外的部分均为N型半导

    体，在P型半导体与N型半导体交界处形成两个耗尽层(即PN结)，耗

    尽层中间区域为沟道，由于沟道由N型半导体构成，所以称为N沟道，漏极(D极)与源极(S极)分别接在沟道两端。

    图2-31(b)所示为P沟道场效应管的结构图，P沟道场效应管内部

    有两块N型半导体，G极与它们连接，两块N型半导体与邻近的P型半导

    体在交界处形成两个耗尽层，耗尽层中间区域为P沟道。

    如果在N沟道场效应管D、S极之间加电压，如图2-31(c)所示，电源正极输出的电流就会由场效应管D极流入，在内部通过沟道从S极

    流出，回到电源的负极。场效应管流过电流的大小与沟道的宽窄有关，沟道越宽，能通过的电流越大。

    (2)工作原理

    场效应管在电路中主要用来放大信号电压。下面通过图2-32来说明

    场效应管的工作原理。图2-32 场效应管的工作原理

    图2-32所示点画线框内为N沟道结型场效应管结构图。当在D、S极

    之间加上正向电压UDS，会有电流从D极流向S极，若再在G、S极之间

    加上反向电压UGS(P型半导体接低电位，N型半导体接高电位)，如图

    2-32(a)所示，场效应管内部的两个耗尽层变厚，沟道变窄，由D极流

    向S极的电流ID就会变小。反向电压UGS越高，沟道越窄，电流ID越小。

    由此可见，改变G、S极之间的电压UGS，就能改变沟道宽窄，从而

    改变D极流向S极的电流ID的大小，并且电流ID变化较电压UGS变化大得

    多，这就是场效应管的放大原理。场效应管的放大能力大小用跨导gm表

    示，即

    gm反映了栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力，是表征场效应管

    放大能力的一个重要的参数(相当于三极管的β)，gm的单位是西门子

    (S)，也可以用AV表示。

    若给N沟道结型场效应管的G、S极之间加正向电压，如图2-

    32(b)所示，场效应管内部两个耗尽层都会导通，耗尽层消失，不管

    如何增大G、S极间的正向电压，沟道宽度都不变，电流ID也不变化。也

    就是说，当给N沟道结型场效应管G、S极之间加正向电压时，无法控制电流ID变化。

    在正常工作时，N沟道结型场效应管G、S极之间应加反向电压，即

    UG
    向电压，即UG>US，UGS=UG?US为正电压。

    2.结型场效应管放大电路

    结型场效应管放大电路如图2-33所示。

    在图2-33(a)所示电路中，场效应管VT的G极通过R1接地，G极电

    压UG=0V，而VT的电流ID不为0A(结型场效应管在G极不加电压时，内

    部就有沟道存在)，电流ID在流过电阻R2时， R2上有电压UR2；VT的S

    极电压US不为0V，US=UR2，场效应管的栅源电压UGS=UG?US为负电

    压，该电压满足场效应管工作需要。

    图2-33 结型场效应管放大电路

    如果交流信号电压Ui

    经C1送到VT的G极，G极电压UG会发生变化，场效应管内部沟道宽度就会变化，ID的大小就会变化，VT的D极电压有

    很大的变化(如ID增大时，UD会下降)，该变化的电压就是放大的交流

    信号电压，它通过C2送到负载。

    在图2-33(b)所示电路中，电源通过R1为场效应管VT的G极提供UG电压，此电压较VT的S极电压US低，这里的电压US是电流ID流过

    R4，在R4上得到的电压，VT的栅源电压UGS=UG?US为负电压，该电压

    也能让场效应管正常工作。2.5.2 增强型绝缘栅场效应管及其放大电路

    1.增强型绝缘栅场效应管

    (1)图形符号与结构

    增强型绝缘栅场效应管又称增强型MOS管，它分为N沟道MOS管和

    P沟道MOS管，其图形符号如图2-34(a)所示，图2-34(b)所示为增

    强型N沟道MOS管(简称增强型NMOS管)的结构示意图。图2-34 增强型MOS管

    增强型NMOS管是以P型硅片作为基片(又称衬底)，在基片上制

    作两个含很多杂质的N型半导体材料，再在上面制作一层很薄的二氧化

    硅(SiO2)绝缘层，在两个N型半导体材料上引出两个铝电极，分别称

    为漏极(D极)和源极(S极)，在两极中间的SiO2绝缘层上制作一层

    铝制导电层，从该导电层上引出的电极称为栅极(G极)。P型衬底通

    常与S极连接在一起。

    (2)工作原理

    增强型NMOS管需要加合适的电压才能工作。加有合适电压的增强

    型NMOS管如图2-35所示，图2-35(a)所示为结构图形式，图2-

    35(b)所示为电路图形式。图2-35 加有合适电压的增强型NMOS管

    如图2-35(a)所示，电源E1通过R1接场效应管D、S极，电源E2通

    过开关S接场效应管的G、S极。在开关S断开时，场效应管的G极无电

    压，D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道，所以两个N区之间不能

    导通，电流ID为0A；如果将开关S闭合，场效应管的G极获得正电压，与G极连接的铝电极有正电荷，它产生的电场穿过SiO2层，将P衬底的

    很多电子吸引靠近SiO2层，从而在两个N区之间出现导电沟道，由于此

    时D、S极之间加上正向电压，马上有电流ID从D极流入，再经导电沟道

    从S极流出。

    如果改变E2电压的大小，也即改变G、S极之间的电压UGS，与G极

    相通的铝层上的电荷产生的电场大小就会变化，SiO2下面的电子数量就

    会变化，两个N区之间的沟道宽度就会变化，流过的电流ID大小会随之

    变化。电压UGS越高，沟道就越宽，电流ID就越大。

    由此可见，改变G、S极之间的电压UGS，D、S极之间的内部沟道

    宽窄就会发生变化，从D极流向S极的电流ID大小也就发生变化，并且电

    流ID变化较电压UGS变化大得多，这就是增强型NMOS管的放大原理

    (即电压控制电流变化原理)。增强型NMOS管的放大能力同样用跨导gm表示，即

    增强型MOS管的特点是：在G、S极之间未加电压(即UGS=0V)

    时，D、S极之间没有沟道， ID=0A；当 G、S 极之间加上合适电压(大

    于开启电压 UT)时，D、S 极之间有沟道形成，电压UGS变化时，沟道

    宽窄会发生变化，电流ID也会变化。

    对于增强型NMOS管，G、S极之间应加正电压(即UG>US，UGS=UG?US为正电压)，D、S极之间才会形成沟道；对于增强型

    PMOS管，G、S极之间须加负电压(即 UG
    压)，D、S 极之间才有沟道形成。

    2.增强型绝缘栅场效应管放大电路

    增强型NMOS管放大电路如图2-36所示。

    图2-36 增强型NMOS管放大电路

    在电路中，电源通过R1为NMOS管VT的G极提供电压UG，此电压

    较VT的S极电压US高，VT的栅源电压UGS=UG?US为正电压，该电压能

    让VT正常工作。

    如果交流信号通过C1加到VT的G极，电压UG会发生变化，VT内部

    沟道宽窄也会变化，电流ID的大小会有很大的变化，电阻R3上的电压UR3(UR3=ID·R3)有很大的变化，VT的D极电压UD也有很大的变化

    (UD=VCC?UR3，UR3变化，UD就会变化)，该变化很大的电压即为放

    大的信号电压，它通过C2送到负载。2.5.3 耗尽型绝缘栅场效应管及其放大电路

    1.耗尽型绝缘栅场效应管

    耗尽型绝缘栅场效应管又称耗尽型MOS管，它分为N沟道MOS管和

    P沟道MOS管，其图形符号如图2-37(a)所示，图2-37(b)所示为耗

    尽型N沟道MOS管(简称耗尽型NMOS管)的结构示意图。图2-37 耗尽型MOS管

    耗尽型NMOS管是以P型硅片作为基片(又称衬底)，在基片上制

    作两个含很多杂质的N型半导体材料，再在上面制作一层很薄的二氧化

    硅(SiO2)绝缘层，在两个N型半导体材料上引出两个铝电极，分别称

    为D极和S极，在两极中间的SiO2绝缘层上制作一层铝制导电层，从该

    导电层上引出的电极称为G极。

    与增强型MOS管不同的是，在耗尽型MOS管内的SiO2中掺入含有

    大量的正电荷的杂质，它将衬底中大量的电子吸引靠近SiO2层，从而在

    两个N区之间出现导电沟道。

    当场效应管D、S极之间加上电源E1时，由于D、S极所接的两个N

    区之间有导电沟道存在，所以有电流ID流过沟道；如果再在G、S极之间

    加上电源E2，E2的正极除了接S极外，还与下面的P衬底相连，E2的负极

    则与G极的铝层相通，铝层负电荷电场穿过SiO2层，排斥SiO2层下方的

    电子，从而使导电沟道变窄，流过导电沟道的ID电流减小。

    如果改变 E2电压的大小，与 G 极相通的铝层产生的电场大小就会

    变化，SiO2下面的电子数量就会变化，两个N区之间导电沟道的宽度就

    会变化，流过的电流ID大小就会变化。例如E2电压增大，G极负电压更

    低，沟道就会变窄，电流ID就会减小。耗尽型MOS管具有的特点是：在G、S极之间未加电压(即

    UGS=0V)时，D、S极之间就有沟道存在，ID不为0A。在工作时，耗尽

    型NMOS管G、S极之间应加负电压，即UG
    压；耗尽型PMOS管G、S极之间应加正电压，即UG>US，UGS=UG?US为

    正电压。

    2.耗尽型绝缘栅场效应管放大电路

    耗尽型NMOS管放大电路如图2-38所示。

    图2-38 耗尽型NMOS管放大电路

    在电路中，电源通过R1、R2为NMOS管VT的G极提供电压UG，VT

    的电流ID在流过电阻R5时，在 R5上得到电压UR5，UR5与 S极电压 US相

    等，这里的US>UG，VT 的栅源电压UGS=UG?US为负电压，该电压能让

    NMOS管正常工作。

    如果交流信号通过C1加到VT的G极，电压UG会发生变化，VT的导

    电沟道宽窄也会变化，电流ID会有很大的变化，电阻R4上的电压

    UR4(UR4=ID·R4)也有很大的变化，VT的D极电压UD会有很大变化，该变化的电压UD即为放大的交流信号电压，它经C2送给负载RL。第3章 放大器3.1 直流放大器

    集成电路主要是由半导体材料构成的，其内部适合用二极管、三极

    管等类型的元器件制作，而不适合用电容、电感和变压器，因此集成放

    大电路内部多个放大电路之间通常采用直接耦合。直接耦合放大电路除

    了可以放大交流信号外，还可以放大直流信号，故直接耦合放大电路又

    称为直流放大器。

    直流放大器的优点是各放大电路之间采用直接耦合方式，在传输信

    号时对高、中、低频率信号都不会衰减，但直流放大器有两个明显的缺

    点：一是前、后级电路之间静态工作点会互相影响，二是容易出现零点

    漂移。下面介绍这两个问题的解决方法。3.1.1 直流放大器的级间静态工作点影响问题

    图3-1所示是一个两级直接耦合的直流放大器。

    图3-1 两级直接耦合的直流放大器

    由于两级电路是直接耦合，前、后级电路的静态工作点会相互影

    响。从电路中可以看出，三极管VT1的集电极电压Uc1与VT2基极电压

    Ub2是相等的，因为 PN 结的导通电压是 0.7V(硅材料0.5～0.7V，锗材

    料 0.2～0.3V)，所以 Uc1= Ub2=0.7V，而 VT1的Ub1也为0.7V，VT1的集

    电极电压Uc1很低，如果送到VT1基极的信号稍大，会使 Ub1上升，Uc1

    下降，出现 Ub1> Uc1，VT1就会由放大进入饱和状态而不能正常工作。

    为了解决 VT1易进入饱和状态这个问题，可以采取一定的方法来抬高

    VT1集电极的电压，具体解决方法有下面几种。

    1.在后级电路中增加发射极电阻

    这种做法如图 3-2(a)所示，在 VT2的发射极增加一个电阻 R5来

    抬高 VT2的发射极电压Ue2，VT2的基极电压 Ub2也被抬高(Ub2较 Ue2始

    终大于 0.7V)，Uc1电压也就被抬高，VT1不容易进入饱和状态。电压

    Uc1越高，VT1越不容易进入饱和状态，但要将 Uc1抬得很高，要求电阻

    R5的阻值很大，而 R5的阻值很大会使 VT2的电流 Ib2减小而导致 VT2的

    增益下降，这是该方法的缺点。图3-2 提高后级放大电路中三极管发射极电压的几种做法

    2.在后级电路中增加稳压二极管

    这种做法如图3-2(b)所示，通过在VT2的发射极增加一个稳压二

    极管VZ，来抬高VT2的发射极电压Ue2。选用不同稳压值的稳压二极管

    可以将Ue2抬高到不同的电压，另外由于稳压二极管击穿导通电阻不是

    很大，不会让VT2的电流Ib2减小很多，VT2仍有较大的增益。

    3.将PNP型三极管与NPN型三极管配合使用

    这种做法如图3-2(c)所示，由于PNP型和NPN型三极管各极电压

    高低有不同的特点，它们配合使用，可以使各级放大电路的直流工作点

    有个合理的配置。3.1.2 零点漂移问题

    一个直流放大器，在输入信号为零时，输出信号并不为零，这种现

    象称为零点漂移。下面以图3-3所示的电路为例来分析产生零点漂移的

    原因。

    图3-3 零点漂移分析图

    如果图3-3所示电路不存在零点漂移，当VT1基极A点电位不变(即

    无输入电压)时，输出端B点电位应该也不变化(即无输出电压)。但

    实际上由于某些原因，比如环境温度变化，即使A点电位不变化，输出

    端B点电位也会变化。其原因是：即使A点电位不变，当环境温度升高

    时，VT1的电流Ic1会增大，E 点电位会下降，VT2的基极电压下降，Ib2

    减小，Ic2减小，VT2的输出端B点电位会上升；如果环境温度下降，VT1

    的电流Ic1减小，E点电位会上升，VT2的基极电压上升， Ib2增大，Ic2增

    大，VT2的输出端B点电位会下降。

    也就是说，即使无输入信号A点电压不变时，因为环境温度的变

    化，在电路的输出端B点也会输出变化的电压，这就是零点漂移。放大

    电路级数越多，零点漂移越严重。因为直流放大电路存在零点漂移，如

    果电路输入的有用信号很小，可能会出现放大电路输出的有用信号被零

    点漂移信号“淹没”的情况。

    电路产生零点漂移的原因很多，如温度的变化、电源电压的波动、元器件参数变化等，其中主要是三极管因温度变化而引起电流Ic变化，从而出现零点漂移。解决零点漂移问题的方法是选择温度性能好的三极

    管和其他的元器件，电路供电采用稳定的电源。但这些都不能从根本上

    解决零点漂移问题，最好的方法是采用差动放大电路作为直流放大器。3.2 差动放大器

    3.2.1 基本差动放大器

    差动放大器的出现是为了解决直接耦合放大电路存在的零点漂移问

    题，另外差动放大器还具有灵活的输入、输出方式。基本差动放大器如

    图3-4所示。图3-4 基本差动放大器

    差动放大器在电路结构上具有对称性，三极管VT1、VT2同型号，R1=R2，R3=R4，R5=R6，R7=R8。输入信号电压Ui

    经R3、R4分别加到

    VT1、VT2的基极，输出信号电压Uo从VT1、VT2集电极之间取出，Uo=

    Uc1? Uc2。

    1.抑制零点漂移原理

    当无输入信号(即Ui

    =0V)时，由于电路的对称性，VT1、VT2的基

    极电流Ib1= Ib2，Ic1= Ic2，所以 Uc1= Uc2，输出电压 Uo= Uc1? Uc2=0V。

    当环境温度上升时，VT1、VT2的集电极电流 Ic1、Ic2都会增大，Uc1、Uc2都会下降，但因为电路是对称的(两三极管同型号，并且它们

    各自对应的供电电阻阻值也相等)，所以 Ic1、Ic2增大量是相同的，Uc1、Uc2的下降量也是相同的，因此Uc1、Uc2还是相等的，故输出电压

    Uo= Uc1? Uc2=0V。

    也就是说，当差动放大器工作点发生变化时，由于电路的对称性，两电路变化相同，故输出电压不会变化，从而有效抑制了零点漂移。

    2.差模输入与差模放大倍数

    当给差动放大器输入信号电压Ui

    时，Ui

    加到R1、R2两端，因为

    R1=R2，所以R1两端的电压Ui1与 R2两端的电压 Ui2相等，并且 Ui1=

    Ui2=(12)Ui。当 Ui

    信号正半周期来时，Ui

    电压极性为上正下负，Ui1、Ui2两电压的极性都是上正下负，Ui1的上正电压经R3加到VT1的基

    极，Ui2的下负电压经R4加到VT2的基极。这种大小相等、极性相反的两

    个输入信号称为差模信号，差模信号加到电路两个输入端的输入方式称

    为差模输入。

    以Ui

    信号正半周期来时为例：Ui1上正电压加到VT1基极，电压Ub1

    上升，电流Ib1增大，电流Ic1增大，电压Uc1下降；Ui2下负电压加到VT2

    基极时，电压Ub2下降，电流Ib2减小，电流Ic2减小，电压Uc2增大；电路

    的输出电压Uo= Uc1? Uc2，因为Uc1< Uc2，故Uo<0V，即当输入信号Ui

    为

    正值(正半周期)时，输出电压为负值(负半周期)，输入信号Ui

    与输

    出信号Uo是反相关系。

    差动放大器在差模输入时的放大倍数称为差模放大倍数Ad，且

    另外，根据推导计算可知：上述差动放大器的差模放大倍数 Ad与

    单管放大电路的放大倍数 A相等。差动放大电器多采用一个三极管，并

    不能提高电路的放大倍数，而只是用来抑制零点漂移。

    3.共模输入与共模放大倍数

    图3-5所示是另一种输入方式的差动放大电路。图3-5 共模输入的差动放大器

    在图中，输入信号Ui

    一路经R3加到VT1的基极，另一路经R4加到

    VT2的基极，送到VT1、VT2基极的信号电压大小相等、极性相同。这种

    大小相等、极性相同的两个输入信号称为共模信号，共模信号加到电路

    两个输入端的输入方式称为共模输入。

    以Ui

    信号正半周期输入为例：电压Ui

    极性是上正下负，该电压一路

    经R3加到VT1的基极，电压 Ub1上升，电流 Ib1增大，电流 Ic1增大，电压

    Uc1下降；电压 Ui

    另一路经 R4加到 VT2的基极，电压 Ub2上升，电流 Ib2

    增大，电流 Ic2增大，电压 Uc2下降；因为 Uc1、Uc2都下降，并且下降量

    相同，所以输出电压 Uo= Uc1?Uc2=0V。也就是说，差动放大器在输入

    共模信号时，输出信号为0V。

    差动放大器在共模输入时的放大倍数称为共模放大倍数Ac，且

    由于差动放大电路在共模输入时，不管输入信号Ui

    是多少，输出信

    号Uo始终为0V，故共模放大倍数Ac=0。差动放大电路中的零点漂移就

    相当于共模信号输入，比如当温度上升时，引起VT1、VT2的电流Ib、Ic

    增大，就相当于正的共模信号加到VT1、VT2基极使电流Ib、Ic增大一

    样，但输出电压为0V。实际上，差动放大电路不可能完全对称，这使

    得两电路的变化量就不完全一样，输出电压就不会为0V，共模放大倍数就不为0。

    共模放大倍数的大小可以反映差动放大器的对称程度，共模放大倍

    数越小，说明对称程度越高，抑制零点漂移效果越好。

    4.共模抑制比

    一个性能良好的差动放大器，应该对差模信号有很高的放大能力，而对共模信号有足够的抑制能力。为了衡量差动放大器这两个能力的大

    小，常采用共模抑制比KCMR来表示。共模抑制比是指差动放大器的差

    模放大倍数Ad与共模放大倍数Ac的比值，即

    共模抑制比越大，说明差动放大器的差模信号放大能力越大，共模

    信号放大能力越小，抑制零点漂移能力越强，较好的差动放大器共模抑

    制比可达到107。3.2.2 实用的差动放大器

    基本差动放大器的元器件参数不可能完全对称，所以电路仍有零点

    漂移存在，为了尽量减少零点漂移，可以对基本差动放大器进行改进。

    下面就讲几种改进的实用差动放大器。

    1.带调零电位器的长尾式差动放大器

    带调零电位器的长尾式差动放大器如图3-6所示。这种差动放大器

    中的三极管VT1、VT2的发射极不是直接接地，而是通过电位器RP1、Re

    接负电源。

    图3-6 带调零电位器的长尾式差动放大器

    (1)调零电位器RP1的作用

    由于差动放大电路不可能完全对称，所以三极管 VT1、VT2的电流

    Ib、Ic也不可能完全相等， Uc1与Uc2就不会相等，在无输入信号时，输

    出信号Uo=Uc1?Uc2不会等于0V。在电路中采用了调零电位器后，可以

    通过调节电位器使输出电压为0V。

    假设电路不完全对称，三极管VT1的电流Ib1、Ic1较VT2的电流Ib2、Ic2略大，那么VT1的Uc1就较VT2的Uc2小，输出电压 Uo= Uc1? Uc2为负

    值。这时可以调节电位器 RP1，将滑动端 C向 B端移动，电位器A端与C端的电阻阻值RAC会增大，C端与B端的电阻阻值RCB会减小，VT1的电

    流Ib1因RAC增大而减小(电流Ib1的途径是：+VCC→R5→VT1的基极

    →VT1的发射极→RP1的AC段电阻→Re→?VCC)，Ic1减小，Uc1上升；

    而VT2的电流Ib2因RCB减小而增大，Ic2增大，Uc2下降。这样适当调节

    RP1的位置，可以使Uc1=Uc2，输出电压Uo就能调到0V。

    (2)电阻Re和负电源的作用

    当因温度上升引起 VT1、VT2的电流Ib、Ic增大时，Uc1、Uc2会同时

    下降而保持输出电压Uo不变，这样虽然可以抑制零点漂移，但 VT1、VT2的工作点已发生了变化，放大电路的性能会有所改变。电阻Re可以

    解决这个问题。

    增加电阻Re后，当VT1、VT2的电流Ib、Ic增大时，这些电流都会流

    过电阻Re，Re两端的电压会升高，VT1、VT2的发射极电压Ue会升高，VT1、VT2的电流Ib减小，电流Ic也会减小，电流Ib、Ic又降回到原来的水

    平。由此可见，增加了Re后，通过Re的反馈作用，不但可以使VT1、VT2的电流Ib、Ic稳定，同时可以抑制零点漂移，Re的阻值越大，这种效

    果越明显。

    电路中采用负电源的原因是：增加反馈电阻Re后，如果直接将Re接

    地，VT1、VT2的发射极电压较高，基极电压也会上升，VT1、VT2的动

    态范围会变小，容易进入饱和状态(当基极电压大于集电极电压，集电

    结正偏即会使三极管进入饱和状态)；采用负电源可以拉低VT1、VT2

    的发射极电压，进而拉低基极电压，让基极和集电极电压差距增大，大

    信号来时基极电压不易超过集电极电压，VT1、VT2不容易进入饱和状

    态，提高了VT1、VT2的动态范围。

    2.带恒流源的差动放大器

    在图3-6所示的差动放大器中，发射极公共电阻Re的阻值越大，三

    极管工作点的稳定性和抑制零点漂移的效果越好，但Re的阻值越大，需

    要的负电源越低，这样才能让三极管发射极电压和基极电压不会很高。为了解决这个问题，可采用图 3-7 所示带恒流源的差动放大器。这

    种差动放大器中 VT1、VT2发射极不是通过反馈电阻接负电源，而是通

    过VT3、R9、R10、R11构成的恒流源电路接负电源。

    图3-7 带恒流源的差动放大器

    正、负电源经R10、R11为三极管VT3提供基极电压，因为VT3的基

    极电压由R10、R11分压固定，那么它的电流Ib3、Ic3也就不会变化，即使

    因温度上升使VT3的Ib3、Ic3增大，通过反馈电阻R9的作用，仍可以使

    Ib3、Ic3降回到正常水平，因为该电路可以保持电流 Ib3、Ic3恒定，故将

    电流恒定的电路称为恒流源电路。VT3的电流Ic3是由VT1的Ie1和VT2的

    Ie2组成的，因为Ic3不会变化，所以Ie1、Ie2也就无法变化，VT1、VT2的

    静态工作点也就得到稳定，同时也抑制了零点漂移。

    该电路中VT3的集电极、发射极之间的等效电阻与R9的阻值不是很

    大，故负电源不用很低。3.2.3 差动放大器的几种连接形式

    在实际使用时，差动放大器通常有下面几种连接形式。

    1.双端输入、双端输出形式

    双端输入、双端输出形式的差动放大器如图 3-8所示。

    图3-8 双端输入、双端输出形式的差动放大器

    输入信号Ui

    经R1、R2分压后，在R1、R2上分别得到大小相等的电压

    Ui1、Ui2，当Ui

    正半周信号来时，Ui1、Ui2的极性都为上正下负，Ui1的

    上正电压送到VT1基极， Ui2的下负电压送到VT2基极，放大后在VT1、VT2的集电极分别得到电压Uc1和Uc2，输出信号从两三极管集电极取

    出，Uo=Uc1?Uc2。

    双端输入、双端输出形式的差动放大器的差动放大倍数

    与单管放大倍数A相等，即Ad=A。

    2.双端输入、单端输出形式

    双端输入、单端输出形式的差动放大器如图3-9所示。图3-9双端输入、单端输出形式的差动放大器

    输入信号 Ui

    经 R1、R2分压后分别得到大小相等的电压 Ui1、Ui2，它们的极性相反，分别送到VT1、VT2的基极，放大后在VT1、VT2的集

    电极分别得到电压Uc1和Uc2，输出信号只从三极管VT1集电极取出，Uo=Uc1。

    双端输入、单端输出形式的差动放大器的差动放大倍数Ad是单管放

    大倍数A的一半，即 。

    3.单端输入、双端输出形式

    单端输入、双端输出形式的差动放大器如图3-10所示。输入信号一

    端接到VT1的基极，另一端在接到VT2基极的同时也接地，所以该电路

    是单端输入。

    图3-10单端输入、双端输出形式的差动放大器当输入信号Ui

    为上正下负时，上正电压经R3加到VT1的基极，VT1

    的Ib1增大，Ic1也增大，Uc1下降；VT1的Ie1增大(因为Ib1、Ic1是增大

    的)，流过Re的电流增大，两个三极管的发射极电压(Ue1=Ue2)都增

    大，VT2的Ue2增大，电流Ib2会减小，电流Ic2减小，Uc2电压上升。因为

    在放大信号时，Uc1下降时Uc2上升(或Uc1上升时Uc2会下降)，输出电

    压取自两集电极电压差，即Uo=Uc1?Uc2，这个值较大。

    单端输入、双端输出形式的差动放大器的差动放大倍数)与单管放大倍数A相等，即Ad=A。

    4.单端输入、单端输出形式

    单端输入、单端输出形式的差动放大器如图 3-11 所示，它与图 3-

    10 所示的电路一样，都是单端输入，但它的输出电压只取自VT1的集电

    极，Uo=Uc1，Uo的值比较小。

    图3-11 单端输入、单端输出形式的差动放大器

    单端输入、单端输出形式的差动放大器的差动放大倍数Ad是单管放

    大倍数A的一半，即 。

    综上所述，不管差动放大器是哪种输入方式，其放大倍数只与电路

    的输出形式有关：采用了单端输出形式，它的放大倍数较小，只有单管

    放大倍数的一半；采用了双端输出形式，它的放大倍数与单管放大倍数相同。3.3 集成运算放大器

    集成运算放大器是一种应用极为广泛的集成放大电路，它除了具有

    很高的放大倍数外，还能通过外接一些元器件构成加法器、减法器等运

    算电路，所以称为运算放大器，简称运放。3.3.1 集成运算放大器的基础知识

    1.集成运算放大器的组成与图形符号

    集成运算放大器内部由多级直接耦合的放大电路组成，其内部组成

    方框图如图3-12所示，其图形符号如图3-13所示。

    图3-12 集成运算放大器内部组成方框图

    图3-13 集成运算放大器的图形符号

    从图3-12所示方框图中可以看出，集成运算放大器有同相输入端

    (用“+”或“P”表示)和反相输入端(用“?”或“N”表示)，还有一个输出

    端，它内部由输入级、中间级和输出级及偏置电路组成。

    输入级采用具有很强零点漂移抑制能力的差动放大电路，中间级常

    采用增益较高的共发射极放大电路，输出级一般采用带负载能力很强的

    功率放大电路，偏置电路的作用是为各级放大电路提供工作电压。

    2.集成运算放大器的理想特性

    集成运算放大器是一种放大电路，它的等效图如图3-14所示。图3-14 集成运算放大器等效图

    为了分析方便，常将集成运算放大器看成是理想的，理想集成运算

    放大器主要有以下特性。

    ① 电压放大倍数A→∞。只要有信号输入，就会输出很大的信号。

    ② 输入电阻阻值Ri

    →∞。无论输入信号电压Ui

    多大，输入电流都近

    似为0A。

    ③ 输出电阻阻值Ro→0Ω。输出电阻阻值接近0Ω，输出端可带很重

    的负载。

    ④ 共模抑制比KCMR→∞。对差模信号有很大的放大倍数，而对共

    模信号几乎能全部抑制。

    实际的集成运算放大器与理想集成运算放大器的特性接近，因此以

    后就把实际的集成运算放大器当成是理想集成运算放大器来分析。

    集成运算放大器的工作状态有两种：线性状态和非线性状态。当给

    集成运算放大器加上负反馈电路时，它就会工作在线性状态(线性状态

    是指电路的输入电压与输出电压成正比关系)；如果给集成运算放大器

    加正反馈电路或当其在开环工作时，它就会工作在非线性状态。3.3.2 集成运算放大器的线性应用电路

    当给集成运算放大器增加负反馈电路时，它就会工作在线性状态，如图3-15所示，Rf

    为负反馈电阻。

    图3-15 加入负反馈电路的集成运算放大器

    在图3-15所示电路中，电压Ui

    经R1加到集成运算放大器的“?”端，由于集成运算放大器的输入电阻阻值 Ri

    为∞，所以流入反相输入端的电

    流I?=0A，从同相输入端流出的电流I+=0A，I?=I+=0A。由此可见，集成

    运算放大器的两个输入端之间相当于断路，实际上又不是断路，故称

    为“虚断”。

    在图3-15所示电路中，集成运算放大器的输出电压Uo=A·Ui

    ，因为

    Uo为有限值，而集成运算放大器的电压放大倍数 A→∞，所以输入电压

    Ui

    ≈0V，即Ui

    =U??U+≈0V，U?=U+。集成运算放大器两个输入端电压相

    等，两个输入端相当于短路，但实际上又不是短路的，故称为“虚短”。

    在图3-15所示电路中，U+=I+·R2，而I+=0A，所以U+=0V，又因为U

    ·=U+，故U?=0V，从电位来看，集成运算放大器“?”端相当于接地，但

    实际上又未接地，故该端称为“虚地”。

    综上所述，工作在线性状态的集成运算放大器有以下特性。

    ① 具有“虚断”特性，即流入和流出输入端的电流都为0A，I

    ·=I+=0A。② 具有“虚短”特性，即两个输入端的电压相等，U?=U+。

    了解集成运算放大器的特性后，再来分析集成运算放大器在线性状

    态下的各种应用电路。

    1.反相比例运算放大器

    集成运算放大器构成的反相比例运算放大器如图3-16所示，这种电

    路的特点是输入信号和反馈信号都加在集成运算放大器的反相输入端。

    图中的Rf

    为反馈电阻，R2为平衡电阻，接入R2的作用是使集成运算放大

    器内部输入电路(差动电路)保持对称，有利于抑制零点漂移，R2=R1∥Rf

    (意为R2的阻值等于R1和Rf

    的并联阻值)。

    图3-16 反相比例运算放大器

    输入信号Ui

    经R1加到反相输入端，由于流入反相输入端的电流 I?=

    0A(“虚断”特性)，所以有

    根据“虚短”特性可知，U?=U+=0V，所以有

    由此可求得反相比例运算放大器的电压放大倍数为

    式中的负号表示输出电压 Uo与输入电压 Ui

    反相，所以该放大电路称为反相比例运算放大器。从上式还可知，反相比例运算放大器的电压

    放大倍数只与Rf

    和R1有关。

    2.同相比例运算放大器

    集成运算放大器构成的同相比例运算放大器如图3-17所示。该电路

    的输入信号加到集成运算放大器的同相输入端，反馈信号送到反相输入

    端。

    根据“虚短”特性可知，U?=U+，又因为输入端“虚断”，故流过电阻

    R2的电流 I+=0A，R2上的电压为0V，所以U+=Ui

    =U?。在图3-17所示电

    路中，因为集成运算放大器反相输入端流出的电流I?=0A，所以有

    图3-17 同相比例运算放大器

    因为U?=Ui

    ，故上式可表示为

    同相比例运算放大器的电压放大倍数为

    因为输出电压Uo与输入电压Ui

    同相，故该放大电路称为同相比例运算放大器。

    3.电压-电流转换器

    图 3-18 所示是一种由集成运算放大器构成的电压-电流转换器，它

    与同相比例运算放大器有些相似，但该电路的负载RL接在负反馈电路

    中。

    图3-18 电压-电流转换器

    输入电压 Ui

    送到集成运算放大器的同相输入端，根据集成运算放大

    器的“虚断”特性可知，I+=I?=0A，所以有

    又因为集成运算放大器具有“虚短”特性，故Ui

    =U+=U?，上式可变

    换成

    由上式可以看出，流过负载的电流IL只与输入电压Ui

    和电阻R1的阻

    值有关，与负载RL的阻值无关，当R1的阻值固定后，负载电流IL只与Ui

    有关，当电压Ui

    发生变化，流过负载的电流IL也相应变化，从而将电压

    转换成电流。

    4.电流-电压转换器

    图3-19所示是一种由集成运算放大器构成的电流-电压转换器，它可

    以将电流转换成电压输出。

    输入电流Ii

    送到集成运算放大器的反相输入端，根据集成运算放大器的“虚断”特性可知，I?=I+=0A，所以

    因为I+=0A，故流过R的电流也为0A，U+=0V，又根据集成运算放

    大器的“虚短”特性可知， U?=U+=0V，上式可变换成

    由上式可以看出，输出电压Uo与输入电流Ii

    和电阻Rf

    的阻值有关，与负载RL的阻值无关。当Rf

    阻值固定后，输出电压Uo只与输入电流Ii

    有

    关，当电流Ii

    发生变化时，负载上的电压Uo也相应变化，从而将电流转

    换成电压。

    5.加法器

    集成运算放大器构成的加法器如图 3-20 所示，R0为平衡电阻，R0=R1∥R2∥R3∥Rf

    ，电路有 3个信号电压U1、U2、U3输入，有一个信

    号电压Uo输出，下面来分析它们的关系。

    图3-19 电流-电压转换器图3-20 加法器

    因为I?=0A(根据“虚断”特性)，所以

    因为U?=U+=0V(根据“虚短”特性)，所以上式可化简为

    如果R1=R2=R3=R，就有

    如果R1=R2=R3=Rf

    ，那么

    上式说明输出电压是各输入电压之和，从而实现了加法运算，式中

    的负号表示输出电压与输入电压相位相反。

    6.减法器

    集成运算放大器构成的减法器如图3-21所示，电路的两个输入端同

    时输入信号，反相输入端输入电压 U1，同相输入端输入电压U2，为了

    保证两输入端平衡，要求R2∥R3=R1∥Rf。下面分析两输入电压U1、U2

    与输出电压Uo的关系。图3-21 减法器

    根据电阻串联规律可得

    根据“虚断”特性可得

    因为U?=U+(根据“虚短”特性)，所以有

    如果R2=R3，R1=Rf

    ，上式可简化成

    由此可见，输出电压Uo等于两输入电压U2、U1的差，从而实现了

    减法运算。3.3.3 集成运算放大器的非线性应用电路

    当集成运算放大器处于开环或正反馈时，它会工作在非线性状态，图3-22所示的两个集成运算放大器就工作在非线性状态。

    图3-22 集成运算放大器工作在非线性状态的两种形式

    工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下一些特点。

    ① 当同相输入端电压大于反相输入端电压时，输出电压为高电

    平，即

    ② 当同相输入端电压小于反相输入端电压时，输出电压为低电

    平，即

    1.电压比较器

    电压比较器通常可分为两种：单门限电压比较器和双门限电压比较

    器。

    (1)单门限电压比较器

    单门限电压比较器如图3-23所示，该集成运算放大器处于开环状

    态。+5V的电压经R1、R2分压为集成运算放大器同相输入端提供+2V的

    电压，该电压作为门限电压(又称基准电压)，反相输入端输入图3-

    23(b)所示的Ui

    信号。图3-23 单门限电压比较器

    在 0～t1期间，输入信号 Ui

    的电压(也就是反相输入端电压 U?)低

    于同相输入端电压 U+，即U?
    压)。

    在t1～t2期间，输入信号Ui

    的电压高于同相输入端电压U+，即U

    ·>U+，输出电压为低电平。

    在t2～t3期间，输入信号Ui

    的电压低于同相输入端电压U+，即U

    ·
    在t3～t4期间，输入信号Ui

    的电压高于同相输入端电压U+，即U?>

    U+，输出电压为低电平。

    通过两输入端电压的比较作用，集成运算放大器将输入信号转换成

    方波信号，电压U+大小不同，输出的方波信号Uo的宽度就会发生变

    化。

    (2)双门限电压比较器

    双门限电压比较器如图3-24所示，该集成运算放大器加有正反馈电

    路。与单门限电压比较器不同，双门限电压比较器的“+”端电压由+5V

    电压和输出电压Uo共同来决定，而Uo有高电平和低电平两种可能，因

    此“+”端电压 U+也有两种：当 Uo为高电平时，电压 U+被 Uo抬高，假设此时的U+为3V；当Uo为低电平时，电压U+被Uo拉低，假设此时的U+为

    ·1V。图3-24 双门限电压比较器

    在分析电路工作原理时，给集成运算放大器的反相输入端输入图3-

    24(b)所示的输入信号Ui。

    在0～t1期间，输入信号Ui

    的电压低于同相输入端电压U+，即U

    ·
    从t1时刻起，输入信号Ui

    的电压开始超过3V，即U?>U+，输出电压

    Uo为低电平，此时比较器的门限电压U+被Uo拉低到?1V。

    在t1～t2期间，输入信号Ui

    的电压始终高于电压U+(?1V)，即U

    ·>U+，输出电压Uo为低电平。

    从 t2时刻起，输入信号 Ui

    的电压开始低于?1V，即 U?
    压 Uo转为高电平，此时比较器的门限电压U+被拉高到3V。

    在t2～t3期间，输入信号Ui

    的电压始终低于电压U+(3V)，即U

    ·
    从t3时刻起，输入信号Ui

    的电压开始超过3V，即U?>U+，输出电压Uo为低电平。

    以后电路就重复0～t3这个过程，从而将图3-24(b)中的输入信号

    Ui

    转换成输出信号Uo。

    2.方波信号发生器

    方波信号发生器可以产生方波信号。图3-25所示的电路就是一个由

    集成运算放大器构成的方波信号发生器，它是在集成运算放大器上同时

    加上正、负反馈电路构成的，VZ为双向稳压二极管，假设它的稳压值

    UZ是5V，它可以使输出电压Uo稳定在?5～+5V范围内。

    图3-25 方波信号发生器

    在电路刚开始工作时，电容C上未充电，它两端的电压UC=0V，集

    成运算放大器反相输入端电压U?=0V，输出电压Uo=+5V(高电平)，电压Uo经R1、R2分压为同相输入端提供U+=+3V。

    在0～t1期间，Uo=+5V通过R对电容C充电，在电容上充得上正下负

    的电压，电压UC上升，电压U?也上升。在t1时刻电压U?达到门限电压

    +3V，开始有U?>U+，输出电压Uo马上变为低电平，即Uo=?5V，同相输

    入端的门限电压被Uo拉低至U+=?3V。

    在t1～t2期间，电容C开始放电，放电的途径是：电容C上正

    →R→R1→R2→地→电容C下负， t2时刻，电容C放电完毕。在t2～t3期间，Uo=?5V开始对电容反充电，其途径是：地→电容

    C→R→VZ上(?5V)，电容C被充得上负下正的电压，UC为负压，U

    ·也为负压，随着电容 C 不断被反充电，U?不断下降。在 t3时刻，U?下

    降到?3V，开始有U?
    相输入端的门限电压被Uo抬高到U+=+3V。

    在t3～t4期间，Uo=+5V又开始经R对电容C充电，t4时刻将电容C上

    的上负下正电压中和。

    在t4～t5期间再继续充得上正下负的电压，t5时刻，电压U?达到门限

    电压+3V，开始有U?>U+，输出电压Uo马上变为低电平。

    以后重复上述过程，从而在电路的输出端得到图3-25(b)所示的

    方波信号Uo。3.3.4 集成运算放大器的保护电路

    为了保护集成运算放大器，在使用时通常会给它加上一些保护电

    路。

    1.电源极性接错保护电路

    集成运算放大器在工作时需要接正、负两种电源，为了防止集成运

    算放大器因电源极性接错而损坏，常常要给它加电源极性接错保护电

    路。图3-26所示就是一种常用的集成运算放大器电源极性接错保护电

    路。

    图3-26 集成运算放大器电源极性接错保护电路

    该电路是在集成运算放大器的正、负电源处各接了一个二极管，由

    于二极管具有单向导电性，如果某电源极性接错，相应的二极管无法导

    通，电源就不能加到集成运算放大器的电源脚，从而保护了集成运算放

    大器。

    2.输入保护电路

    集成运算放大器加输入保护电路的目的是为了防止输入信号幅度过

    大。集成运算放大器的输入保护电路如图3-27所示。

    在图3-27(a)所示电路中，集成运算放大器的反相输入端与地之

    间接了两个二极管。其中VD1用来防止输入信号正半周期电压过大，如果信号电压超过+0.7V，VD1会导通，输入信号正半周期无法超过

    +0.7V；VD2用来防止输入信号负半周期电压过低，如果信号电压低于

    ·0.7V，VD2会导通，输入信号负半周期电压无法低于?0.7V。

    在图3-27(b)所示电路中，在集成运算放大器的同相输入端接了

    两个二极管，这两个二极管另一端并不是直接接地，而是VD1接正电压

    +U，VD2接负电压?U。假设电压U=2V，如果输入信号正电压超过

    2.7V，VD1会导通，集成运算放大器的输入端电压被钳在2.7V，如果输

    入信号负电压低于?2.7V，VD2会导通，集成运算放大器的输入端电压

    被钳在?2.7V，即 VD1、VD2能将输入信号电压的幅度限制在?2.7～

    +2.7V范围内。

    3.输出保护电路

    集成运算放大器加输出保护电路的目的是为了防止输出信号幅度过

    大。集成运算放大器的输出保护电路如图3-28所示。

    图3-27 集成运算放大器的输入保护电路图3-28 集成运算放大器的输出保护电路

    该电路在输出端接了一个双向稳压二极管 VZ，它的稳压范围是

    ·UZ～+UZ，一旦输出电压超过这个范围，VZ就会被击穿，将输出信号

    幅度限制在?UZ～+UZ范围内。3.4 小功率集成立体声功放器的原理与检

    修

    小功率集成立体声功放器(以下简称立体声功放器)采用集成放大

    电路进行功率放大，它具有电路简单、性能优良和安装调试方便等特

    点。3.4.1 电路原理

    立体声功放器电路如图3-29所示。

    电路原理说明如下。

    (1)信号处理过程

    L、R声道音频信号(即立体声信号)通过插座X1的双触点分别送

    到双联音量电位器RP_L和RP_R的滑动端，经调节后分别送到集成功放

    TDA2822的⑦、⑥脚，在内部放大后再分别从①、③脚送出，经C3、C4

    分别送入扬声器B1、B2，推动扬声器发声。图3-29 立体声功放器电路原理图

    (2)直流工作情况

    电源电压通过接插件X2送入电路，并经C5滤波后送到TDA2822的②

    脚。电源电压可在3～12V范围内调节，电压越高，集成功放的输出功

    率越大，扬声器发声越大。TDA2822的④脚接地(电源的负极)。

    (3)元器件说明

    X1为3.5mm的立体声插座。RP为音量电位器，它是一个50kΩ双联

    电位器，调节音量时，双声道的音量会同时改变。TDA2822是一个双声

    道集成功放，内部采用两组对称的集成功放电路。C1、C2为交流旁路电

    容，可提高内部放大电路的增益。C6、R1和 C7、R2用于滤除音频信号

    中的高频噪声信号。3.4.2 电路检修

    下面以“无声”故障为例来说明立体声功放器的检修方法(以左声道

    为例)，检修过程如图3-30所示。图3-30 “无声”故障检修流程图(立体声功放器)第4章 谐振电路与滤波电

    路4.1 谐振电路

    谐振电路是一种由电感(L)和电容(C)构成的电路，故又称为

    LC谐振电路。谐振电路在工作时会表现出一些特殊的性质，因此得到

    广泛应用。谐振电路分为串联谐振电路和并联谐振电路。4.1.1 串联谐振电路

    电容和电感头尾相连，并与交流信号连接在一起就构成了串联谐振

    电路。

    1.电路结构

    串联谐振电路如图4-1所示，其中U为交流信号，C为电容，L为电

    感，R为电感L的直流等效电阻。

    图4-1 串联谐振电路

    2.性质说明

    为了分析串联谐振电路的性质，将一个电压不变、频率可调的交流

    电源加到串联谐振电路两端，再在电路中串接一个交流电流表，如图4-

    2(a)所示。

    图4-2 串联谐振电路性质说明图

    让交流信号电压U始终保持不变，而将交流信号频率由0Hz慢慢调高，在调节交流信号频率的同时观察电流表，结果发现电流表指示电流

    值先慢慢增大，当增大到某一值时再将交流信号频率继续调高，发现电

    流又开始逐渐下降，这个过程可用图4-2(b)所示的特性曲线表示。

    在串联谐振电路中，当交流信号频率为某一值(f0)时，电路出现

    最大电流的现象称为串联谐振现象，简称串联谐振，这个频率称为谐振

    频率，用f0表示。谐振频率f0的大小可利用下面的公式来求得

    3.串联谐振电路谐振时的特点

    串联谐振电路谐振时的特点主要有以下两点。

    ① 谐振时，电路中的电流最大，此时电感、电容串在一起就像一

    只阻值很小的电阻，即串联谐振电路谐振时总阻抗最小(电阻、容抗和

    感抗统称为阻抗，用Z表示，阻抗单位为Ω)。

    ② 谐振时，电路中电感上的电压UL和电容上的电压UC都很高，往

    往比交流信号电压U大Q倍(UL=UC=Q·U，Q为品质因数，)，因此串联谐振又称电压谐振。在谐振时，UL与UC在数值上相等，但两者极性相反，故两电压之和(UL+UC)近似为0V。4.1.2 并联谐振电路

    电容和电感头头相连、尾尾相接与交流信号连接起来就构成了并联

    谐振电路。

    1.电路结构

    并联谐振电路如图4-3所示，其中U为交流信号，C为电容，L为电

    感，R为电感L的直流等效电阻。

    图4-3 并联谐振电路

    2.性质说明

    为了分析并联谐振电路的性质，将一个电压不变、频率可调的交流

    电源加到并联谐振电路两端，再在电路中串接一个交流电流表，如图4-

    4(a)所示。

    图4-4 并联谐振电路性质说明图

    让交流信号电压U始终保持不变，将交流信号频率从0Hz开始慢慢调高，在调节交流信号频率的同时观察电流表，结果发现电流表指示电

    流开始很大，随着交流信号的频率逐渐调高电流值慢慢减小，当减小到

    某一值时再将交流信号频率继续调高，发现电流又逐渐上升，这个过程

    可用图 4-4 (b)所示的曲线表示。

    在并联谐振电路中，当交流信号频率为某一值(f0)时，电路出现

    最小电流的现象称为并联谐振现象，简称并联谐振，这个频率称为谐振

    频率，用f0表示。谐振频率f0的大小可利用下面的公式来求得

    3.并联谐振电路谐振时的特点

    并联谐振电路谐振时的特点主要有以下两点。

    ① 谐振时，电路中的电流I最小，此时电感、电容并在一起就像一

    只阻值很大的电阻，即并联谐振电路谐振时总阻抗最大。

    ② 谐振时，流过电容支路的电流IC和流过电感支路的电流IL比总电

    流I大很多倍，故并联谐振又称为电流谐振。其中 IC与 IL数值相等，但

    方向相反，IC与 IL在电感、电容支路构成的回路中流动，不会流过主干

    路。4.2 滤波电路

    滤波电路(滤波器)的功能是从众多的信号中选出需要的信号。根

    据电路工作时是否需要电源，滤波器分为无源滤波器和有源滤波器；根

    据电路选取信号的特点，滤波器可分为4种：低通滤波器、高通滤波

    器、带通滤波器和带阻滤波器。4.2.1 无源滤波器

    无源滤波器主要由电感、电容和电阻构成，所以又称为RLC滤波电

    路。RLC滤波电路可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻

    滤波器。

    1.低通滤波器(LPF)

    低通滤波器的功能是选取低频信号，低通滤波器意为“低频信号可

    以通过的电路”。下面以图4-5为例来说明低通滤波器的性质。

    图4-5 低通滤波器性质说明图

    当低通滤波器输入0～f1频率范围的信号时，经滤波器后输出0～f0

    频率范围的信号，也就是说，只有f0频率以下的信号才能通过滤波器。

    这里的频率f0称为截止频率，又称转折频率，低通滤波器只能通过频率

    低于截止频率f0的信号。

    图4-6所示是几种常见的低通滤波器。

    图4-6 几种常见的低通滤波器

    图4-6(a)所示为RC低通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电容C对高频信号阻碍小(根据 )，高频信号经电容C旁路到地；电容C对低频信号阻碍大，低频信号不会被旁路，而是输出去

    后级电路。

    如果单级RC低通滤波器滤波效果达不到要求，可采用图4-6(b)所

    示的多级RC滤波器，这种滤波器能更彻底地滤掉高频信号，使选出的

    低频信号更纯净。

    图4-6(c)所示为RL低通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电感L对高频信号阻碍大(根据 )，高频信号很难通过电

    感L；而电感L对低频信号阻碍小，低频信号很容易通过电感L去后级电

    路。

    2.高通滤波器(HPF)

    高通滤波器的功能是选取高频信号。下面以图4-7为例来说明高通

    滤波器的性质。

    图4-7 高通滤波器性质说明图

    当高通滤波器输入0～f1频率范围的信号时，经滤波器后输出f0～f1

    频率范围的信号，也就是说，只有频率f0以上的信号才能通过滤波器。

    高通滤波器能通过频率高于截止频率f0的信号。

    图4-8所示是几种常见的高通滤波器。图4-8 几种常见的高通滤波器

    图4-8(a)所示为RC高通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电容C对高频信号阻碍小，对低频信号阻碍大，故低频信号难于通

    过电容C，高频信号很容易通过电容C去后级电路。

    图4-8(b)所示为RL高通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电感L对高频信号阻碍大，而对低频信号阻碍小，故低频信号很容

    易通过电感L旁路到地，高频信号不容易被电感L旁路而只能去后级电

    路。

    图4-8(c)所示是一种滤波效果更好的高通滤波器。电容C1、C2对

    高频信号阻碍小、对低频信号阻碍大，低频信号难于通过，高频信号很

    容易通过；另外，电感L对高频信号阻碍大、对低频信号阻碍小，低频

    信号很容易被旁路掉，高频信号则不容易被旁路掉。这种滤波器的电容

    C1、C2对低频信号有较大的阻碍，再加上电感L对低频信号的旁路，低

    频信号很难通过该滤波器，低频信号分离较彻底。

    3.带通滤波器(BPF)

    带通滤波器的功能是选取某一段频率范围内的信号。下面以图4-9

    为例来说明带通滤波器的性质。

    图4-9 带通滤波器性质说明图

    当带通滤波器输入 0～f1频率范围的信号时，经滤波器后输出 fL～

    fH频率范围的信号，这里的 fL称为下限截止频率，fH称为上限截止频

    率。带通滤波器能通过频率在下限截止频率fL和上限截止频率fH之间的

    信号(含fL、fH信号)，如果fL=fH=f0，那么这种带通滤波器就可以选择单一频率的f0信号。

    图4-10所示是几种常见的带通滤波器。

    图4-10 几种常见的带通滤波器

    图4-10(a)所示是一种由RC元件构成的带通滤波器。其中R1、C1

    构成低通滤波器，它的截止频率为fH，可以通过频率fH以下的信号；

    C2、R2构成高通滤波器，它的截止频率为fL，可以通过频率fL以上的信

    号；结果只有fL～fH频率范围的信号通过整个滤波器。

    图4-10(b)所示是一种由LC串联谐振电路构成的带通滤波器。

    L1、C1谐振频率为f0，它对频率为f0的信号阻碍小，对其他频率的信号

    阻碍很大，故只有频率为f0的信号可以通过。该电路可以选取单一频率

    的信号，如果想让f0附近频率的信号也能通过，就要减小谐振电路的Q

    值 ，L为电感的电感量，R为电感的直流电阻值)，Q值越小，LC电路的通频带越宽，能通过f0附近更多频率的信号。

    图4-10(c)所示是一种由LC并联谐振电路构成的带通滤波器，L1、C1谐振频率为f0，它对频率为f0的信号阻碍很大，对其他频率的信

    号阻碍小，故其他频率的信号被旁路，只有频率为f0的信号不会被旁

    路，而去后级电路。

    4.带阻滤波器(BEF)

    带阻滤波器的功能是选取某一段频率范围以外的信号。带阻滤波器

    又称陷波器，它的功能与带通滤波器恰好相反。下面以图4-11为例来说

    明带阻滤波器的性质。图4-11 带阻滤波器性质说明图

    当带阻滤波器输入0～f1频率范围的信号时，经滤波器滤波后输出0

    ～fL和fH～f1频率范围的信号，而fL～fH频率范围内的信号不能通过。带

    阻滤波器能通过频率在下限截止频率fL以下的信号和上限截止频率fH以

    上的信号(不含fL、fH信号)，如果fL=fH=f0，那么带阻滤波器就可以选

    择f0以外的所有信号。

    图4-12所示是几种常见的带阻滤波器。

    图4-12(a)所示是一种由RC元件构成的带阻滤波器。其中R1、C1

    构成低通滤波器，它的截止频率为fL，可以通过频率fL以下的信号；

    C2、R2构成高通滤波器，它的截止频率为fH，可以通过频率fH以上的信

    号；结果只有频率在fL以下和fH以上范围的信号可以通过滤波器。

    图4-12(b)所示是一种由LC并联谐振电路构成的带阻滤波器。

    L1、C1谐振频率为f0，它对频率为f0的信号阻碍很大，而对其他频率的

    信号阻碍小，故只有频率为f0的信号不能通过，其他频率的信号都能通

    过。该电路可以阻止单一频率的信号，如果想让f0附近频率的信号也不

    能通过，可以减小谐振电路的Q值( )，Q值越小，LC电路的通

    频带越宽，可以阻止f0附近更多频率的信号通过。

    图4-12(c)所示是一种由LC串联谐振电路构成的带 ......