第三章 生物医学常用放大器36Word文件下载.docx
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二、负反馈的基本类型
1.反馈的分类
从不同的角度可将反馈分为:
正反馈与负反馈,电压反馈与电流反馈,串联反馈与并联反馈,直流反馈与交流反馈等。
a.正反馈与负反馈
(1)如果反馈的结果使得放大器的净输入信号
增强、放大倍数提高,那么这种反馈称为正反馈。
(2)如果反馈的结果使得放大器的净输入信号
减弱、放大倍数减小,那么这种反馈称为负反馈。
(3)在放大器中一般不采用正反馈,而是引入负反馈。
正反馈虽然可以提高放大倍数,但失真度大、频带变窄,严重时会引起振荡,使放大器无法工作。
正反馈多用于振荡器中。
在放大器中引入负反馈后,虽然放大倍数会有所减小,但放大器的其它性能会得到改善。
b.电压反馈与电流反馈
(1)反馈信号与输出电压成正比的负反馈,称为电压负反馈。
(2)反馈信号与输出电流成正比的负反馈,称为电流负反馈。
c.串联反馈与并联反馈
(1)反馈信号与输入信号在输入回路相串联、一起控制输入电压大小的负反馈,称为串联负反馈。
(2)反馈信号与输入信号在输入回路相并联、一起控制输入电流大小的负反馈,称为并联负反馈。
d.交流反馈与直流反馈
(1)反馈信号中只有交流分量的反馈叫做交流反馈。
(2)反馈信号中只有直流分量的反馈叫做直流反馈。
(3)反馈信号中交、直流分量均有的反馈叫做交直流反馈。
(4)直流负反馈的作用是稳定静态工作点,对动态性能没有影响。
交流反馈对动态性能有影响,而对静态工作点无影响。
归纳起来,负反馈共有四种形式:
电压串联负反馈,电压并联负反馈,电流串联负反馈,电流并联负反馈。
2.判断反馈类型的步骤和方法
a.电路中有无反馈的判断:
若放大器的输出回路与输入回路之间存在相互联系的公共支路,则有反馈,否则无反馈。
b.正、负反馈的判断:
通常采用瞬时极性法。
(具体步骤详见教材P62)
c.电压反馈与电流反馈的判断:
将负载两端短接,如果反馈信号消失,则为电压反馈;
否则,为电流反馈。
d.串联反馈与并联反馈的判断:
看反馈支路是否使输入回路产生了分岔,若没有产生分岔,则是串联反馈;
否则,是并联反馈。
3.四种形式的负反馈放大电路
a.电压串联负反馈放大电路
(1)代表电路如图3-2所示。
(2)反馈类型的判断(按上述介绍的步骤和方法)。
[注意:
在共发射极放大电路中,集电极与基本的电位极性(或相位)相反,发射极与基本的电位极性相同。
另,RE1上的反馈属于交、直流反馈。
]
b.电流串联负反馈放大电路
(1)代表电路如图3-3所示。
(2)反馈类型的判断。
(RE上的反馈是交直流反馈,RE′上还有直流反馈。
)
c.电压并联负反馈放大电路
(1)代表电路如图3-4所示。
(通过RF引入的反馈既有交流成份又有直流成份,属于交直流反馈。
d.电流并联负反馈放大电路
(1)代表电路如图3-5所示。
(反馈支路上既无并联电容,也无串联电容,故引入的反馈属于交直流反馈。
三、负反馈对放大器性能的影响
1.降低了放大倍数
a.负反馈放大电路的原输入信号
、净输入信号
、反馈信号
及输出信号
之间有以下关系:
=
+
或
-
;
=F·
b.放大器的闭环放大倍数与开环放大倍数的关系:
(1)开环放大倍数
(2)闭环放大倍数
∴
此为负反馈放大器放大倍数的一般表达式。
可见,引入负反馈后,闭环放大倍数是开环放大倍数的1/(1+AF)。
(1+AF)称为反馈深度,其值越大,负反馈作用越强,放大倍数下降得越多。
2.提高了放大倍数的稳定性
在放大电路中引入负反馈后,虽然降低了放大倍数,但使放大倍数的稳定性提高了,使放大电路的工作更加稳定。
a.在深度负反馈,即(1+AF)>>1时,
。
这说明具有深度负反馈的放大器,其放大倍数Af完全由反馈电路的参数决定,而与晶体管的参数无关,使放大倍数稳定且能精确计算和控制,基本不受外界的影响。
b.电流负反馈稳定输出电流,电压负反馈稳定输出电压。
【例3-1】
(P65,引导阅读)
3.减小放大器的非线性失真
a.放大器产生非线性失真的两个原因:
静态工作点设置不合适,输入信号太大。
b.负反馈使放大器的净输入信号减小,从而减小了非线性失真。
c.负反馈利用失真了的波形来改善波形的失真(参见图3-6)
4.拓宽了通频带
定性说明:
负反馈对频率特性的改善,如图3-7所示。
①在高频区,放大倍数随频率的升高而下降;
在低频区,放大倍数随频率的减小而下降,使放大器的通频带的宽度受到限制。
②负反馈的引入可以提高放大倍数的稳定性,故放大倍数因频率的变化而引起的变化量减少;
无负反馈时放大倍数下降到0.707A0的频率处,有负反馈时放大倍数还没下降到0.707A0,因而引入负反馈使通频带加宽了。
5.对输入电阻和输出电阻的影响
a.串联负反馈使输入电阻增大。
由图3-8可知,无反馈时基本放大器的输入电阻为
引入负反馈后,整个放大器的输入电阻为
>Ri
b.并联负反馈使输入电阻减小。
由图3-9可知,无反馈时基本放大器的输入电阻为
<Ri
c.电压负反馈使放大器的输出电阻减小,使放大器带负载的能力增强。
d.电流负反馈使输出电阻增大。
【补充内容】
共集电极放大电路(又称射极输出器、射极跟随器)
1.电路结构如图所示。
从该电路的交流通路来看,集电极是输入、输出的公共端,故称该电路为共集电极放大电路,也叫做射极输出器。
2.反馈类型的判断
(1)正、负反馈的判别;
(2)电压、电流反馈的判别:
uf
(即RE上的电压)与uo成正比。
(3)串联、并联反馈的判别:
RE引入的是串联反馈。
所以,该电路的反馈类型是电压串联负反馈。
3.电路的电压放大倍数:
(1)
式中的
=RE∥RL。
可见,AuF小于1约等于1,并且输出电压与输入电压同相,所以共集电极放大电路又称为射极跟随器。
(2)该电路虽然没有电压放大作用,但有电流放大和功率放大作用,其功率放大倍数为
4.电路的输入、输出电阻:
(1)输入电阻:
>>rbe
ri=RB1∥RB2∥
>RB1∥RB2∥rbe
可见,电压串联负反馈使放大器的输入电阻增大。
(这与前述结论一致)
(2)因为电压负反馈具有稳定输出电压、减小放大器输出电阻的作用。
所以,射极跟随器的输出电阻很小、带负载的能力强。
(3)射极跟随器因其输入电阻高、输出电阻小以及电压跟随性,应用非常广泛,可用作输入级、输出级和中间隔离级等。
作业P79:
3-4,3-5,3-8,3-9
3-3直流放大器
引言
各种生物电信号中有许多是频率很低、变化极为缓慢的信号,这类电信号称为直流信号。
直流信号的放大不能用阻容耦合放大器,只能采用级间直接耦合的、频带从零开始的直流放大器。
一、直流放大器的零点漂移
1.直流放大器的零点漂移问题:
放大器的输入为零而输出不为零,且输出电压值在零点附近随机漂动的现象,称为零点漂移,简称零漂。
2.造成零点漂移的原因:
元件的老化、电源电压的波动、晶体管的参数随温度而变化(主要原因)等。
3.零点漂移的危害:
严重时,零漂引起的输出电压的波动会把有用信号湮没,使得人们无法将有用信号与由零漂引起的电压波动区别开。
4.在多级直接耦合放大器的各级零漂中,尤以第一级的零漂影响最为严重,因为它会随同信号一起被逐级放大,因此减小输入级的零漂至关重要。
解决零漂最有效的办法就是在输入级采用差分放大器。
二、差分放大器
差分放大器又叫差动放大器,是一种具有克服零漂、抑制外界干扰能力的直流放大器。
1.基本差分放大器
a.电路结构如图3-11所示,该电路最重要的特点就是“对称”。
b.电路的输入端和输出端:
信号从两管的基极输入、从两管的集电极输出。
该电路又称为对称的双端输入-双端输出差分放大器。
c.抑制零漂的原理:
*当输入信号为零时,由于电路具有对称性,两管各极的静态电流、电位均相等。
因此,电路的静态输出电压为零(Uo=UC1-UC2=0)。
*当温度或电源电压升高时,两管集电极的电流都增大、电位都下降,并且两边的变化量相等(△IC1=△IC2,△UC1=△UC2),所以电路的输出电压依然为零(uo=△UC1-△UC2=0)。
可见,对称的双端输出差分放大器,能有效地抑制由温度和电源电压变化所引起的零点漂移。
d.对信号的放大作用差分放大器的信号输入模式有两种:
(1)共模输入:
若加在两管基极的信号大小相等、极性相同,即ui1=ui2,则称这样的输入模式为共模输入,输入的信号叫做共模信号。
温度的影响和外界的干扰都相当于共模信号。
显然,在共模信号的作用下,对称的双端输出差分放大器的输出电压等于零。
即对称的双端输出差分放大器对共模信号没有放大作用。
(2)差模输入:
若加在两管基极的信号大小相等、极性相反,即ui1=-ui2,则称这样的输入模式为差模输入,输入的信号叫做差模信号。
差分放大器在差模输入信号的作用下,两管的集电极电流一增一减、集电极电位一减一增,两者的差值即为输出电压
uo=△UC1-△UC2
可见,在差模输入信号的作用下,差分放大器的输出电压为两管各自输出电压变化量的两倍。
即,差分放大器对差模输入信号具有放大作用,这正是差分放大器名称的由来。
有用的、需放大的信号都是以差模的方式输入。
2.典型差分放大器
a.基本差分放大器的局限:
①基本差分放大器对零漂的抑制,依靠的是电路的对称性,而实际上完全对称的理想情况并不存在,因此它抑制零漂的能力是有限度的。
②基本差分放大器中每个管集电极电位的漂移并没受到抑制,如果电路采用单端输出方式(输出电压从一个管的集电极与“地”之间取出),则漂移根本无法抑制。
因而必须改进电路。
b.典型差分放大器的电路结构如图3-12所示,它在基本差分放大器的基础上增加了射极电位器RP、电阻RE和辅助负电源UEE。
(1)射极电位器RP称为调零电位器。
通过调节它,可使输入信号为零时,电路的输出电压为零。
RP的值一般较小。
(因为它对差模信号具有负反馈作用,故取值较小。
(2)射极公共电阻RE的作用:
对差模信号无电流负反馈作用,只对共模信号有电流负反馈作用,RE的值越大抑制共模信号的能力越强。
[原理分析:
①对于共模信号(如温度的变化)RE有如下反馈过程:
T(℃)↑→IC1↑、IC2↑→IE↑→IE·
RE↑→UE↑→UBE1↓、UBE2↓→IB1↓、IB2↓→IC1↓、IC2↓
②对于差模信号则是:
差模信号→IB1↑、IB2↓→IC1↑、IC2↓→IE不变(设电路完全对称)→UE不变,即RE对于差模信号无反馈。
(3)射极公共电源-EE的作用:
补偿RE上的电压降,使晶体管具有合适的静态工作点。
c.典型差分放大器的性能指标(推导过程略)
(1)双端输入-双端输出差分放大器的差模电压放大倍数:
*输出端开路时(有用信号实现差模输入的方法,如图3-13所示)
式中的负号表示图3-13中的uo与ui相位相反;
*当两管的集电极之间接有负载RL时
式中
(由于输入差模信号时,差分放大器一只管的集电极电位降低,另一只管的集电极电位升高,RL的中点相当于交流接“地”,所以每管各分得一半负载电阻。
(2)两输入端之间的差模输入电阻:
ri=2(RB+rbe)
(3)两集电极之间的差模输出电阻:
ro=2RC
(4)共模抑制比——全面衡量差分放大器抑制共模信号、放大差模信号能力的性能指标,其定义为
KCMRR=Ad/Ac
或
(dB)
Ac为差分放大器对共模信号的放大倍数。
显然,共模抑制比越大,差分放大器抑制零漂、放大差模信号的性能越好。
电路完全对称时,Ac=0,KCMRR→∞;
实际上,电路不可能完全对称,因此KCMRR≠∞。
3.具有恒流源的差分放大器
a.进一步改进电路的原因:
提高典型差分放大器共模抑制比的有效办法,是增大发射极电阻RE。
但RE太大时,放大器的静态工作点会偏低,因此,若想有合适的工作点就需在增大RE的同时也增大负电源UEE的值,但是电源的增大是有限的。
也就是说,用增大RE的办法来提高共模抑制比是很有限的。
所以,要想进一步提高共模抑制比,则必须改进电路。
b.具有恒流源的差分放大器如图3-16所示。
UB3由R1与R2分压而得,基本稳定不变,当UB3>>UBE3时,T3具有恒流特性。
c.该电路的特点:
恒流源的动态电阻可视为无限大(
),对共模干扰信号的负反馈作用很强。
因此,该电路具有很高的共模抑制比。
4.差分放大器的输入、输出方式
差分放大器的输入、输出方式有四种:
双端输入-双端输出,双端输入-单端输出,单端输入-双端输出,单端输入-单端输出,如图3-17所示。
四种输入、输出方式的性能比较见表3-3(P73)。
作业P80:
3-10,3-11
3-4功率放大器
电子仪器的最后一级放大器,通常需要向负载提供较大的电压和较大的电流,也就是要供给负载较大的功率,这种放大器称为功率放大器,简称功放。
[放大电路实质上都是能量转换电路,从能量控制的观点来看,功率放大器、电压放大器和电流放大器并没有本质的区别,无论哪种放大器,都会向负载输出一定的电压、电流及功率。
放大器之所以会有上述不同的各种叫法,是因为不同的放大器所强调的侧重不同。
电压放大器追求的是在不失真的情况下,获取尽可能大的输出电压。
功率放大器追求的目标是,在失真小、效率高的前提下,向负载输出尽可能大的信号功率(而非一般意义的功率)。
一、功率放大器的特点和分类
1.功率放大器的特点
a.由于要求放大器在不失真的情况下,输出尽可能大的信号功率,因此管子往往工作在极限状态。
b.效率要高。
功率放大器的效率定义为输出的信号功率与电源提供的功率之比:
(去掉书上的“最大”两字)
式中,Po表示放大器输出的信号功率,对于电阻性负载,它等于管子上的交流电压和交流电流有效值的乘积;
PE是电源提供的功率,其值等于电源输出电流的平均值与电源电压的乘积。
电路中的交流功率越大、直流功率越小,放大器的效率越高。
因为直流功率(直流成份产生的功率)消耗在电路内部,而交流功率才是包含了信号特征的有用功率,即向负载输出的信号功率。
c.尽量减小非线性失真。
功率放大器工作在大信号状态,容易产生非线性失真。
d.功放管要加装合适的散热片,并采取过电流、过电压等保护措施。
e.功率放大器必须采用图解分析法。
2.功率放大器的分类
功率放大器是按照静态工作点的位置来分类的,通常分为甲类、甲乙类和乙类三种。
a.如图3-18(a)所示,如果放大器的静态工作点选在特性曲线的线性部分及负载线的中间区域,管子在输入信号的整个周期内均处于导通状态,则称管子的工作状态为甲类状态,相应的功率放大器叫做甲类功率放大器。
甲类功率放大器的特点是,波形失真小,但效率不高。
(因为无信号输入时,电源仍提供了较大的静态电流ICQ和静态电压UCEQ。
可以证明,甲类功率放大器的最高效率只有50%)
b.如图3-18(b)所示,如果将放大器的静态工作点调整到截止区,那么在输入信号的某半个周期,晶体管的发射结正偏时管子导通,负载上有信号输出;
在输入信号的另半个周期内,管子处于截止状态,负载上没有信号输出。
这种管子只在信号的半个周期内导通的工作方式叫做乙类工作方式,采用乙类工作方式的功率放大器叫做乙类功率放大器。
即乙类功率放大器的静态工作点选在管子的截止区内。
乙类功放的特点:
(1)最大的优点是效率高。
因为静态时通过晶体管的电流很小(工作点在截止区内),消耗在晶体管和电阻上的直流功率很小。
(2)单管乙类功率放大器的输出信号波形失真严重。
c.如图3-18(c)所示,如果放大器的静态工作点选在负载线的下端靠近截止区的地方,则放大器处于甲乙类工作状态,称为甲乙类功率放大器。
这种放大器也具有效率高、波形失真严重的特点。
为了弥补乙类和甲乙类功放波形失真严重的不足,而保留它们效率高的优点,通常采用互补对称功率放大器。
二、互补对称功率放大器
1.OCL互补对称功率放大器
a.电路结构如图3-19所示。
T1、T2分别为特性相同的NPN、和PNP型晶体管,两管的基极相连作为电路的输入端,两管的发射极相连作为电路的输出端,电路用正、负双电源供电。
(该电路又称为无输出电容的功率放大器。
b.静态分析:
ui=0时,由于两管的特性相同,故两管的发射极电位为零,所以两管的发射结偏置电压为零、两管的静态电流值IB、IC均等于零,两管工作在乙类状态。
此时,无电流通过负载RL。
c.动态工作情况:
在ui的正半周,T1的发射结正偏而导通,T2的发射结反偏而截止,由于T1发射极的跟随作用,在负载RL上得到正半周的信号电压;
在ui的负半周,T2导通,T1截止,在负载RL上得到负半周的信号电压。
通过两管的互补工作,uo始终跟随ui,负载上得到一个较为完整的正弦波。
d.放大器的效率(略)
在理想情况下:
2.OTL互补对称功率放大器
a.电路结构如图3-20所示。
该电路与OCL互补对称功率放大器相比,它只用一个电源+UCC,T2的集电极直接接地,而在输出端串联了一个大电容C。
每一个功放管的实际工作电源电压为
UCC。
(该电路又称为无输出变压器的功率放大器。
b.放大器的工作情况:
在ui的正半周,T1导通,T2截止,uo跟随ui;
同时,电源+UCC通过T1和RL向电容C充电,使电容两端的电压UC为
在ui的负半周,T2导通,T1截止,电容C通过T2向RL放电,这时UC相当于负电源的作用。
因此,负载RL上也会得到一个完整的正弦波电压。
3.交越失真及消除交越失真的措施
a.交越失真现象在乙类互补对称功率放大器中,由于静态电流IB、IC的值均为零,没有直流偏置,因此当输入信号电压ui的值小于三极管发射结的死区电压时,T1、T2均截止,集电极电流均为零,输出电流及输出电压的波形在正、负半周过零处将会产生失真,称为交越失真。
如图3-21所示。
b.消除交越失真的措施
为了消除交越失真,通常给三极管设置一定的直流偏置,使三极管在静态时处于微导通状态,即两功放管工作在甲乙类状态。
甲乙类OCL互补对称功率放大器如图3-22所示。
静态时,有静态电流通过D1、D2,在其上产生的压降使T1、T2处于微导通状态,从而消除了交越失真。
由于电路对称,静态时两管的电流大小相等、方向相反,因此负载RL上没有静态电流通过,输出电压为零。
当有信号输入时,在ui的正半周,T1导通,T2截止;
在ui的负半周,T2导通,T1截止,负载RL上得到一个完整的、不失真正弦波输出电压。
三、集成功率放大器
集成功率放大器具有输出功率大、体积小、功耗低、使用方便等优点,并采用过电流、过电压等保护电路,因此应用日益广泛。
图3-23是LM386型音频集成功率放大器的外形和引脚的排列图。
它是一种功耗低、电压增益可调、电源电压范围大的音频集成功率放大器。
图3-24是由LM386组成的一种应用电路。
3-13,3-14,3-15,3-16
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