直接耦合放大器

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共发射极交流放大器(见图1)在各种电子设备中被广泛地应用着,这种电路的电压放大倍数高、工作稳定。如果一级放大器的电压放大倍数还嫌不够高,则可以将几级放大器连接起来,这样便能得到更高的电压放大倍数。那么放大器之间是怎样连在一起的呢?下面请看图2,该图是一个两级放大器,两级放大器之间是靠电容C\(_{2}\)和电阻R4、R\(_{5}\)连在一起的,这种连接电路叫作阻容耦合电路。电容C2能把前级放大器的交流输出信号传送到后级,而把前后级的直流电压隔断;电阻R\(_{4}\)、R5是BG\(_{2}\)的基极偏流电阻。为了给BG2提供稳定的基极偏流,这两个电阻是必不可少的。

图1
图1 🔍原图 (434×300)
图2
图2 🔍原图 (565×397)

图2所示的交流放大器从设计和调整来看都比较简单,因此应用范围很广。但是这种电路的耦合方式对整个放大器的频率特性和放大倍数都有一些影响。先分析频率特性。由于耦合电容C2的存在,前级放大器RG\(_{1}\)的集电极输出的信号电压u1耦合到后级放大器基极时则变成u\(_{2}\),而u2=\(\frac{R}{_{并}}\)R并+1;ωC\(_{2}\)u1。其中R并为R\(_{4}\)、R5和BG\(_{2}\)的输入电阻R入并联以后的值,见图3。显然,u\(_{2}\)的大小与频率有关,当频率ω(=2πf)很低时,\(\frac{1}{ωC}\)2很大,因而使u\(_{2}\)《u1;只有当ω足够高时,才有1;ωC\(_{2}\)≈0,u2≈u\(_{1}\)。可见由于耦合电容C2的存在,使后级得到的信号电压u\(_{2}\)减小,当然总放大倍数也减小。这就是阻容耦合放大器低频响应特性下降的原因之一。

图3
图3 🔍原图 (301×177)

下面分析这种耦合方式怎样影响放大器在整个频带内的放大倍数。由于R\(_{4}\)、R5与BG\(_{2}\)的输入电阻R入是并联的,因此R\(_{4}\)、R5对基极信号电流有分流作用,这就损失了一部分信号电流,使放大器在整个频带内的放大倍数都下降。

如果采用两管直接连接(耦合)的形式,就可以避免阻容耦合所带来的问题,这就构成了所谓直接耦合放大器。图4就是一个直耦放大器的电路,它是把BG\(_{1}\)的集电极直接与BG2的基极连在一起的(因此而得名),这种放大器具有较高的电压放大倍数,工作点又很稳定,所以应用也很广泛。

图4
图4 🔍原图 (504×526)

它的电压放大倍数为什么比较高呢?首先我们会看到,这种放大器和图2电路一样,是由具有高电压放大倍数的共射极放大器构成的,所以放大倍数一定是高的;其次,由于省去了基极偏流电阻,BG\(_{1}\)集电极输出的信号电流全部流入BG2的基极,信号电流没有损失(没有分流),所以能获得比图2所示放大器更高的电压放大倍数。当然,由于取消了耦合电容这个与频率有关的元件,也就改善了低频端的频响特性。

那么它的工作点为什么又很稳定呢?这是因为该放大器加有两级直流负反馈电路的缘故。由图4可见,BG\(_{1}\)的基极偏流不是取自电源,而是通过电阻R1取自BG\(_{2}\)的发射极,这就构成了两级直流负反馈电路,其反馈过程是,如果由于某种原因(例如温度变化)使BG1的集电极电流I\(_{c1}\)增加,则会引起下列连锁反应:

I\(_{c1}\)↑→Vc1↓→V\(_{b2}\)↓→Ic2↓—

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I\(_{c1}\)↓←Ib1↓←V\(_{b1}\)↓←Ve2↓←

这个反馈过程使I\(_{c1}\)受到牵制而基本保持不变,因而保证了直耦放大器的工作点相当稳定,这是直耦放大器的一个突出优点。

直耦放大器也有缺点,正是由于采用了直接耦合,所以两级的直流电压也紧密地联系在一起,使前后级的静态工作点互相牵制,互相影响,这就给计算和调整带来了一定的困难。实际应用中都是把一个双管直耦放大器作为一个整体单元电路来看待,称为双管单元放大电路。如需要级数更多的放大器,则再与阻容耦合放大器配合使用。在设计和调整直耦放大器时,为了简化计算,通常都是先选定两管的静态工作电流,根据选定的电流,再去计算各元件的数值,最后再通过调整来达到预定的要求。一般BG\(_{1}\)的IC约为1mA左右,BG\(_{2}\)的IC约为2mA左右。如要进一步提高放大倍数,可适当增大R\(_{C2}\)或提高IC1,并选用β较高的晶体管。

需要强调说明,为使直耦放大器正常工作,必须保证BG\(_{2}\)的发射极有较高的电位Ve2,以防BG\(_{1}\)饱和。这是因为直耦放大器的Vc1=V\(_{b2}\),而BG2正常工作时,V\(_{b2}\)只比Ve2高0.6伏左右(锗管则为0.3伏左右),如果V\(_{e2}\)过低,则Vc1也随着低,V\(_{c1}\)再减去Ve1,BG\(_{1}\)的集电极和发射极之间的电压就可能接近0.3伏,使BG1接近饱和状态,因而不能正常工作。解决这个问题的办法便是提高V\(_{e2}\)的值,所以在BG2的发射极上总接有电阻R\(_{e2}\),而BG1的发射极则可以直接接地,以取得更大的动态范围。另一方面,V\(_{e2}\)高了,通过R1给BG\(_{1}\)提供的偏流是否会相应提高,反而使BG1接近饱和呢?不会的,只要适当提高R\(_{1}\)的数值,使BG1基极的输入电阻与R\(_{1}\)的比值变小,就能降低BG1的基极偏流。当然,R\(_{1}\)的数值也不能过大,以免使负反馈作用减弱,放大器的稳定性变差。R1一般在几千欧~几十千欧范围内。有的电路将R\(_{e2}\)分成两部分:R'e2+R"\(_{e2}\),把R1接在R'\(_{e2}\)与R"e2之间,以降低供给BG\(_{1}\)的基极偏流(见图4中虚线圈起来的部分)。适当调整R'e2和R"\(_{e2}\)的比值,还可以调整BG1的工作点而不改变R\(_{e2}\)的总数值。也有的电路为了使BG1的偏流更稳定,在BG\(_{1}\)的基极接有电阻R2(图4中虚线所示),利用R\(_{1}\)与R2的固定分压关系起稳定工作点的作用。但R\(_{2}\)的接入,必然使BG1的总输入电阻下降,导至BG\(_{1}\)基极得到的输入信号电流减小,因而使总电压放大倍数下降。所以当有R2时,其数值应当大一些,通常在几十千欧以上。

前面我们谈到,在图2所示的阻容耦合交流放大器中,耦合电容C\(_{2}\)的存在是造成其低频响应特性下降的原因之一。图4所示的直耦放大器自然不存在这个问题,因此它的低频特性要好一些。但是,人耳对低频(也有高频)信号并不十分敏感,也就是说,电声设备的频响特性在低频端有一定程度的下降,人耳的感觉并不十分明显,事实证明,通常的电声设备有80~8000赫的频宽就足以令人满意了,这个要求无论是阻容耦合放大器(耦合电容较大)还是直耦放大器,都不难满足,所以单就频响特性来说,直耦放大器的优点并不突出。它的主要优点在于其电压放大倍数更高、工作点更稳定,而且所需元件也比较少,电路更简单一些。

最后再说明一点,直耦放大器虽然在两级之间采用了直接耦合的方式,但它仍属于交流放大器,它和直流放大器有着本质的区别,两者不可混为一谈。

(1)直耦放大器频响特性的下限频率只要求低到一定程度(如音频时的80赫),并不要求放大直流信号,因此双管单元直耦放大电路的输入端(接信号源)和输出端(接负载)仍然可以采用阻容耦合的方式。直流放大器要求放大直流信号或变化非常缓慢的信号,所以其频响特性从零频(直流)起就应当是平坦的,耦合电路不能使用电容,这一点非常重要。

(2)直耦放大器因为是放大交流信号,所以发射极电阻R\(_{e}\)上可以并联大电容,以消除交流负反馈,保证放大量不受发射极电阻Re的影响。直流放大器由于是放大直流信号,所以在发射极电阻R\(_{e}\)上并联电容已无意义,Re必然有直流负反馈作用,从而使放大器的增益降低。

(3)直耦交流放大器第一级的工作点是通过反馈电阻R\(_{1}\)由第二级发射极得到的,这个反馈作用保证了放大器工作点的稳定。直流放大器不允许加两级负反馈电路,否则增益就会太低,所以直流放大器的工作点稳定问题就变得非常突出,这就是所谓直流放大器的“零点漂移”问题。为了解决这个问题,直流放大器必须采取许多特殊措施。甚至改变电路的形式,如采用差分放大器等等。

图5
图5 🔍原图 (447×359)
图6
图6 🔍原图 (540×357)

直接耦合放大器在收音机和电视机中都有应用。如上海无线电二厂生产的红灯2701型收音机低放电路(图5)和北京牌840型黑白电视机的伴音中放电路(图6)都采用了直耦放大器。图5中的R\(_{2}\)0为反馈电阻(相当于图4中的R1),而放大器的负载则是音频输入变压器。图6中的R\(_{66}\)是反馈电阻,第二级(BG11)把发射极电阻分成R\(_{67}\)+R68两部分,从中间取出反馈电压,以防BG\(_{1}\)0工作点过高而接近饱和。这个电路工作于第二伴音中频(6.5兆赫),已经很高,所以射极旁路电容只要0.01μF就足够了。该放大单元的负载是鉴频器。 (闻芒)