一種學(xué)習(xí)放大電路和反饋基本原理的新方法

李月喬

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中的放大電路和電路反饋是課程中的重要內(nèi)容。筆者在教學(xué)過(guò)程中采用了與分析反向的教學(xué)方法。該教學(xué)方法并不要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)完整的包括合適的參數(shù)在內(nèi)的放大某種電路，而只是一種設(shè)計(jì)思路，學(xué)生因而感到容易理解，不代可以改善了學(xué)習(xí)效果，而且能夠掌握基本設(shè)計(jì)方法。

一些“模擬電子技術(shù)”教材在引入放大電路時(shí)，直接就給出了一個(gè)設(shè)計(jì)好的放大電路，而沒(méi)有展現(xiàn)出放大電路的設(shè)計(jì)步驟，導(dǎo)致許多學(xué)生對(duì)各元件的作用理解不清。筆者以雙極型三極管(BJT)組成的基本放大電路為例，介紹這種設(shè)計(jì)的教學(xué)思路。

1 放大電路的設(shè)計(jì)教學(xué)思路

1)設(shè)計(jì)直流電路

外加直流電壓源要保證BJT的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，即BJT可以工作在放大狀態(tài)。這樣的電路結(jié)構(gòu)可以有很多種。圖1給出了四種常見(jiàn)的使BJT的發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)、集電結(jié)處于反偏狀態(tài)的直流電路。只要這些電路的參數(shù)設(shè)置合適，都可以使BJT工作在放大狀態(tài)。可以看出，不管電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，只要電路最終能保證落在BJT發(fā)射結(jié)上的電壓使其正偏、BJT集電結(jié)上的電壓使其反偏就可以使BJT工作在放大狀態(tài)。

圖1 使BJT工作在放大狀態(tài)的直流通路

2)在直流電路中加入信號(hào)

在直流電路的基礎(chǔ)上加入要放大的交流小信號(hào)，就可以輸出放大了的交流信號(hào)。

以圖1(a)為例，一旦將很小的交流輸入信號(hào)接入該直流電路基極，該BJT的發(fā)射結(jié)的電壓會(huì)跟隨交流小信號(hào)變化，BJT輸出放大了的交流信號(hào)，送給后續(xù)的信號(hào)處理系統(tǒng)。

現(xiàn)以一個(gè)電壓放大電路設(shè)計(jì)為例，來(lái)自傳感器的交流小信號(hào)用交流電壓源us和與其串聯(lián)的電阻Rs來(lái)等效，后續(xù)的信號(hào)處理系統(tǒng)用線性電阻RL來(lái)等效，如圖2所示。隔直流電容C1和C2用來(lái)隔離偏置的電源Ub和UC直流，其容量要足夠大，可以認(rèn)為交流信號(hào)能無(wú)衰耗地通過(guò)。

從一個(gè)三極管開(kāi)始，逐個(gè)增加外接阻吝元件，可以使學(xué)生對(duì)每個(gè)元件的作用有比較深刻地理解。這比將一個(gè)完整的放大電路一下子展現(xiàn)在學(xué)生的面前，效果會(huì)好些。這種方法也便于學(xué)生理解后面的直流通路和交流通路的概念。

圖2 完整的放大電路

2 反饋的設(shè)計(jì)教學(xué)思路

在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，反饋是學(xué)生比較難理解的內(nèi)容之一。筆者總結(jié)了設(shè)計(jì)反饋的教學(xué)思路，對(duì)一個(gè)已有的放大電路，對(duì)其引入一個(gè)合適的反饋來(lái)改善它的交流指標(biāo)。目前多數(shù)的教材都是給定一個(gè)已有反饋的放大電路，讓讀者來(lái)判斷反饋的極性和類(lèi)型。而且信號(hào)源的類(lèi)型(電壓源還是電流源)和負(fù)載的位置交代的也不清楚。

我們應(yīng)首先強(qiáng)調(diào)實(shí)際需要的放大電路共有四種類(lèi)型［1]，即電壓放大電路、電流放大電路、互阻放大電路和互導(dǎo)放大電路。因?yàn)樵趯?shí)際電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)傳感器的工作原理，傳感器電路輸出的可以是電壓信號(hào)，也可以是電流信號(hào)，后續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)電路可能需要電壓信號(hào)，也可能需要電流信號(hào)，這樣組合起來(lái)，需要設(shè)計(jì)的放大電路就對(duì)應(yīng)有四種類(lèi)型。

然后我們應(yīng)針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中需要的四種類(lèi)型的放大電路，分別對(duì)應(yīng)引入四種類(lèi)型的負(fù)反饋來(lái)改善其性能指標(biāo)。對(duì)電壓放大電路只能引入電壓、串聯(lián)負(fù)反饋來(lái)改善其性能指標(biāo);對(duì)電流放大電路只能引入電流、并聯(lián)負(fù)反饋來(lái)改善其性能指標(biāo);對(duì)互阻放大電路，只能引入電壓、并聯(lián)負(fù)反饋來(lái)改善其性能指標(biāo);對(duì)互導(dǎo)放大電路，只能引入電流、串聯(lián)負(fù)反饋來(lái)改善其性能指標(biāo)。現(xiàn)通過(guò)如下例子加以說(shuō)明。

［例1] 試分析一非電物理量用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

我們根據(jù)實(shí)際要求選定某種傳感器，如果傳感器的的輸出是電壓信號(hào)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要處理的也是電壓信號(hào)，那么就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大電路才能滿足此系統(tǒng)的要求。

假如已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電壓放大電路如圖3所示。該電路對(duì)應(yīng)的交流等效電路如圖4所示。在圖4中，假定輸入電壓ui在某個(gè)瞬間的極性為正(+)，根據(jù)共射放大電路的特點(diǎn)，可知第一級(jí)放大電路的輸出端極性為(-)，第二級(jí)放大電路的輸出端uo的極性為(+)。在圖4電路中，由于傳感器等效內(nèi)阻比較小，必須在輸入端引入串聯(lián)負(fù)反饋。反饋信號(hào)必須是電壓信號(hào)，使基本放大電路的凈輸入電壓uid減小。因此由負(fù)載電阻RC的B點(diǎn)向電阻RE1上的A點(diǎn)引入反饋信號(hào)。反饋的結(jié)果是引入必須提升了A點(diǎn)的電位(+)，從而使T1的B-E極間的凈輸入電壓uid減小，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)反饋。圖5所示的電路中反饋電阻Rf和T1發(fā)射極電阻RE1的大小，共同決定了負(fù)反饋的深度。

圖3 電壓放大電路

圖4 圖3的交流通路

圖5 反饋網(wǎng)絡(luò)的接入

設(shè)計(jì)完成后，再利用瞬時(shí)極性法對(duì)所設(shè)計(jì)的反饋進(jìn)行類(lèi)型和極性分析［2]，以確保引入的反饋正確。應(yīng)用瞬時(shí)極性法時(shí)，交流通路中只需要標(biāo)出規(guī)定的那個(gè)瞬間的電壓和電流的真實(shí)方向，而不需要標(biāo)出參考方向。因?yàn)樵诖酥皇桥袛喾答伒臉O性，不需要列電路定律的方程進(jìn)行計(jì)算，所以不標(biāo)電壓和電流的參考方向。假設(shè)放大電路輸入端的交流輸入信號(hào)在某一瞬間對(duì)地電位的極性為負(fù)也是可以的，用(－)表示，那么后續(xù)的判斷都以此為基礎(chǔ)進(jìn)行，得出的結(jié)論與前面的方法是一樣的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)四種類(lèi)型的放大電路，為了改善其性能指標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)引入四種類(lèi)型的負(fù)反饋。這種從設(shè)計(jì)的角度來(lái)講解放大電路的結(jié)構(gòu)，更符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律，講解方式有利于學(xué)生理解。

［1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)第五版［M] .北京:高等教育出版社，2006

［2] 李月喬.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M] .北京:中國(guó)電力出版社，2010