1. 放大電路

放大是電子電路中最基本的理想之一,比如從唱頭取得的信號,如果直接接上揚聲器,揚聲器一定沒有聲音,因為唱頭取得唱片的信號太小,必需加以放大,才能推動揚聲器發出聲音,而擔任放大作用的電路就稱為放大器或擴大器(amplifier)

放大器的基本結構上,一定包含有主動元件,被動元件和直流電源供應。主動元件可為真空管、電晶体或場效電晶体,因為電晶体用的最多,所以本章主要是以電晶体電路來說明。被動元件包括電阻器、電容器及電感器。

放大器所能放大的倍數稱為增益

放大器所能放大的倍數稱為增益(gain)。例如電流增益是指輸出電流與輸入電流之比,電壓增益是指輸出電壓與輸入電壓之比,功率增益是指輸出功率與輸入功率之比。

一般揚聲器所發出之音量與電功率大小成正比。換句話說,接於放大器輸出端的揚聲器,其所發出之音量與放大器之功率增益成正比。可是我們耳朵對音量之判別並不是與聲波能量成正比,而是近似於對數特性的反應。所以常應用對數法來測量一音量之增益,或損失。

兩功率比以

兩功率比以10為底取對數值即稱為貝爾(Bel),因貝爾單位過大,所以實用均以十分之一貝爾為單位,稱之為分貝(簡稱db) db=10log10 .....(公式5-1)

Po為放大器的輸出功率,Pi為輸入功率。當db值為正時,表示放大器有功率增益;db值為負時,則表示放大器是損失功率的。若用db值表示放大器之電壓和電流增益,則為

db=20log10 .....(公式5-2) db=20log10.....(公式5-3)

多級連接的放大器系統中其總功率增益為各級功率增益之乘積。而db值表示時,則總功率增益db值為各級功率增益db值的和db值表示時,則總功率增益db值為各級功率增益db值的和

[5-1] 某前置放大器之電壓增益為40db,求出電壓放大倍數為多少?

[] db=20log10

40=20log10     log10=2     =100

[5-2] 某前置放大器之電流增益為20db,求出電流放大倍數為多少?

[]db=20log10

[5-3] 某前置放大器之功率增益為20db,求出功率放大倍數為多少?

[]db=10log10

5-1電晶体偏壓電路

欲使電晶体充份發揮其特性,各電晶体必需要有正確的偏壓,也就是要有正確的工作點。一般電晶体工作時,射極與基極之間加順向偏壓,而集極與基極間則加逆向偏壓,正確的偏壓電路可使電晶体有良好的放大作用而不失真。

假如一個放大器的輸入信號為正弦波,而輸出信號亦為正弦波,那麼我們稱這種放大器為線性放大器或小信號放大器。

線性放大器有時候也會造成非線性輸出信號,產生失真的原因主要有兩個:第一個原因是由於輸入信號太強,以致於輸出信號的正負半週均被截斷,如圖5-1所示的波形。第二個原因是由於靜態工作點選擇不當所致。前項原因只要減弱輸入信號強度就可得到改善,後項原因則要選擇適當的工作點,最好能先畫出負載線。如圖5-2所示,為在集極特性曲線上畫上負載線。

要畫負載線,必須要知道供應電源電壓Vcc及負載電阻RL的值。假設Vcc12V,那就在橫座標上找到12V點,這點即為負載線的最低點。負載線的最高點為集極到達飽和電流點。因此,假設RL=1KΩ,則

在縱座標上找到這一點,把這兩點連接起來就成為圖5-2所示的負載線了。

放大器的工作點可以是負載線上的任何點,但最好是選擇在中心點(如圖5-2中所圈出的點)。如此方可作最大不截斷的信號放大,如圖5-3(a)所示,即為工作點選在中間點的情形。當工作點太高時,即如圖5-3(b)所示,其輸出電壓的正半週因超過飽和點而被截斷。當工作點太低時,即如圖5-3(c)所示,輸出電壓的負半週因超過截止點而被截斷。由此可知工作點太高或太低都是不好的。

5-2共射極放大電路

共射極放大電路是使用最多的形式。其電路具有下列特點:

  1. 輸出電流不流過輸入電流。
  2. 具有電壓及電流增益,其功率增益為三種基本放大電路中最大者。
  3. 輸出與輸入信號相位差180°。
  4. 輸入阻抗約為1KΩ。輸出阻抗約為50KΩ。可與多種信號源相匹配。

如圖5-4所示,為NPN型電晶体共射極放大電路的輸入特性曲線。由於共射極電路之輸入係加順向偏壓,故其輸入特性與二極体之輸入特性非常相似。如圖5-5所示,為NPN型電晶体共射極放大電路的輸入特性曲線。即在第三章所講的集極特性曲線。該曲線是在一組輸入電流(IB)值的範圍內,輸出電壓(VCE)對輸出電流(IC)的一組曲線。

圖中IB的大小以微安(μA)為單位,而IC是以毫安(mA)為單位的。由圖中可看出IB的曲線並不水平,這表示射極電壓VCE會影響集極電流的大小。在圖5-5中,垂直之陰影部份為飽和區,而水平之陰影部份為截止區。工作區則位於飽和區之右及截止區之上方間。工作區內IB的各曲線是近於等距的直線。因此,只要偏壓適當,共射極電路可作極好之線性放大。

共射極放大電路之偏壓方式很。常用的有固定偏壓法、集極回授偏壓法、含射極電阻電流回授法及分壓式偏壓法。

  1. 固定偏壓法

如圖5-6所示為固定偏壓電路,依克希荷夫定理,其輸入的電壓方程式

VCC=IB×RB+VBE         ..(公式5-4)

VBE之數值很小,矽電晶体約為0.7V,鍺電晶体約為0.3V,通常予以忽略,故IB之近似值為 …….(公式5-5)

輸出回路之電壓方程式

VCC=IC×RL+VCE …..(公式5-6)

VCE =VCC - IC×RL (公式5-7)

….(公式5-8)

當電晶体處於適當偏壓下,工作於線性部份時,其輸出電流IC與輸入電流IB的關係為IC=βIB …..(公式5-9) 如所加的偏壓,使電晶体的IC超過線性區域而進入飽和區,則集極對射極電壓VCE接近於零,故其飽和電流IC(sat) IC(sat) ……(公式5-10)

[5-4] 如圖5-7所示偏壓電路,求IBICVCE各為多少?

[](1) =

(2) IC=βIB=

(3) VCE =VCC - IC×RL=

固定偏壓電路雖然有構造簡單的優點,但此種偏壓電路並不穩定。譬如替換電晶体,其β值也不儘相同,且電晶体的漏電電流ICO與β值是隨溫度變化的。鍺晶体的β值在室溫變化下,仍能維持相當的穩定,但矽晶体的β值將產生較大的變化。室溫下,矽晶体的漏電電流非常微小,但鍺晶体欲很大,室溫升高時會更形增加。

2.集極回授偏壓法
如圖5-8所示電路,稱為集極回授偏壓電路,此電路是將集極電壓回授到基極電路。現在假設由於溫度上升,使得IC增大,則ICRC也變大,這將使VCE變小,而VBERB均為定值,故IB減小,使IC隨著變小,阻止了IC之變大。反之若受到某因數之影響使IC變小時,則ICRC也變小,使VCE變大,而IB隨著增大,IC也跟著變大。所以集極回授偏壓法可阻止工作點之偏移,以改善電路之穩定性。

由圖中可看出其輸入迴路方程式為:

VCC=I’CRL+IBRB+VBE → I’C=IB+ICIC=βIB

..............(公式5-11)

其輸出迴路方程式為:

VCC= I’CRL+VCE VCE = VCC - ICRL (公式5-12)

[5-5] 如圖5-8所示電路,設工作點之IC=0.8mAVCE =8V,β=50VCC =16V,求RLRB之值。

[](1)

(2)=

(3)

3.含射極電阻電流回授法

如圖5-9所示電路,在射極加一電阻RE,此電阻稱為射極電阻。RE可產生負回授作用,因此可以作溫度補償以穩定工作點。

當溫度升高而使電晶体的IB增大時,ICIE均隨之變大,故RE之電壓降增大,結果使VBE之順向電壓減低。則IB必下降,因而控制了因溫度上升而引起的ICIB的增益電流。

其輸入回路方程式為:

VCC=IBRB+VBE+IERE

IE=IB+IC=IB+βIB=(β+1)IB

VCC - VBE= IB[RB+(β+1) RE]

..(公式5- 13)

輸出電壓回路方程式為:

VCE= VCC-ICRC-IERE

IE IC

VCE= VCC-IC(RC+RE) ….(公式5- 14)

[5-6] 如圖5-9所示電路,若VCC =12VRC=3KΩ、RB =700KΩ、RE=1 KΩ,β=100,試求IBVCE各為多少?

[](1) =

(2) VCE= VCC-IC(RC+RE)=

5-3共集極放大電路

共集極放大電路常被應用在阻抗匹配上。由於射極之輸出電壓會隨著輸入電壓而改變,故又稱為射極隨耦器。共集極放大電路有下列特點:

  1. 輸出與輸入同相。
  2. 輸入阻抗很高,故從信號源吸入之電流極小。
  3. 輸出阻抗很低,又有極大之電流增益,故可供給負載較大之電流。
  4. 輸出電壓與輸入電壓幾乎完全相等,故沒有電壓增益。
  5. 由於其輸入阻抗高,輸出阻抗低,因此常用於作阻抗轉換,以驅動低阻抗之負載。

共集極放大電路的直流偏壓,最常用的有射極回授偏壓及定點偏壓法。

如圖5-10所示即為射極回授偏壓電路,係使用RE之電壓降作為回授,以提高工作點之穩定性。其輸入回路方程式為

VCC=IBRB+VBE+IERE

=IBRB+VBE+(β+1)IBRE

…….(公式5- 15)

輸出回路方程式為

IE=IB+IC=(β+1)IBβIB ………(公式5- 16)

VE=IE×RE=(β+1)IB REβIB RE …………(公式5- 17)

[5-7] 如圖5-11所示電路,若電晶体之β值為100,求IBIEVE各為多少?

[](1) =

      (2) IEβIB=

      (3) VE=IE×RE=

5-4共基極放大電路

共基極放大電路之輸入阻抗以順向偏壓故極小。必需輸入較大的信號電流。因此,除非是信號源的電壓很小,而且內阻也極低,否則很少使用。

共基極放大電路具有下列特點:

  1. 輸出電壓與輸入電壓同相。
  2. 有電壓增益,但沒有電流增益。
  3. 輸入阻抗很小,輸出阻抗極大。主要用於阻抗匹配,以匹配一極低的輸入阻抗至高負載阻抗。例如無線電天線及混波放大電路之間。