截止失真与放大电路的关系

放大电路是用来将微弱的电信号（如电压、电流、功率等）加以放大的电路，其放大能力通常用增益来表示。

放大电路的输入电阻反映了它对信号源的衰减程度。输入电阻越大，从信号源获取电流越小，加到输入端的电压就越接近信号源电压。因此，放大电路的输入电阻大一些为好。

饱和失真是指放大电路在动态情况下，工作点已有一部分进入饱和区而引起的失真。

截止失真是指放大电路在动态情况下，工作点已有一部分进入截止区而引起的失真。

1.单管放大电路

晶体管是一种电流放大器件，在实际使用中常常利用晶体管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用（见图4-7）。

放大电路的静态工作点是指没有信号输入时，晶体管各极的直流电流和电压。当集电极电源V_CC和集电极电阻R_c确定后，放大器的静态工作点由基极电流I_b来确定。若没有偏置电路，信号电压加入之前，发射极电路处于截止状态，I_b≈0，此时加入正弦变化的信号电压，则在其正半周时发射极电路导通，I_b随输入电压而变化，负半周时电路截止，I_b=0，结果输入电流I_b已不再是正弦波形，与之相应的集电极电流I_c波形将出现失真，因此，为了不失真地放大信号波形，必须建立适当的静态工作点。

放大电路不设置静态工作点，会引起信号波形失真；但如果静态工作点选择不当，同样也会造成失真。由于在动态时，放大电路的动态工作范围以静态工作点Q为中心移动，所以若Q点选择不当容易使晶体管过早进入非线性区，造成非线性失真。

由于晶体管特性的非线性，当静态工作点Q设置过高或偏低时，都会使放大电路产生信号波形失真，必须设法消除失真。

图4-7 单管放大电路

晶体管有以下三种工作状态：

1）截止状态：当加在晶体管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，这时晶体管失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，这时晶体管处于截止状态。

2）放大状态：当加在晶体管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，晶体管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使晶体管具有电流放大作用，这时晶体管处于放大状态。

3）饱和导通状态：当加在晶体管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时晶体管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态，这时晶体管处于饱和导通状态。

根据晶体管的输入和输出信号的公共端不同，晶体管在电路中有三种连接方式，分别是共发射极连接、共集电极连接、共基极连接（见图4-8～图4-10）。

图4-8 共发射极放大电路

图4-9 共集电极放大电路

图4-10 共基极放大电路

共发射极连接是以发射极为输入回路和输出回路的公共端，常用在开关和放大电路中。共集电极连接是以集电极为输入回路和输出回路的公共端，常用来实现阻抗变换。共基极连接是以基极为输入回路和输出回路的公共端，常用在高频放大和振荡电路。

2.多级放大电路

耦合就是指多级放大电路中各级之间的连接方式。一个单级放大器与另一个单级放大器之间的耦合称为级间耦合。

多级放大电路常用的耦合方式有直接耦合、阻容耦合和变压器耦合三种（见图4-11～图4-13）。

图4-11 直接耦合式放大电路

图4-12 阻容耦合式放大电路

对多级放大器的级间耦合有下列要求：

1）尽量不影响前后级原有的工作状态，尽量减小前后级放大器之间的相互影响。

2）尽量减小信号在耦合电路上的损失。

3）不能引起信号失真。

对于直流信号和变化缓慢的交流信号的放大，采用直接耦合；阻容耦合常用于一般低频放大电路；在传输的信号功率较大且要求阻抗变换的场合，则采用变压器耦合。

图4-13 变压器耦合式放大电路

3.运算放大电路

集成运算放大电路是一种具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出电阻的直接耦合放大电路。运算放大器是模拟电路中的特殊放大器，只要适当选取外部元器件，就能构成各种运算电路，如放大、加法、减法、微分和积分等。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。

随着集成电路技术的发展，如今绝大部分的运算放大器是以单片的形式存在的。自20世纪60年代集成运算放大电路问世以来，运算放大器各个系列产品层出不穷，以价格低、性能优得到广泛应用，现已持续不断地渗透到模拟和混合模拟-数字电子学的各个领域。

集成运算放大电路的特点：

1）对称性好；

2）用有源元件代替无源元件；

3）采用直接耦合放大电路。

使用集成运算放大电路时，为了分析方便，一般把集成运算放大电路视为理想器件，而且应满足如下条件：

1）开环电压增益为无穷大（A_u=∞）；

2）输入电阻为无穷大（R_i=∞），输出电阻接近0（R_o=0）；(www.xing528.com)

3）开环带宽为无穷大（B_w=∞）；

4）同相输入端电压u_P与反相输入端电压u_N相等时，输出电压u_o=0，无温漂。

因此，对于工作在线性区的理想运算放大器应满足“虚短”（即u_P=u_N）、“虚断”（即i_P=i_N=0）两个条件，使用时注意上述“虚短”、“虚断”四字法则的灵活应用。

集成运算放大器组成放大电路根据输入组态的不同，分为反相输入放大器、同相输入放大器和差动输入放大器。由于运算放大器组成放大电路应用在不同的场合，对运算放大器的各个参数的选择有很大的区别。除通用运算放大器外，有多种特殊运算放大器可供选择。在设计时应根据设计任务的不同，合理选用芯片，然后设计外接元器件，使之达到设计要求。

在线性应用时，要加深度的负反馈电路才能工作，负反馈电路对整体电路有如下作用：

1）负反馈使放大电路的电压放大倍数降低，但使放大电路的工作性能得到了提高和稳定。负反馈可改善非线形失真、展宽通频带等。

2）输出电压与输出电流得到稳定，电压负反馈具有稳定输出电压的作用；电流负反馈具有稳定输出电流的作用。

3）对输入电阻和输出电阻的影响，串联负反馈使输入电阻R_i增大；并联负反馈使输入电阻R_i减小。电压负反馈可使输出电压基本稳定，致使输出电阻R_o减小；电流负反馈可使输出电流基本稳定，致使输出电阻R_o增大。

加上负反馈的集成运算放大电路可组成各种运算电路，由于工作在深度负反馈的条件下，所以运算电路的输入、输出关系基本取决于反馈电路和输入电路的结构与参数，而与运算放大器本身的参数无关。故通过改变输入电路和反馈电路的形式及参数就可以实现不同的运算关系，如比例、加法、减法、积分和微分等运算（见图4-14）。

运算放大电路的非线性应用方面，要注意电路工作在饱和区，输出为±U_OM，或稳压管限幅后的稳定电压为±U_Z。运算放大电路的非线性应用一般有电压比较器、非正弦周期信号发生器等电路。

图4-14 运算放大电路（反相比例电路）

集成运算放大器的分类：

1）按用途分为通用型和专用型；

2）按供电电源分为双电源型和单电源型；

3）按其制作工艺分为双极型、单极型和双极-单极兼容型；

4）按同一芯片集成的运算放大器数目分为单运算放大器、双运算放大器、三运算放大器和四运算放大器。

集成运算放大器种类和型号繁多，一般依据其性能参数的不同分为通用型和专用型两大类。专用型运算放大器有高输入阻抗型、低漂移型、高速型、低功耗型、高压型、大功率型、电压比较器型等。

在进行电路设计时选用何种类型和型号，应根据系统对电路的要求加以确定。在通用型运算放大器能满足要求时，应尽量选用通用型，因其价格低、易于购买。专用型运算放大器是某一项性能指标较高的运算放大器，它的其他性能指标不一定高，有时甚至可能比通用型运算放大器还低，选用时应充分注意。此外，选用时除满足主要技术性能参数外，还应考虑性价比。性能指标高的运算放大器，价格也会较高。在选用时如无特殊要求，应优先选用通用型和多运算放大器型的芯片。

运算放大器的各种性能参数都是在一定的环境条件下测定的，当外部环境或条件发生变化时，性能参数会发生变化。在设计选用时，应注意性能参数的测试条件，尤其是对环境条件敏感的参数如输入失调电压U_io、输入失调电流I_io、温漂dU_io/dT、dI_io/dT等。

4.波形发生电路

波形发生电路或振荡电路由基本放大电路、正反馈电路和选频电路三个部分组成。

自激振荡的条件：

1）自激振荡的幅度条件：反馈系数A_uF≥1；

2）自激振荡的相位条件：反馈相位φ=±2nπ（n为整数）。

根据选频电路的不同，正弦波振荡器分为RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器三种。

除了正弦波振荡电路，还有矩形波、三角波、锯齿波等的波形发生电路，这些电路在这里不作详细介绍。

5.功率放大电路

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般要直接驱动负载，带负载能力强。

在晶体管的基本放大电路中，共集放大电路的输出电阻最小，带负载能力最强，所以常用作功率放大器的输出级。

功率放大器的工作电压和电流接近晶体管的极限参数，如集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许电流、集电极-发射极击穿电压，这三个极限参数在晶体管的输出特性曲线上限定了一个工作范围，为了避免晶体管工作时由于过热和过电压等原因而损坏，一般不超过安全工作区所规定的界限。

根据功率放大器中晶体管静态工作点在交流负载线上的位置不同，功率放大器可分为以下五种工作状态：

1）甲类（或A类），工作状态点在交流负载的中点。在输入信号的整个周期内，晶体管处于放大状态，输出的是一种没有削波失真的完整信号。由于静态工作点较高，故效率很低。在输入正弦信号的一个周期内晶体管都导通，都有电流流过晶体管，功率管的导电角θ=2π。

2）乙类（或B类），工作状态点在交流负载线和基极电流接近于0的输出特性曲线的交界处。在输入信号的整个周期内，晶体管是半个周期在放大区工作，另半个周期在截止区，放大器只有半波输出，功率管的导电角θ=π。由于静态工作点低，故功耗最小，效率最高可达75%。

3）甲乙类（或AB类），工作状态点在交流负载线上略高于乙类工作点处。输出波形比乙类削波程度小些，不是把整个半周全部削掉，此时功率管的导电角θ满足π＜θ＜2π。波形失真和效率介于甲类和乙类之间。

4）丙类（或C类），功率管的导电角小于半个周期，即0＜θ＜π。

5）丁类（或D类），工作状态在截止和导通两种状态中频繁轮换。其放大晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接，电流流通但晶体管无电压，因此无功率消耗。当输出晶体管关闭时，全部电源供应电压即出现在晶体管上，但没有电流，因此也不消耗功率，故理论上的效率为100%。

甲类、甲乙类和乙类功率放大器主要用于模拟信号特别是音频信号的放大。丙类功率放大器是一种失真非常高的功率放大器，多在通信用途上使用。丁类放大器也称开关放大器或数码放大器，因其使晶体管处于导通和截止两种状态。丁类放大器的电路非常简单，效率很高，非常适合使用于数字电路的功率驱动，例如打印机里面的电机驱动、打印针驱动等。

利用两只特性相同的晶体管，使它们都工作在乙类状态，其中一只晶体管工作在输入信号的正半周，另一只晶体管工作在输入信号的负半周，然后将两管的输出波形在负载上组合到一起，从而得到一个完整的波形，这种放大器就是推挽功率放大器。

无输出电容（Output Capcitor-Less，OCL）和无输出变压器（Output Transformer-Less，OTL）是互补推挽功率放大器的两种常见的形式。利用NPN型晶体管和PNP型晶体管的互补作用组成的OCL和OTL电路，是目前分立元件和集成电路广泛采用的功率放大电路形式。

OCL功率放大器是指电路采用双电源供电，由两个特性一致的互补晶体管组合而成的。因为电路中没有输出电容和变压器，所以称为OCL电路。

OTL功率放大器是指采用一个电源供电的互补对称电路，在输出端接一个容量较大的电容器C_L，输出信号通过电容耦合到负载R_L，而不用变压器，故称为OTL电路。

OCL和OTL电路的区别在于前者双电源供电，无输出电容；后者用单电源供电，有输出电容。由于OCL电路的输出端不用电容耦合，低频特性好，电源对称性强，因而噪声和交流声都很小。

无输出变压器耦合功率放大器具有结构简单、体积小、效率高、频率特性好、可采用深度负反馈、非线性失真小和便于集成等众多的优点。但是这种电路对晶体管和电源要求比较高，尤其是负载电阻过大或者太小时，对晶体管要求更为严格。没有变压器的阻抗变换作用，设计比较困难。

变压器耦合功率放大器一个突出的优点是它具有阻抗变换作用，使放大器很方便地获得最佳负载，但它体积大、成本高、制作工艺复杂、频率响应差。由于变压器具有损耗，也限制了放大器总效率的提高，又由于变压器存在漏电感和分布电容，在引入深度负反馈时容易自励，故限制了深度负反馈的作用。