模擬電子電路基礎(chǔ)：耦合、放大、振蕩、調(diào)幅和檢波

在電子電路中，電源、放大、振蕩和調(diào)制電路被稱(chēng)為模擬電子電路，因?yàn)樗鼈兗庸ず吞幚淼氖沁B續(xù)變化的模擬信號(hào)。

1. 反饋

反饋是指把輸出的變化通過(guò)某種方式送到輸入端，作為輸入的一部分。如果送回部分和原來(lái)的輸入部分是相減的，就是負(fù)反饋。

2. 耦合

一個(gè)放大器通常有好幾級(jí)，級(jí)與級(jí)之間的聯(lián)系就稱(chēng)為耦合。放大器的級(jí)間耦合方式有三種：

①RC 耦合(見(jiàn)圖a): 優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低。但性能不是最佳。

② 變壓器耦合(見(jiàn)圖b):優(yōu)點(diǎn)是阻抗匹配好、輸出功率和效率高，但變壓器制作比較麻煩。

③ 直接耦合(見(jiàn)圖c): 優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬，可作直流放大器使用，但前后級(jí)工作有牽制，穩(wěn)定性差，設(shè)計(jì)制作較麻煩。

3. 功率放大器

能把輸入信號(hào)放大并向負(fù)載提供足夠大的功率的放大器叫功率放大器。例如收音機(jī)的末級(jí)放大器就是功率放大器。

3.1 甲類(lèi)單管功率放大器

負(fù)載電阻是低阻抗的揚(yáng)聲器，用變壓器可以起阻抗變換作用，使負(fù)載得到較大的功率。

這個(gè)電路不管有沒(méi)有輸入信號(hào)，晶體管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，靜態(tài)電流比較大，困此集電極損耗較大，效率不高，大約只有 35 %。這種工作狀態(tài)被稱(chēng)為甲類(lèi)工作狀態(tài)。這種電路一般用在功率不太大的場(chǎng)合，它的輸入方式可以是變壓器耦合也可以是 RC 耦合。

3.2 乙類(lèi)推挽功率放大器

下圖是常用的乙類(lèi)推挽功率放大電路。

它由兩個(gè)特性相同的晶體管組成對(duì)稱(chēng)電路，在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，每個(gè)管子都處于截止?fàn)顟B(tài)，靜態(tài)電流幾乎是零，只有在有信號(hào)輸入時(shí)管子才導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱(chēng)為乙類(lèi)工作狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)是正弦波時(shí)，正半周時(shí)VT1 導(dǎo)通 VT2 截止，負(fù)半周時(shí) VT2 導(dǎo)通 VT1截止。兩個(gè)管子交替出現(xiàn)的電流在輸出變壓器中合成，使負(fù)載上得到純正的正弦波。這種兩管交替工作的形式叫做推挽電路。

3.3 OTL 功率放大器

目前廣泛應(yīng)用的無(wú)變壓器乙類(lèi)推挽放大器，簡(jiǎn)稱(chēng) OTL 電路，是一種性能很好的功率放大器。為了易于說(shuō)明，先介紹一個(gè)有輸入變壓器沒(méi)有輸出變壓器的 OTL 電路，如下圖所示。

4. 直流放大器

能夠放大直流信號(hào)或變化很緩慢的信號(hào)的電路稱(chēng)為直流放大電路或直流放大器。測(cè)量和控制方面常用到這種放大器。

4.1 雙管直耦放大器

直流放大器不能用 RC 耦合或變壓器耦合，只能用直接耦合方式。下圖是一個(gè)兩級(jí)直耦放大器。直耦方式會(huì)帶來(lái)前后級(jí)工作點(diǎn)的相互牽制，電路中在 VT2 的發(fā)射極加電阻 R E 以提高后級(jí)發(fā)射極電位來(lái)解決前后級(jí)的牽制。

直流放大器的另一個(gè)更重要的問(wèn)題是零點(diǎn)漂移。所謂零點(diǎn)漂移是指放大器在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，由于工作點(diǎn)不穩(wěn)定引起靜 態(tài)電位緩慢地變化，這種變化被逐級(jí)放大，使輸出端產(chǎn)生虛假信號(hào)。放大器級(jí)數(shù)越多，零點(diǎn)漂移越嚴(yán)重。所以這種雙管直耦放大器只能用于要求不高的場(chǎng)合。

4.2 差分放大器

解決零點(diǎn)漂移的辦法是采用差分放大器，下圖是應(yīng)用較廣的射極耦合差分放大器。它使用雙電源，其中 VT1 和 VT2

的特性相同，兩組電阻數(shù)值也相同， R E 有負(fù)反饋?zhàn)饔?。?shí)際上這是一個(gè)橋形電路，兩個(gè) R C 和兩個(gè)管子是四個(gè)橋臂，輸出電壓 V 0從電橋的對(duì)角線(xiàn)上取出。沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，因?yàn)?RC1=RC2和兩管特性相同，所以電橋是平衡的，輸出是零。由于是接成橋形，零點(diǎn)漂移也很小。差分放大器有良好的穩(wěn)定性，因此得到廣泛的應(yīng)用。

5. 集成運(yùn)算放大器

集成運(yùn)算放大器是一種把多級(jí)直流放大器做在一個(gè)集成片上，只要在外部接少量元件就能完成各種功能的器件。因?yàn)樗缙谑怯迷谀M計(jì)算機(jī)中做加法器、乘法器用的，所以叫做運(yùn)算放大器。

6. 振蕩器

不需要外加信號(hào)就能自動(dòng)地把直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定振幅和一定頻率的交流信號(hào)的電路就稱(chēng)為振蕩電路或振蕩器。這種現(xiàn)象也叫做自激振蕩?；蛘哒f(shuō)，能夠產(chǎn)生交流信號(hào)的電路就叫做振蕩電路。

一個(gè)振蕩器必須包括三部分：放大器、正反饋電路和選頻網(wǎng)絡(luò)。放大器能對(duì)振蕩器輸入端所加的輸入信號(hào)予以放大使輸出信號(hào)保持恒定的數(shù)值。正反饋電路保證向振蕩器輸入端提供的反饋信號(hào)是相位相同的，只有這樣才能使振蕩維持下去。選頻網(wǎng)絡(luò)則只允許某個(gè)特定頻率f0能通過(guò)，使振蕩器產(chǎn)生單一頻率的輸出。

振蕩器能不能振蕩起來(lái)并維持穩(wěn)定的輸出是由以下兩個(gè)條件決定的：

一個(gè)是反饋電壓Uf和輸入電壓 Ui要相等，這是振幅平衡條件。

二是 Uf 和 Ui必須相位相同，這是相位平衡條件，也就是說(shuō)必須保證是正反饋。一般情況下，振幅平衡條件往往容易做到，所以在判斷一個(gè)振蕩電路能否振蕩，主要是看它的相位平衡條件是否成立。

振蕩器按振蕩頻率的高低可分成超低頻( 20赫以下)、低頻( 20赫～ 200千赫)、高頻(200千赫～ 30兆赫)和超高頻( 10兆赫～ 350兆赫)等幾種。按振蕩波形可分成正弦波振蕩和非正弦波振蕩兩類(lèi)。

正弦波振蕩器按照選頻網(wǎng)絡(luò)所用的元件可以分成 LC 振蕩器、 RC振蕩器和石英晶體振蕩器三種。石英晶體振蕩器有很高的頻率穩(wěn)定度，只在要求很高的場(chǎng)合使用。在一般家用電器中，大量使用著各種 LC振蕩器和 RC 振蕩器。

6.1 LC振蕩器

LC 振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是LC 諧振電路。它們的振蕩頻率都比較高，常見(jiàn)電路有 3 種。

1) 變壓器反饋 LC 振蕩電路

圖(a)是變壓器反饋 LC 振蕩電路。晶體管 VT 是共發(fā)射極放大器。變壓器 T 的初級(jí)是起選頻作用的 LC 諧振電路，變壓器 T

的次級(jí)向放大器輸入提供正反饋信號(hào)。接通電源時(shí)， LC 回路中出現(xiàn)微弱的瞬變電流，但是只有頻率和回路諧振頻率 f 0

相同的電流才能在回路兩端產(chǎn)生較高的電壓，這個(gè)電壓通過(guò)變壓器初次級(jí) L1 、 L2 的耦合又送回到晶體管 V

的基極。從圖(b)看到，只要接法沒(méi)有錯(cuò)誤，這個(gè)反饋信號(hào)電壓是和輸入信號(hào)電壓相位相同的，也就是說(shuō)，它是正反饋。因此電路的振蕩迅速加強(qiáng)并最后穩(wěn)定下來(lái)。

變壓器反饋 LC 振蕩電路的特點(diǎn)是：頻率范圍寬、容易起振，但頻率穩(wěn)定度不高。它的振蕩頻率是： f 0 =1/2π LC 。常用于產(chǎn)生幾十千赫到幾十兆赫的正弦波信號(hào)。

2) 電感三點(diǎn)式振蕩電路

圖(a)是另一種常用的電感三點(diǎn)式振蕩電路。圖中電感 L1 、 L2 和電容 C 組成起選頻作用的諧振電路。從 L2 上取出反饋電壓加到晶體管VT 的基極。從圖(b)看到，晶體管的輸入電壓和反饋電壓是同相的，滿(mǎn)足相位平衡條件的，因此電路能起振。由于晶體管的 3 個(gè)極是分別接在電感的 3個(gè)點(diǎn)上的，因此被稱(chēng)為電感三點(diǎn)式振蕩電路。

電感三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)是：頻率范圍寬、容易起振，但輸出含有較多高次調(diào)波，波形較差。它的振蕩頻率是： f 0 =1/2π LC ，其中 L=L1 + L2 + 2M 。常用于產(chǎn)生幾十兆赫以下的正弦波信號(hào)。

3) 電容三點(diǎn)式振蕩電路

還有一種常用的振蕩電路是電容三點(diǎn)式振蕩電路，見(jiàn)圖(a)。圖中電感 L 和電容 C1 、 C2 組成起選頻作用的諧振電路，從電容 C2上取出反饋電壓加到晶體管 VT 的基極。從圖(b)看到，晶體管的輸入電壓和反饋電壓同相，滿(mǎn)足相位平衡條件，因此電路能起振。由于電路中晶體管的 3個(gè)極分別接在電容 C1 、 C2 的 3 個(gè)點(diǎn)上，因此被稱(chēng)為電容三點(diǎn)式振蕩電路。

電容三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)是：頻率穩(wěn)定度較高，輸出波形好，頻率可以高達(dá) 100 兆赫以上，但頻率調(diào)節(jié)范圍較小，因此適合于作固定頻率的振蕩器。它的振蕩頻率是： f 0 =1/2π LC ，其中 C= C 1 +C 2 。

上面 3 種振蕩電路中的放大器都是用的共發(fā)射極電路。共發(fā)射極接法的振蕩器增益較高，容易起振。也可以把振蕩電路中的放大器接成共基極電路形式。共基極接法的振蕩器振蕩頻率比較高，而且頻率穩(wěn)定性好。

6.2 RC 振蕩器

RC 振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是 RC 電路，它們的振蕩頻率比較低。常用的電路有兩種。

1) RC 相移振蕩電路

RC 相移振蕩電路的特點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但穩(wěn)定性不高，而且調(diào)節(jié)不方便。一般都用作固定頻率振蕩器和要求不太高的場(chǎng)合。它的振蕩頻率是：當(dāng) 3 節(jié) RC 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)相同時(shí)： f 0 = 1 2π 6RC 。頻率一般為幾十千赫。

2) RC 橋式振蕩電路

RC 橋式振蕩電路的性能比 RC 相移振蕩電路好。它的穩(wěn)定性高、非線(xiàn)性失真小，頻率調(diào)節(jié)方便。它的振蕩頻率是：當(dāng) R1=R2=R 、 C1=C2=C 時(shí) f 0 = 1 2πRC 。它的頻率范圍從 1 赫～ 1 兆赫。

7. 調(diào)幅和檢波電路

廣播和無(wú)線(xiàn)電通信是利用調(diào)制技術(shù)把低頻聲音信號(hào)加到高頻信號(hào)上發(fā)射出去的。在接收機(jī)中還原的過(guò)程叫解調(diào)。其中低頻信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)，高頻信號(hào)則叫載波。常見(jiàn)的連續(xù)波調(diào)制方法有調(diào)幅和調(diào)頻兩種，對(duì)應(yīng)的解調(diào)方法就叫檢波和鑒頻。

7.1 調(diào)幅電路

調(diào)幅是使載波信號(hào)的幅度隨著調(diào)制信號(hào)的幅度變化，載波的頻率和相位不變。能夠完成調(diào)幅功能的電路就叫調(diào)幅電路或調(diào)幅器。

調(diào)幅是一個(gè)非線(xiàn)性頻率變換過(guò)程，所以它的關(guān)鍵是必須使用二極管、三極管等非線(xiàn)性器件。根據(jù)調(diào)制過(guò)程在哪個(gè)回路里進(jìn)行可以把三極管調(diào)幅電路分成集電極調(diào)幅、基極調(diào)幅和發(fā)射極調(diào)幅 3 種。下面舉集電極調(diào)幅電路為例。

上圖是集電極調(diào)幅電路，由高頻載波振蕩器產(chǎn)生的等幅載波經(jīng) T1 加到晶體管基極。低頻調(diào)制信號(hào)則通過(guò) T3 耦合到集電極中。 C1 、 C2 、C3 是高頻旁路電容， R1 、 R2 是偏置電阻。集電極的 LC并聯(lián)回路諧振在載波頻率上。如果把三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)選在特性曲線(xiàn)的彎曲部分，三極管就是一個(gè)非線(xiàn)性器件。因?yàn)榫w管的集電極電流是隨著調(diào)制電壓變化的，所以集電極中的 2 個(gè)信號(hào)就因非線(xiàn)性作用而實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅。由于 LC 諧振回路是調(diào)諧在載波的基頻上，因此在 T2 的次級(jí)就可得到調(diào)幅波輸出。

7.2 檢波電路

檢波電路或檢波器的作用是從調(diào)幅波中取出低頻信號(hào)。它的工作過(guò)程正好和調(diào)幅相反。檢波過(guò)程也是一個(gè)頻率變換過(guò)程，也要使用非線(xiàn)性元器件。常用的有二極管和三極管。另外為了取出低頻有用信號(hào)，還必須使用濾波器濾除高頻分量，所以檢波電路通常包含非線(xiàn)性元器件和濾波器兩部分。下面舉二極管檢波器為例說(shuō)明它的工作原理。

上圖是一個(gè)二極管檢波電路。 VD 是檢波元件， C 和 R 是低通濾波器。當(dāng)輸入的已調(diào)波信號(hào)較大時(shí)，二極管 VD是斷續(xù)工作的。正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通，對(duì) C 充電;負(fù)半周和輸入電壓較小時(shí)，二極管截止， C 對(duì) R 放電。在 R兩端得到的電壓包含的頻率成分很多，經(jīng)過(guò)電容 C 濾除了高頻部分，再經(jīng)過(guò)隔直流電容 C0 的隔直流作用，在輸出端就可得到還原的低頻信號(hào)。

8. 調(diào)頻和鑒頻電路

調(diào)頻是使載波頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅度變化，而振幅則保持不變。鑒頻則是從調(diào)頻波中解調(diào)出原來(lái)的低頻信號(hào)，它的過(guò)程和調(diào)頻正好相反。

8.1 調(diào)頻電路

能夠完成調(diào)頻功能的電路就叫調(diào)頻器或調(diào)頻電路。常用的調(diào)頻方法是直接調(diào)頻法，也就是用調(diào)制信號(hào)直接改變載波振蕩器頻率的方法。下圖畫(huà)出了它的大意，圖中用一個(gè)可變電抗元件并聯(lián)在諧振回路上。用低頻調(diào)制信號(hào)控制可變電抗元件參數(shù)的變化，使載波振蕩器的頻率發(fā)生變化。

8.2 鑒頻電路

能夠完成鑒頻功能的電路叫鑒頻器或鑒頻電路，有時(shí)也叫頻率檢波器。鑒頻的方法通常分二步，第一步先將等幅的調(diào)頻波變成幅度隨頻率變化的調(diào)頻 — 調(diào)幅波，第二步再用一般的檢波器檢出幅度變化，還原成低頻信號(hào)。常用的鑒頻器有相位鑒頻器、比例鑒頻器等。