一个舞者要想跳出美丽的舞蹈,开始的位置,也就是静态,最好在舞台中央,这样她才会有足够的施展空间。放大器也一样。图1是一种静态不合适的电路,在没有施加信号ui的情况下(相当于A点接地),它的静态工作点处于晶体管的截止位置:UBEQ=0V,IBQ=0mA,ICQ=0mA,UCEQ=EC。这相当于舞台的一个边缘(另外一个边缘在饱和位置)。当然这种电路也不是一点用处没有,在一个开关电路中,这种静态不合适的电路还是有用的,在单片机的周边电路中经常见到图1这种电路。
此时,输入信号如果是大于0的正弦波前半周,电路的输出会跟着变化。但是如果输入信号出现负值,则iB受PN结单向导电制约,不可能出现负值,只能维持0不变,输出就一点都没有变化。而绝大多数信号,包括我们经常使用的信号源,输出都是正负变化的。
(资料图)
很显然,通过改进这个电路,让UCEQ=0.5EC,即C点电位处于EC的一半,是一个合适的静态位置。图2是一个改进了的静态电路,合理选择RB、RC、EC,一定能让该电路具有合适的静态工作点。
但是,输入信号怎么接进电路中呢?
图1 一种静态不合适的电路
图2 NPN晶体管的一种静态电路
耦合
耦合,英文为coupling,源自couple(两个东西的对接)。虽然在不同的领域耦合有不同的解释,但是在电子学领域,耦合的含义是两组或者两组以上的电子学系统通过合适的方法(无论有线、无线,电阻、电容、变压器或者空间场),实现能量或者信息的传递。
在图2所示的静态电路中,用一种方法,将变化的输入信号传递到电路中,让电路“动起来”——电流开始变化,电压也开始变化——这就是输入耦合。
想想三极管的理想放大电路模型中,如图3,它好像已经实现了这个目的:将输入信号叠加在一个直流电压源上,输入信号被成功耦合到了电路中。但,这是一个理想化电路,在实际应用中无法实现。原因在于输入信号ui很难实现和直流电压源的串联——除非它是一个变压器的副边。我们常用的信号源都是单端输出的,其负端都是默认接地的,一旦这样连接,就等同于将EB接地。
图3 原理最简单的信号放大器
图2是一个静态合适的电路,但是,如何连接,能够让输入信号ui介入到这个电路中,使其发生与图3理想电路类似的工作效果呢?这就是输入信号如何耦合到放大电路中,或者叫如何实现输入耦合。
阻容耦合
图4给出了一种解决方案,也是我们经常见到的标准放大电路,该电路的全称是“NPN管组成的阻容耦合共射级单级放大电路”。
图4 实现输入、输出耦合的放大电路
在电路中,C1起到了输入耦合的作用,负责在不影响晶体管静态工作点的情况下,将输入信号耦合到放大电路中。工作原理如下:在输入信号为0的静态,C1内含大量的电荷,使其具有与UBEQ完全相等的电压,在输入信号开始变化时,由于电容C1容值很大,且输入端存在一定的阻值,使其充放电时间常数很大,输入信号对它的快速充电或者放电,都不足以改变C1两端的电压,即C1两端电压为恒定值。因此,输入信号变正时,C1左侧电位上升,会导致C1右侧电位跟着上升,uBE也就上升,iB变大,输入信号就被成功引入到了晶体管的基极。反之,输入信号变负,uBE就下降,iB变小。可以看出,在输入信号频率较高时,C1起到了一个将电容左侧电位变化传递到电容右侧的作用。
很妙吧,这种方法叫阻容耦合。它也有缺点,当输入信号为一个直流量,比如体重信号,这个电路就完全失效了,电容C1起到的隔直作用,把输入直流量完全阻断在放大电路之外,耦合没有成功。同学们可以想想,除了用C1和输入电阻实现的阻容耦合方式,还有什么方法可以实现直流、交流信号都能顺利耦合?
同样的,在输出端也需要这样的耦合,靠电容C2配合负载电阻RL实现。经此耦合后,图中喇叭上的信号只保留了较高频率的交流信号,而阻隔了低频或者直流信号。
除阻容耦合之外,还有直接耦合、变压器耦合等,常用于模拟信号的耦合。在负反馈电路配合下,光电耦合也可用于模拟信号。
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