電子管基礎(chǔ)知識教程（五）電子管放大器的基本分析方法

電子管放大器的分析方法最常用的是圖解分析法和等效電路分析法。

一、圖解分析法
電子管的特性可以用特性曲線來表示，因此可以利用電子管的靜態(tài)特性曲線來分析放大器的工作情況，這種分析方法稱為圖解分析法。
1．靜態(tài)工作情況
放大器在沒有信號電壓輸入的情況下，電子管處于靜止工作狀態(tài)，這時它的輸入、輸出回路中的電壓、電流的數(shù)值都是直流。
(1)靜態(tài)工作點。以常見的電子管6N1組成的放大器為例(圖22)，屏壓Ea=300V，柵壓Eg=-4V，屏極負(fù)載電阻Ra=30k。在沒有信號電壓輸入的情況下，試用圖解法求出屏流Iao和屏壓Uao的靜態(tài)值。
為便于分析，暫時將放大器的屏極回路以線段AB分隔為兩部分，如圖23(a)所示。左邊是電子管G部分，它的ia與Ua的關(guān)系由圖23(b)的屏極特性曲線確定。右邊是負(fù)載部分，屏極電源Ea與屏極負(fù)載電阻Ra串聯(lián)，端電壓Ua可以用克希荷夫第二定律(回路電壓定律)求出U’a=Ea-i’a×Ra或i’a=（Ea-U’a）/Ra
上式是一個一次方程，在數(shù)學(xué)上一次方程代表一根直線。根據(jù)這個方程，將Ea、ia、Ra各值代入上式，設(shè)U’a=o0，則i’a=Ea/Ra=300/30=10mA，可在縱坐標(biāo)上找得一點N=10mA;再設(shè)i’a=0，那么U’a=Ea=300V，可在橫坐標(biāo)上找得一點M=300V，如圖23(c)所示。由于公式U’a=Ea-i’a×Ra是電子管負(fù)載部分直流通道的方程，因此連接M、N兩點的線段就稱為放大器的直流負(fù)載線。實際上，電路中的i’a=ia，U’a=Ua，所以實際上兩組曲線是重合在一起的，如圖23(d)所示。
已知柵偏壓Eg=-4V，即電子管G工作在Ug=-Eg=-4V那一條屏極特性曲線上，同時Ea與Ra串聯(lián)的電路決定了ia和Ua必須在直流負(fù)載線M、N上，要同時滿足這兩個條件，在整個坐標(biāo)系上只有一個特定的交點Q，所以Q點稱為放大器的靜態(tài)工作點。其對應(yīng)的屏流Iao=4．3mA，屏壓Uao=171V，這就是屏流和屏壓的靜態(tài)值。
靜態(tài)工作點表示：要使放大器中的電子管正常工作，必須在其各電極間供給適當(dāng)?shù)闹绷鞴ぷ麟妷骸?
當(dāng)放大器加入交流信號電壓時，電子管各極間的電流、電壓就會由靜態(tài)時的Iao、Uao和Eg等值開始隨信號電壓的變化而變化。

(2)電路參數(shù)對直流負(fù)載線與靜態(tài)工作點的影響
前面我們分析了一個參數(shù)已經(jīng)確定的放大器的魚載線與工作點，而當(dāng)電路參數(shù)改變時，負(fù)載線與工作點也要隨著改變，因為對應(yīng)于不同的柵壓，電子管的屏流和屏壓之間的關(guān)系也不同。這些影響一般有以下兩個方面。
1)柵偏壓Eg的影響。如果保持屏極電源電壓Ea和屏極負(fù)載電阻Ra不變，而變動?xùn)牌珘篍g的數(shù)值，靜態(tài)工作點將會變動，用圖24加以說明。設(shè)柵壓由ug=-Eg增加到ug=-Eg2，此肘的靜態(tài)工作點在Q2處，如果柵壓增加到ug=-Eg1時，則靜態(tài)工作點將移至Q1處。當(dāng)柵壓分別降低到ug=-Eg3和ug=-Eg4時，則靜態(tài)工作點分別移至Q3和Q4處?？梢?，在屏極電壓Ea和屏極負(fù)載電阻Ra固定的情況下，由公式u’a=Ea-ia×Ra所決定的直流負(fù)載線是不變的，電子管的工作點由柵偏壓決定，柵壓值的改變，必然引起靜態(tài)工作點位置的改變，但其位置的變化始終在直流負(fù)載線MN上。
2)屏極負(fù)載電阻Ra的影響。如果保持其他條件不變，只改變屏極負(fù)載電阻Ra時，則直流負(fù)載線與縱坐標(biāo)的交點N，將沿著縱坐標(biāo)軸上下移動，如果減小Ra，則交點從N點上移到N’點，而增大Ra時，則交點從N點下移到N’’點，見圖25。另外，從圖25還可以看出，Ra的數(shù)值改變時，直流負(fù)載線與橫坐標(biāo)的夾角α也跟著改變，我們把α的正切值稱為負(fù)載線的斜率。從圖25中可以得到
tgα=ON/OM=（Ea/Ra）/Ea=1/Ra或α=tg-a×（1/Ra）
從上式可以看出，直流負(fù)載線的斜率與電源電壓Eg無關(guān)，只決定于屏極負(fù)載電阻Ra的大小。Ra越小，直流負(fù)載線MN的斜率越大，Ra越大，直流負(fù)載線MN的斜率越小。此外還可以看出，直流負(fù)載線的斜率改變時，靜態(tài)工作點也相應(yīng)的改變，如圖中的Q、Q’和Q’’。


2．動態(tài)工作情況
現(xiàn)在來分析放大器電子管柵極回路有信號電壓輸入時的情況，我們將其稱為動態(tài)工作情況。為便于分析，設(shè)在電路中輸入的信號電壓是正弦波，即usr=~ug=Ugmsinωt=2sinωt，則作用在電子管柵極與陰極之間的總電壓為~ug=-Eg+Ug=-Eg+Ugmsinωt=-4+2sinωt。
分析放大器的動態(tài)工作情況，要用電子管在接上負(fù)載電阻Ra時的屏柵特性曲線，簡稱動態(tài)特性曲線，而不能用前面所介紹的靜態(tài)屏柵特性曲線，因為那是電子管未接入負(fù)載的情況。動態(tài)特性曲線是在直流負(fù)載線和屏極特性曲線的基礎(chǔ)上求出的。
在坐標(biāo)系靠前象限中，直流負(fù)載線與屏極特性曲線簇相交于點Q、Q’、Q’’，得到不同柵壓ug時所對應(yīng)的屏流ig值。把這些ug值和它所對應(yīng)的ia值逐點地繪在ia-ug(坐標(biāo)系第二象限)上，將這些點連接起來，便得到電子管6N1當(dāng)其Ea=300、Ra=30k時的動態(tài)特性曲線，其中q點是動態(tài)特性曲線上的工作點。
動態(tài)特性曲線求出來后，在此基礎(chǔ)上就可以作出屏流ia及屏壓ua的波形了?？壳安阶鞒鰑g-ωt(在第三象限)、ia-ωt(在靠前象限)和ua-ωt(在第四象限)三個坐標(biāo)系，然后在ug-ωt坐標(biāo)系上作出ug=-Eg+ug的波形，再分別求出屏流ia和屏壓~ua的波形。從圖中可以看出，當(dāng)~ug=0時，放大器處于靜止?fàn)顟B(tài)，和靜態(tài)工作時相同。當(dāng)加上usr后，ug、ia和ua的數(shù)值都相應(yīng)地發(fā)生了變化。設(shè)定ug的變化量為±2V，所以該電子管只能工作在Ug=-4V+2V(-6V～-2V)的特性曲線范圍內(nèi)，又因其輸出回路限制了它必須在直流負(fù)載線MN上工作，所以電子管只能在直流負(fù)載線的Q’-’’線段上工作。在動態(tài)特性曲線中，q’點是負(fù)載線與Ug=-2V的那一條特性曲線的交點，q’’點則是負(fù)載線與ug=-6V的那一條特性曲線的交點。圖27是放大器的動態(tài)工作情況的圖解。
已知~ug的變化量是±2V，在正半周時，~ug由0增大到峰值(2V)，電子管工作點將由Q點沿著直流負(fù)載線移動到Q’點，相應(yīng)的Ia由0增大到峰值，而~ua則從0減小到負(fù)的峰值。然后ug由峰值減小到0，工作點則由Q’點沿著負(fù)載線回到Q點，相應(yīng)的~Ia也由峰值減小到0，而ua則從負(fù)的峰值重新回到0。負(fù)半周情況和正半周相同，只不過方向相反而已，對應(yīng)于~ug負(fù)半周，電子管工作點由Q點移動到Q’’點，再由Q’’點回到Q點。直流負(fù)載線Q、Q’、Q”所對應(yīng)的動態(tài)負(fù)載線上的點為q、q’、q’’。
這里要注意的是。電子管的特性曲線不完全是直線，~Ia和~ua的波形并不完全與~ug相同，這種現(xiàn)象稱為非線性失真。


3．柵偏壓的作用
在放大器中，輸入回路都要接上柵偏壓Eg，Eg的接法是正極接電子管陰極，負(fù)極接電子管柵極，使電子管柵極的電位相對于陰極為負(fù)。
柵偏壓的作用有兩個：一是使電子管在工作時柵極電位始終低于陰極電位，這樣陰極發(fā)射的電子就不能跑到柵極去，所以柵極回路中沒有柵流：二是使電子管有一個合適的工作點。前面我們已經(jīng)學(xué)過，當(dāng)屏極電源電壓Ea和屏極負(fù)載電阻Ra一定時，工作點Q就由柵偏壓來決定。工作點的位置對放大器的工作有非常大的影響，下面用圖27說明。
靠前種情況是當(dāng)柵偏壓太負(fù)時，這時工作點Q1的位置過低，如圖27(a)所示。由于動態(tài)特性曲線靠近屏流截止處是彎曲的，使得屏流波形負(fù)半周的幅度小于正半周，如圖中的~ia1，說明非線性失真很大。
第二種情況是柵偏壓太小，這時工作點Q3的位置又過高，如圖27(b)所示。輸入信號正半周幅度較大的一段時間內(nèi)(t1～t2)，柵極電位高于陰極電位，柵極回路中產(chǎn)生柵流ig，ig在通過輸入信號電源ex的內(nèi)阻Rx時，產(chǎn)生電壓降如圖27(d)所示『圖27(d)是電子管工作在有柵流時的情況1，這樣在t1—t2時間內(nèi)真正加到電子管柵極與陰極之間的信號電壓usr=ex-i-g×Rx將小于信號電源電勢ex，而在其余的時間中，因為ig等于0，usr等于ex，這說明在出現(xiàn)柵流時，信號電壓的幅度減小使它的波峰變平形成失真，特別要注意的是，這種失真是在未經(jīng)放大之前就已經(jīng)產(chǎn)生了，它使得屏流波形也發(fā)生波峰變平的不對稱失真。
第三種情況是選擇適當(dāng)?shù)臇牌珘?，使工作點處于動態(tài)特性曲線的直線部分中點的位置，這時工作點Q2的位置正確，如圖27(c)所示。屏流波形才是對稱的，此時失真最小，這正是我們所需要的。綜上所述，在放大器電路中柵偏壓不但是必要的，而且還要選擇適當(dāng)?shù)拇笮?，才能避免產(chǎn)生非線性失真。


4．柵偏壓電路
柵偏壓的取得有兩種方
式即自給柵偏壓和固定柵偏壓。自給柵偏壓主要應(yīng)用在陰極電流變化不大的小信號電壓放大電路，而固定柵偏壓則主要應(yīng)用在陰極電流變化較大的功率放大電路。
自給柵偏壓方式通常是在電子管的陰極電路內(nèi)接上一個陰極電阻RK來獲取Eg，如圖28(a)所示。當(dāng)屏流ia流過Rk時，在Rk的兩端產(chǎn)生電壓降，這個電壓降的極性是陰極為正、地為負(fù)，從而使柵極對陰極的電位為負(fù)，起到柵偏壓的作用。但是當(dāng)柵極回路有信號電壓輸入時，由于屏流ia除了直流分量Iao以外，還產(chǎn)生了交流分量~ia，使Rk兩端所產(chǎn)生的電壓降也要發(fā)生變化，這時Rk兩端的電壓將變得不穩(wěn)定而不能起到柵偏壓的作用。解決的方法是在Rk兩端并聯(lián)一個容量足夠大的電容Ck，當(dāng)容抗為1/ωCk＜＜RK時，則可使交流分量~ia絕大部分經(jīng)過Ck，而ia中的直流分量Iao只流過Rk，在Rk、Ck并聯(lián)回路兩端的電壓基本上是穩(wěn)定不變的，從而起到固定Eg的作用，如圖28(b)所示。這種電路簡稱為自偏壓電路。采用自給柵偏壓方式的電子管電路一般無需進(jìn)行調(diào)整。對于陰極電流變化不大的小信號電壓放大級，大多數(shù)采用自給柵偏壓方式，自給柵偏壓方式制作簡單、成本低廉、可靠性高，不容易出現(xiàn)開路現(xiàn)象，有利于保護(hù)電子管，失真也較小。
在功率放大器中，由于功放管陰極回路內(nèi)的電流隨信號變化較
大，并且有時有柵流產(chǎn)生，所以一般不采用自給柵偏壓方式，而采用固定柵偏壓方式，如圖28(c)所示。固定柵偏壓是由一個獨立的柵負(fù)壓電源Eg來供給的，該電路一般是在電源變壓器次級加繞一組60-70V的交流電壓線圈，經(jīng)過整流濾波后，取得一20—60V的平滑直流電源，作為柵負(fù)壓電源，通過限流電阻分壓分別供給電子管的柵極。這種固定柵偏壓方式由于增加了電路的復(fù)雜程度和提高了成本，一般只在功率放大級中使用。固定柵偏壓方式還有一個缺點，就是在調(diào)試過程中如果電位器W控制不好，一旦產(chǎn)生開路，使電子管柵極處于失控狀態(tài)，這樣無論是三極電子管或者四極電子管，實質(zhì)上已經(jīng)變成了二極管，大量電子涌向屏極，導(dǎo)致功率管屏流過大燒紅屏極，時間稍長就會損壞功率管。
在所需要的柵偏壓值和電子管屏流的直流分量已知的情況下．可以通過下式計算出陰極電阻Rk的值：Rk=Eg/Iao。
當(dāng)電子管是五極管時，因為陰極電流中還包括簾柵流，所以要用陰極電流來計算，陰極的直流分量是屏極直流分量Iao和簾柵極直流分量Ig20之和，因此五極管的陰極電阻為：Rk=Eg/(Iao+Ig20)。
另外，陰極旁路電容Ck值的選擇，應(yīng)使它在信號的最低頻率fd時的容抗小于或等于Rk值的1/3左右，即Ck≥3/(2πfdRk)。


5．交流負(fù)載線
在電子管的屏極接上一個耦合電容Coh，就可以隔離屏壓的直流分量而使交流分量通過，同時在電容器的輸出端一般都接上一個電阻Rg，這樣的放大器稱為阻容耦合放大器。
在電子管阻容耦合放大器中，由于耦合電容Coh的隔直流作用，負(fù)載電阻Rg對放大器的直流通路沒有影響，其靜態(tài)工作點和直流負(fù)載線仍然和前面學(xué)過的一樣。然而在動態(tài)工作情況下，屏壓的交流分量~Ua將同時作用于由屏極負(fù)載電阻Ra和屏極電源Ea串聯(lián)后、耦合電容Coh和電阻Rg串聯(lián)后所形成的并聯(lián)回路上，如圖29(a)所示。

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如果耦合電容Coh的容量足夠大，對交流來說相當(dāng)于通路，就得到如圖29(b)所示的交流通道。Ua實際上作用于Ra與Rg并聯(lián)的電阻上，我們把Ra與Rg并聯(lián)值Rfz稱為總負(fù)載電阻，即Rfz=（Ra×Rg）/（Ra+Rg）。
因此對于交流信號而言，負(fù)載線的斜率不再是1/Ra而是1/Rfz。由于Rfz＜Ra所以在交流工作情況下，交流負(fù)載線總是比直流負(fù)載線更陡一些。表示Rfz的負(fù)載線就稱為交流負(fù)載線。從圖中還可以看出，放大器在接上Coh和Rg以后，屏流的交流分量~ia有一部分被Rg所分流，所以在相同的輸入信號時，放大器的放大倍數(shù)將下降，Rg越小，分流作用越顯著，放大器的放大倍數(shù)下降也越多。
交流負(fù)載線是在直流負(fù)載線的基礎(chǔ)上作出來的，如圖29(c)所示。
作交流負(fù)載線時，首先求總負(fù)載電阻。
設(shè)Rg=100k，Ra=30k(同圖20)，
總負(fù)載電阻Rfz=（Ra×Rg）/（Ra+Rg）=（30×100）/（30+100）≈23kΩ
然后在圖31中，在縱坐標(biāo)上確定L點，L點的坐標(biāo)是ua=0，ia=Ea/Rfz=300/23≈13mA。
連接M與L點得到一條斜率為1/Rfz的輔助線ML(虛線所示)，它不經(jīng)過Q點，也不是交流負(fù)載線。然后經(jīng)過靜態(tài)工作點Q再作一條與直線ML平行的直線HJ，就是所求的交流負(fù)載線。
根據(jù)交流負(fù)載線可以作出阻容耦合放大器輸入正弦波信號電壓Usr時的屏流、屏壓波形。


二、放大器的等效電路分析方法
當(dāng)電子管的靜態(tài)工作點選擇得恰當(dāng)，而且輸入信號電壓的幅度又很小時，電子管是工作在靜態(tài)特性曲線的間隔均勻而又平行的直線范圍內(nèi)，這時用來表示電子管特性的一些參數(shù)如跨導(dǎo)S、內(nèi)阻Ri和放大系數(shù)u可以認(rèn)為是不變的常數(shù)，這樣就可以將電子管用一個等效電路來代替，如圖30所示。
圖30(a)的電路中，當(dāng)有交流信號電壓Ug輸入時，柵極與陰極之間產(chǎn)生一個交流電壓分量Ug，從負(fù)載兩端向電子管的屏極與陰極之間看去，對交流來說，整個電子管可以用一個等效電動勢uUg與內(nèi)阻Ri串聯(lián)電路代替，如圖30(b)所示。因為柵極與陰極之間如果有變化量△Ug時，在屏極回路引起的屏流變化量為△ia，根據(jù)電子管放大系數(shù)的定義，如果柵壓不變，在屏極和陰極間必須有變化量u·△Ug，才能使屏流引起同樣的變化量△ia，因此，在柵極與陰極間加上交流電壓Ug時，其在屏極回路中的電動勢應(yīng)為uUg，這樣對產(chǎn)生屏流的交流分量ia來說才是等效的。電路中的串聯(lián)電阻Ri代表電子管屏極與陰極間的內(nèi)阻。
在分析等效電路中量的大小時，還要注意它的方向。Ug和uUg所標(biāo)注的正負(fù)號，代表各交流電壓在同一瞬間的極性，例如在某一瞬間Ug上端為正下端為負(fù)，則uUg應(yīng)該是上端為負(fù)下端為正，只有這樣Ug和uUg在同一瞬間昕產(chǎn)生的ia方向才一致。其物理意義是：因為此時柵極為正，屏流增大，而屏流的方向在電子管內(nèi)部是從屏極流向陰極的，所以等效電動勢uUg必須是上端為負(fù)下端為正，才能產(chǎn)生上述方向的電流。在這種情況下，電子管屏極與陰極之間的電壓Ua=-ia×Ra，即輸出電壓和輸入電壓是反相的關(guān)系。
等效電路中的uUg與Ri串聯(lián)的電路就是電工學(xué)中的電勢源，因此這種等效電路稱為定勢源電路。
我們可以根據(jù)全電路歐姆定律求出電路中的電流：~ia=(u~Ug)/(Ri+Ra)，因為u=Ri。s，那么~ia=(SRi~Ug)/(Ri+Ra)=S~Ug×[Ri/(Ri+Ra)]
根據(jù)S的定義，SUg的單位是電流，所以SUg代表的是一個等效的電流源，S~Ug×Ri/(Ri+Ra)表示電流SUg流過并聯(lián)的電阻Ri和Ra時分配到Ra中的電流值ia，根據(jù)這個定義可畫出圖30(c)的等效電路，稱為定流源等效電路，這是電子管等效電路的另一種形式。定流源等效電路的意義是：對于屏極回路的交流分量來說，從負(fù)載兩端向電子管屏極與陰極之間看去，整個電子管可以用一個恒定的電流源S~Ug和與它并聯(lián)的內(nèi)阻Ri來代替。
綜上所述，電子管等效電路有定勢源和定流源兩種形式的等效電路，對負(fù)載來說效果是一樣的。實際應(yīng)用中，對于三極管，因為其u值基本上是常數(shù)，用定勢源等效電路比較合適，如果是五極管(包括束射管)，因其S值比較容易確定，用定流源比較合適。另外在計算時，如果并聯(lián)支路較多，用定流源比較方便，如只有一個回路時，則用定勢源比較方便。
最后還要注意，以上等效電路只是對電子管電路的交流分量而言，其條件是在電子管的直流工作電壓、電流(Ea、Eg、Iao)已知且工作點Q已確定的情況下，表示各交流分量之間的關(guān)系。電路中的直流電壓只不過是用來保證電子管正常工作和供給電路中必需的能量而已。因此。在作等效電路時，輸出回路和輸入回路中任何固定不變的電壓(Eg、Ea等)都可以認(rèn)為是短路，任何固定不變的電流(Iao)都可以認(rèn)為是開路，可以不必在等效電路中畫出來，使分析簡化。