电子管基础知识教程（五）电子管放大器的基本分析方法

电子管放大器的分析方法最常用的是图解分析法和等效电路分析法。

一、图解分析法
电子管的特性可以用特性曲线来表示，因此可以利用电子管的静态特性曲线来分析放大器的工作情况，这种分析方法称为图解分析法。
1．静态工作情况
放大器在没有信号电压输入的情况下，电子管处于静止工作状态，这时它的输入、输出回路中的电压、电流的数值都是直流。
(1)静态工作点。以常见的电子管6N1组成的放大器为例(图22)，屏压Ea=300V，栅压Eg=-4V，屏极负载电阻Ra=30k。在没有信号电压输入的情况下，试用图解法求出屏流Iao和屏压Uao的静态值。
为便于分析，暂时将放大器的屏极回路以线段AB分隔为两部分，如图23(a)所示。左边是电子管G部分，它的ia与Ua的关系由图23(b)的屏极特性曲线确定。右边是负载部分，屏极电源Ea与屏极负载电阻Ra串联，端电压Ua可以用克希荷夫第二定律(回路电压定律)求出U’a=Ea-i’a×Ra或i’a=（Ea-U’a）/Ra
上式是一个一次方程，在数学上一次方程代表一根直线。根据这个方程，将Ea、ia、Ra各值代入上式，设U’a=o0，则i’a=Ea/Ra=300/30=10mA，可在纵坐标上找得一点N=10mA;再设i’a=0，那么U’a=Ea=300V，可在横坐标上找得一点M=300V，如图23(c)所示。由于公式U’a=Ea-i’a×Ra是电子管负载部分直流通道的方程，因此连接M、N两点的线段就称为放大器的直流负载线。实际上，电路中的i’a=ia，U’a=Ua，所以实际上两组曲线是重合在一起的，如图23(d)所示。
已知栅偏压Eg=-4V，即电子管G工作在Ug=-Eg=-4V那一条屏极特性曲线上，同时Ea与Ra串联的电路决定了ia和Ua必须在直流负载线M、N上，要同时满足这两个条件，在整个坐标系上只有一个特定的交点Q，所以Q点称为放大器的静态工作点。其对应的屏流Iao=4．3mA，屏压Uao=171V，这就是屏流和屏压的静态值。
静态工作点表示：要使放大器中的电子管正常工作，必须在其各电极间供给适当的直流工作电压。
当放大器加入交流信号电压时，电子管各极间的电流、电压就会由静态时的Iao、Uao和Eg等值开始随信号电压的变化而变化。

(2)电路参数对直流负载线与静态工作点的影响
前面我们分析了一个参数已经确定的放大器的鱼载线与工作点，而当电路参数改变时，负载线与工作点也要随着改变，因为对应于不同的栅压，电子管的屏流和屏压之间的关系也不同。这些影响一般有以下两个方面。
1)栅偏压Eg的影响。如果保持屏极电源电压Ea和屏极负载电阻Ra不变，而变动栅偏压Eg的数值，静态工作点将会变动，用图24加以说明。设栅压由ug=-Eg增加到ug=-Eg2，此肘的静态工作点在Q2处，如果栅压增加到ug=-Eg1时，则静态工作点将移至Q1处。当栅压分别降低到ug=-Eg3和ug=-Eg4时，则静态工作点分别移至Q3和Q4处。可见，在屏极电压Ea和屏极负载电阻Ra固定的情况下，由公式u’a=Ea-ia×Ra所决定的直流负载线是不变的，电子管的工作点由栅偏压决定，栅压值的改变，必然引起静态工作点位置的改变，但其位置的变化始终在直流负载线MN上。
2)屏极负载电阻Ra的影响。如果保持其他条件不变，只改变屏极负载电阻Ra时，则直流负载线与纵坐标的交点N，将沿着纵坐标轴上下移动，如果减小Ra，则交点从N点上移到N’点，而增大Ra时，则交点从N点下移到N’’点，见图25。另外，从图25还可以看出，Ra的数值改变时，直流负载线与横坐标的夹角α也跟着改变，我们把α的正切值称为负载线的斜率。从图25中可以得到
tgα=ON/OM=（Ea/Ra）/Ea=1/Ra或α=tg-a×（1/Ra）
从上式可以看出，直流负载线的斜率与电源电压Eg无关，只决定于屏极负载电阻Ra的大小。Ra越小，直流负载线MN的斜率越大，Ra越大，直流负载线MN的斜率越小。此外还可以看出，直流负载线的斜率改变时，静态工作点也相应的改变，如图中的Q、Q’和Q’’。


2．动态工作情况
现在来分析放大器电子管栅极回路有信号电压输入时的情况，我们将其称为动态工作情况。为便于分析，设在电路中输入的信号电压是正弦波，即usr=~ug=Ugmsinωt=2sinωt，则作用在电子管栅极与阴极之间的总电压为~ug=-Eg+Ug=-Eg+Ugmsinωt=-4+2sinωt。
分析放大器的动态工作情况，要用电子管在接上负载电阻Ra时的屏栅特性曲线，简称动态特性曲线，而不能用前面所介绍的静态屏栅特性曲线，因为那是电子管未接入负载的情况。动态特性曲线是在直流负载线和屏极特性曲线的基础上求出的。
在坐标系靠前象限中，直流负载线与屏极特性曲线簇相交于点Q、Q’、Q’’，得到不同栅压ug时所对应的屏流ig值。把这些ug值和它所对应的ia值逐点地绘在ia-ug(坐标系第二象限)上，将这些点连接起来，便得到电子管6N1当其Ea=300、Ra=30k时的动态特性曲线，其中q点是动态特性曲线上的工作点。
动态特性曲线求出来后，在此基础上就可以作出屏流ia及屏压ua的波形了。靠前步作出ug-ωt(在第三象限)、ia-ωt(在靠前象限)和ua-ωt(在第四象限)三个坐标系，然后在ug-ωt坐标系上作出ug=-Eg+ug的波形，再分别求出屏流ia和屏压~ua的波形。从图中可以看出，当~ug=0时，放大器处于静止状态，和静态工作时相同。当加上usr后，ug、ia和ua的数值都相应地发生了变化。设定ug的变化量为±2V，所以该电子管只能工作在Ug=-4V+2V(-6V～-2V)的特性曲线范围内，又因其输出回路限制了它必须在直流负载线MN上工作，所以电子管只能在直流负载线的Q’-’’线段上工作。在动态特性曲线中，q’点是负载线与Ug=-2V的那一条特性曲线的交点，q’’点则是负载线与ug=-6V的那一条特性曲线的交点。图27是放大器的动态工作情况的图解。
已知~ug的变化量是±2V，在正半周时，~ug由0增大到峰值(2V)，电子管工作点将由Q点沿着直流负载线移动到Q’点，相应的Ia由0增大到峰值，而~ua则从0减小到负的峰值。然后ug由峰值减小到0，工作点则由Q’点沿着负载线回到Q点，相应的~Ia也由峰值减小到0，而ua则从负的峰值重新回到0。负半周情况和正半周相同，只不过方向相反而已，对应于~ug负半周，电子管工作点由Q点移动到Q’’点，再由Q’’点回到Q点。直流负载线Q、Q’、Q”所对应的动态负载线上的点为q、q’、q’’。
这里要注意的是。电子管的特性曲线不完全是直线，~Ia和~ua的波形并不完全与~ug相同，这种现象称为非线性失真。


3．栅偏压的作用
在放大器中，输入回路都要接上栅偏压Eg，Eg的接法是正极接电子管阴极，负极接电子管栅极，使电子管栅极的电位相对于阴极为负。
栅偏压的作用有两个：一是使电子管在工作时栅极电位始终低于阴极电位，这样阴极发射的电子就不能跑到栅极去，所以栅极回路中没有栅流：二是使电子管有一个合适的工作点。前面我们已经学过，当屏极电源电压Ea和屏极负载电阻Ra一定时，工作点Q就由栅偏压来决定。工作点的位置对放大器的工作有非常大的影响，下面用图27说明。
靠前种情况是当栅偏压太负时，这时工作点Q1的位置过低，如图27(a)所示。由于动态特性曲线靠近屏流截止处是弯曲的，使得屏流波形负半周的幅度小于正半周，如图中的~ia1，说明非线性失真很大。
第二种情况是栅偏压太小，这时工作点Q3的位置又过高，如图27(b)所示。输入信号正半周幅度较大的一段时间内(t1～t2)，栅极电位高于阴极电位，栅极回路中产生栅流ig，ig在通过输入信号电源ex的内阻Rx时，产生电压降如图27(d)所示『图27(d)是电子管工作在有栅流时的情况1，这样在t1—t2时间内真正加到电子管栅极与阴极之间的信号电压usr=ex-i-g×Rx将小于信号电源电势ex，而在其余的时间中，因为ig等于0，usr等于ex，这说明在出现栅流时，信号电压的幅度减小使它的波峰变平形成失真，特别要注意的是，这种失真是在未经放大之前就已经产生了，它使得屏流波形也发生波峰变平的不对称失真。
第三种情况是选择适当的栅偏压，使工作点处于动态特性曲线的直线部分中点的位置，这时工作点Q2的位置正确，如图27(c)所示。屏流波形才是对称的，此时失真最小，这正是我们所需要的。综上所述，在放大器电路中栅偏压不但是必要的，而且还要选择适当的大小，才能避免产生非线性失真。


4．栅偏压电路
栅偏压的取得有两种方
式即自给栅偏压和固定栅偏压。自给栅偏压主要应用在阴极电流变化不大的小信号电压放大电路，而固定栅偏压则主要应用在阴极电流变化较大的功率放大电路。
自给栅偏压方式通常是在电子管的阴极电路内接上一个阴极电阻RK来获取Eg，如图28(a)所示。当屏流ia流过Rk时，在Rk的两端产生电压降，这个电压降的极性是阴极为正、地为负，从而使栅极对阴极的电位为负，起到栅偏压的作用。但是当栅极回路有信号电压输入时，由于屏流ia除了直流分量Iao以外，还产生了交流分量~ia，使Rk两端所产生的电压降也要发生变化，这时Rk两端的电压将变得不稳定而不能起到栅偏压的作用。解决的方法是在Rk两端并联一个容量足够大的电容Ck，当容抗为1/ωCk＜＜RK时，则可使交流分量~ia绝大部分经过Ck，而ia中的直流分量Iao只流过Rk，在Rk、Ck并联回路两端的电压基本上是稳定不变的，从而起到固定Eg的作用，如图28(b)所示。这种电路简称为自偏压电路。采用自给栅偏压方式的电子管电路一般无需进行调整。对于阴极电流变化不大的小信号电压放大级，大多数采用自给栅偏压方式，自给栅偏压方式制作简单、成本低廉、可靠性高，不容易出现开路现象，有利于保护电子管，失真也较小。
在功率放大器中，由于功放管阴极回路内的电流随信号变化较
大，并且有时有栅流产生，所以一般不采用自给栅偏压方式，而采用固定栅偏压方式，如图28(c)所示。固定栅偏压是由一个独立的栅负压电源Eg来供给的，该电路一般是在电源变压器次级加绕一组60-70V的交流电压线圈，经过整流滤波后，取得一20—60V的平滑直流电源，作为栅负压电源，通过限流电阻分压分别供给电子管的栅极。这种固定栅偏压方式由于增加了电路的复杂程度和提高了成本，一般只在功率放大级中使用。固定栅偏压方式还有一个缺点，就是在调试过程中如果电位器W控制不好，一旦产生开路，使电子管栅极处于失控状态，这样无论是三极电子管或者四极电子管，实质上已经变成了二极管，大量电子涌向屏极，导致功率管屏流过大烧红屏极，时间稍长就会损坏功率管。
在所需要的栅偏压值和电子管屏流的直流分量已知的情况下．可以通过下式计算出阴极电阻Rk的值：Rk=Eg/Iao。
当电子管是五极管时，因为阴极电流中还包括帘栅流，所以要用阴极电流来计算，阴极的直流分量是屏极直流分量Iao和帘栅极直流分量Ig20之和，因此五极管的阴极电阻为：Rk=Eg/(Iao+Ig20)。
另外，阴极旁路电容Ck值的选择，应使它在信号的最低频率fd时的容抗小于或等于Rk值的1/3左右，即Ck≥3/(2πfdRk)。


5．交流负载线
在电子管的屏极接上一个耦合电容Coh，就可以隔离屏压的直流分量而使交流分量通过，同时在电容器的输出端一般都接上一个电阻Rg，这样的放大器称为阻容耦合放大器。
在电子管阻容耦合放大器中，由于耦合电容Coh的隔直流作用，负载电阻Rg对放大器的直流通路没有影响，其静态工作点和直流负载线仍然和前面学过的一样。然而在动态工作情况下，屏压的交流分量~Ua将同时作用于由屏极负载电阻Ra和屏极电源Ea串联后、耦合电容Coh和电阻Rg串联后所形成的并联回路上，如图29(a)所示。

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如果耦合电容Coh的容量足够大，对交流来说相当于通路，就得到如图29(b)所示的交流通道。Ua实际上作用于Ra与Rg并联的电阻上，我们把Ra与Rg并联值Rfz称为总负载电阻，即Rfz=（Ra×Rg）/（Ra+Rg）。
因此对于交流信号而言，负载线的斜率不再是1/Ra而是1/Rfz。由于Rfz＜Ra所以在交流工作情况下，交流负载线总是比直流负载线更陡一些。表示Rfz的负载线就称为交流负载线。从图中还可以看出，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，所以在相同的输入信号时，放大器的放大倍数将下降，Rg越小，分流作用越显著，放大器的放大倍数下降也越多。
交流负载线是在直流负载线的基础上作出来的，如图29(c)所示。
作交流负载线时，首先求总负载电阻。
设Rg=100k，Ra=30k(同图20)，
总负载电阻Rfz=（Ra×Rg）/（Ra+Rg）=（30×100）/（30+100）≈23kΩ
然后在图31中，在纵坐标上确定L点，L点的坐标是ua=0，ia=Ea/Rfz=300/23≈13mA。
连接M与L点得到一条斜率为1/Rfz的辅助线ML(虚线所示)，它不经过Q点，也不是交流负载线。然后经过静态工作点Q再作一条与直线ML平行的直线HJ，就是所求的交流负载线。
根据交流负载线可以作出阻容耦合放大器输入正弦波信号电压Usr时的屏流、屏压波形。


二、放大器的等效电路分析方法
当电子管的静态工作点选择得恰当，而且输入信号电压的幅度又很小时，电子管是工作在静态特性曲线的间隔均匀而又平行的直线范围内，这时用来表示电子管特性的一些参数如跨导S、内阻Ri和放大系数u可以认为是不变的常数，这样就可以将电子管用一个等效电路来代替，如图30所示。
图30(a)的电路中，当有交流信号电压Ug输入时，栅极与阴极之间产生一个交流电压分量Ug，从负载两端向电子管的屏极与阴极之间看去，对交流来说，整个电子管可以用一个等效电动势uUg与内阻Ri串联电路代替，如图30(b)所示。因为栅极与阴极之间如果有变化量△Ug时，在屏极回路引起的屏流变化量为△ia，根据电子管放大系数的定义，如果栅压不变，在屏极和阴极间必须有变化量u·△Ug，才能使屏流引起同样的变化量△ia，因此，在栅极与阴极间加上交流电压Ug时，其在屏极回路中的电动势应为uUg，这样对产生屏流的交流分量ia来说才是等效的。电路中的串联电阻Ri代表电子管屏极与阴极间的内阻。
在分析等效电路中量的大小时，还要注意它的方向。Ug和uUg所标注的正负号，代表各交流电压在同一瞬间的极性，例如在某一瞬间Ug上端为正下端为负，则uUg应该是上端为负下端为正，只有这样Ug和uUg在同一瞬间昕产生的ia方向才一致。其物理意义是：因为此时栅极为正，屏流增大，而屏流的方向在电子管内部是从屏极流向阴极的，所以等效电动势uUg必须是上端为负下端为正，才能产生上述方向的电流。在这种情况下，电子管屏极与阴极之间的电压Ua=-ia×Ra，即输出电压和输入电压是反相的关系。
等效电路中的uUg与Ri串联的电路就是电工学中的电势源，因此这种等效电路称为定势源电路。
我们可以根据全电路欧姆定律求出电路中的电流：~ia=(u~Ug)/(Ri+Ra)，因为u=Ri。s，那么~ia=(SRi~Ug)/(Ri+Ra)=S~Ug×[Ri/(Ri+Ra)]
根据S的定义，SUg的单位是电流，所以SUg代表的是一个等效的电流源，S~Ug×Ri/(Ri+Ra)表示电流SUg流过并联的电阻Ri和Ra时分配到Ra中的电流值ia，根据这个定义可画出图30(c)的等效电路，称为定流源等效电路，这是电子管等效电路的另一种形式。定流源等效电路的意义是：对于屏极回路的交流分量来说，从负载两端向电子管屏极与阴极之间看去，整个电子管可以用一个恒定的电流源S~Ug和与它并联的内阻Ri来代替。
综上所述，电子管等效电路有定势源和定流源两种形式的等效电路，对负载来说效果是一样的。实际应用中，对于三极管，因为其u值基本上是常数，用定势源等效电路比较合适，如果是五极管(包括束射管)，因其S值比较容易确定，用定流源比较合适。另外在计算时，如果并联支路较多，用定流源比较方便，如只有一个回路时，则用定势源比较方便。
最后还要注意，以上等效电路只是对电子管电路的交流分量而言，其条件是在电子管的直流工作电压、电流(Ea、Eg、Iao)已知且工作点Q已确定的情况下，表示各交流分量之间的关系。电路中的直流电压只不过是用来保证电子管正常工作和供给电路中必需的能量而已。因此。在作等效电路时，输出回路和输入回路中任何固定不变的电压(Eg、Ea等)都可以认为是短路，任何固定不变的电流(Iao)都可以认为是开路，可以不必在等效电路中画出来，使分析简化。