助听器电路分析

助听器各级电路分析

一、输入级共集电极放大电路

助听器的输入级电路采用了共集电极放大电路，如图3-2-20所示。

3R3300?51k?R1300?51k?VT13BX31R11IBVTICC110μF??μF1+usR2(Re)2k?A?UAGC（a）原理图 （b）直流通路

VT1?uiRe2k?R151k?? （c）交流通路 （d）微变等效电路

图3-2-20共集电极的第一级放大电路

为便于分析计算，拾音器BM已用信号源us代替。电阻R3串接在电源与电路之间，起限流作用。电路中A点的-UAGC取自助听器整体电路的输出级，经电阻R14反馈回输入级的基极，对电路进行反馈控制作用，维持电路的稳定，可认为是由受交流信号控制产生的受控直流电压源，若电路输出信号幅度发生增加或减小变化时，-UAGC将对基极电位有影响，计算静态工作点时可暂不考虑该电压的作用。

1. 静态工作点的计算

由图3-2-31（b）所示，忽略-UAGC影响，则

R3(1??)IBQ?RBIBQ?UBEQ?Re(1??)IBQ?VCC式中：设β=50，3BX31锗管的UBEQ默认0.3V。

+C2?UCEC3μF1A+?Re?UAGC2k? ib(ii1)BrbeEieio1RL1??uo??ube?ui1?C?ibRe2k?R151k?uo1?

?

UCEQ?VCC?R3(1??)IBQ?Re(1??)IBQ

2. 输入电阻Ri1的计算

根据微变等效电路可知，该级放大电路的输入电阻与三极管的输入电阻相同，作为输入级电路，后面必定带有负载RL1即后级的输入电阻Ri2，根据公式（3-21），输入电阻为

错误！未找到引用源。 （3-25）

式中：错误！未找到引用源。，负载电阻则需要计算第二级的输入电阻才可知。

3. 输出电阻Ro1的计算

根据公式（3-22），计算错误！未找到引用源。

4. 电压放大倍数：射极跟随器的电压放大倍数约等于1。 二、采用分压式偏置的第二级放大电路

助听器放大电路中以VT2为核心的第二级放大电路是分压式偏置的共射极放大电路，如图3-2-32（a）所示。该单元电路的直流通路、交流通路以及微变等效电路分别如图3-2-21（b）、（c）、（d）所示。三极管仍旧采用了NPN锗管3BX31。

R451k?R62k?VCC=1.5VI1C41μFR451k?VT2R6VCC=1.5V2k?C3F?1μuI2R527k??750?(a)原理图(b)直流通路VT2?ui2R451k?3BX31R527k??(c)交流通路1. 静态分析

设流过电阻R4和R5的电流分别为I1和I2。根据基尔霍夫电流定律，I1＝I2＋IBQ，一般IBQ很小，I2＞＞IBQ，所以近似认为I1≈I2。这样，基极电位UB就完全取决R5上的分压，即

UB?VCCR5R4＋R5由于基极电位UB由电源VCC 经RB1和RB2分压所决定，与三极管参数无关，因此这种偏置方式被称为分压式偏置。

分压式偏置的方式的优点在于可以使静态工作点更稳定。三极管作为一种半导体器件具有热敏性，当温度变化时，三极管的电流放大系数β、集电结反向饱和电流ICBO、穿透电流ICEO以及发射结压降UBE等都会随之发生改变，从而使静态工作点发生变动。一般的来说，当温度升高时，三极管的ICQ增大，静态工作点上移，严重时将使三极管进入饱和区而失去放大能力；温度降低时，静态工作点则下移，可能使三极管进入截止区。

确定的UB的意义在于若E点静态电位上升，将引起UBEQ的下降。在工作过程中，假定外界温度升高引起ICQ增大，则会引起IEQ增大，电位UEQ上升，进一步导致UBEQ的下降，根据三极管的输入特性，UBEQ下降必将引起IBQ下降，

+R7ICQVT23BX31?UCEQ?RL2+C5+F10μ2k?uO2I2IBQ?R7?R527k?750??R6RL2iiicibR5rbeuo2?ui2R4?Ri2??ibR6RL2??ube?uo2?Ro2(d)微变等效电路

图3-2-21 分压式偏置共射极的第二级放大电路

（3-26）

再根据三极管的电流控制关系来阻碍ICQ的增加。这是一个将输出量（ICQ）的变化反映到输入端来对电路进行自动调节的反馈过程，可简单表示为

在这个过程中，电阻RE起到了重要的作用，它将输出端电流（ICQ）的变化，转化成了电压（UEQ）的变化，从而影响到输入端。但从图3-2-21（c）的交流通路图也可以看出，由于电容CE的作用，RE被交流短路，它对交流信号无反馈作用，因此RE被称为直流反馈电阻。

用估算法可以进一步求出其他几个静态值。

ICQ?IEQ?UB－UBEQR7ICQ

IBQ??

UCEQ＝VCC－ICQ(R6＋R7)

2. 动态分析

比较图3-2-21（d）与基本共射放大电路的微变等效电路可知，它们唯一的区别在于基极电阻的个数，若令R4//R5?RB，则两电路的形式完全相同。因此，这里可以套用基本共射放大电路的结论，代入数据计算如下：

rbe2＝300＋?1＋??26mVIEmA

Ri2＝RB//rbe?R4//R5//rbeRo2?RC

Au2＝??R?U??IR?o2bL2????L2??rrbeUIi2bbe??R6//RL2） （RL2由于第二级的输入电阻即为前级的负载RL1，第一级的输入电阻大小也迎刃而解。将叙Ri2作为RL1代入式（3-22）可以计算得Ri1，这也是整个助听器电路的输入电阻。

同时，本级电路以下一级电路的输入电阻作为负载，在明确下一级电路的输入电阻Ri3之后，才能计算出本级的电压放大倍数。

三、带电压反馈的共射放大级VT3

助听器电路的VT3级是带电压反馈的共射放大电路，如图3-2-22（a）所示。R8为电路带来了电压并联负反馈，同时为三极管提供合适的集电结偏置，这种偏置方式被称为集电极-基极偏置。该电路的直流通路、交流通路以及微变等效电路分别如图3-2-22（b）、（c）、（d）所示。

R92k?Rp5k?VCC=1.5VR8??ui3F1μ（a）原理图R851k?ii3if?ui3VT3RpR92k?5k??（c）交流通路1. 静态分析

分析图3-2-22（b）直流通路，令R=R9//RP ，则R上流过的电流等于三极管的基极电流IBQ和集电极电流ICQ之和，即IEQ。可列出如下回路电压方程：

又因为IEQ=（β+1）IBQ，代入上式可以解得

IBQ?VCC-UBE(?+1)R+R8这种偏置方式还可以通过一定的反馈过程来稳定工作点。稳定过程可以表述为

+C451k?VT33BX31C6R92k?R851k?RpVCC=1.5V5k?1μF?uo3ICQVT3?UCEQ+?IBQ?（b）直流通路?io3??uo3ibR851k??ib?R92k?Rp5k?io3ui3rbe?uo3?uo3RL3???（d）微变等效电路?

图3-2-22 带电压反馈的第三级放大电路

ICQ??IBQ

UCEQ?VCC?(??1)RIBQ

T(?C)??ICQ??UCEQ??UBEQ,IBQ??ICQ?

2. 动态分析

从图3-2-22（d）的输入端口可以看出：

???Ui3Ibrbe

（3-27）

电阻R8在此引入了电压并联负反馈。其反馈电流设为if，应有

??U??Ui3o3??I （3-28）fR8从输出回路看，则应有

???(I???I?)R? Uo3fbL3 （3-29）

?为图3-2-22（d）中虚线框内部分电路的等效电阻。 其中RL3连立以上三式，并消去其中的I?f、I?b可得

11????URrbeo3?8?11Ui3??RL3R8

由于RB值很大，

11???RBrbe，

11???RBRL3，上式可以近似为

??UR?o3???L3 （3-30） ?rbeUi3在这种情况下（3-30）式与基本共射放大电路的电压放大倍数有相近的形式，

??与U?的关系。为分析两者的?/U?，还需求出U但为了计算电压放大倍数Au3＝Uo3o3o3i3??与U?的关系图单独画出来，如图3-2-23所示。 关系，将微变等效电路中Uo3o3?io3??uo3Rp1Rp2io3?uo3RL3

????与U?的关系图 图3-2-23 Uo3o3由图3-2-23可以看出RP属于分压式接入方式，则关系式为。

?Rp2//RL3Uo3? ??R?(R//R)Up1p2L3o3所以本级电压放大倍数关系式为

?Rp2//RL3UR?Au3＝o3???L3?rbeRp1?(Rp2//RL3)Ui3

（3-31）

当RP向上滑至RP1=0，RP2=RP=5KΩ时，

???UUR?o3Au3＝?o3???L3 （3-32） ??rbeUUi3i3'RL3?R9//RP//RL3

此时本级的输出电压全部加载在RL3即下级电路输入端，电压放大倍数最大。

??0，显然有：ARp滑至最下端时，Rp2?0，Uu3(min)?0o3。

由此可见，本级的输出电压与电位器Rp的动端位置有关，Rp上调，输出电压

??全部加载在R即下级电路输入端，输出信号最强，音量增大，至最上端时，UL3o3最大。Rp下调，放大倍数减小，至最下端时，没有交流信号传递给下级电路，输出信号为零。因此Rp用作整个放大电路的音量调节旋钮。

接下来讨论输入电阻：

??UUi3根据定义，本级输入电阻Ri3＝???i3?，将式（3-25）代入得

Ii3Ib?IfRi3??U1i3???U????UUi3o3?Ib?1?o3??R8IbUi3??R8Ui3

再将（3-30）式代入得

Ri3??Ib?Ui31R?1??L3rbe?R8 （3-33）

??R9//Rp；Rp滑至最上端时，RL3??R9//Rp//RL3。 当Rp滑至最下端时，RL3由静态值及式（3-14）先计算出rbe，代入（3-33）可计算得Ri3。

由式（3-33）还可以看出Ri3?rbe，即电路的输入电阻比基本共射放大电路小，这是电压并联负反馈带来的影响。

输出电阻的计算仍采用输出端开路电压（uoc）除以短路电流(isc)的方法。 当输出端开路时

??U????Uo3OCR9//RpRp2? ?Ui3rbeRp当输出端短路时，RP2也被短路，由（3-30）式知

R9//Rp1???????RL3? UUi3???Uo3i3rberbe???R9//Rp1UUo3i3?ISC???? Rp1rbeRp1?URo?OC?ISCR9//RpRp2?rbeRp? R9//Rp11rbeRp1整理得

?Rp2?R9?Rp1?Rp2?R9?Rp1?URO?OC???Rp2//?R9?Rp1? （3-34） ?IR?RR?R?R?9p??9p1?p2SC（3-31）式说明，输出电阻是一个随Rp的滑动而改变的值。在图3-2-22（a）中，

当电位器动端滑至最下端时，RP2=RP=5kΩ，此时Ro最小；

当电位器动端滑至最上端时，RP1=RP=5kΩ，出信号输出端与集电极电源相连，该电源在交流通路中视为“地”，无交流信号输出，电压放大倍数为0，输出电阻也为0。（注意：在交流通路和微变等效电路作图时，电位器上下端已颠倒。）

根据上述分析，可知本级的输出电压与电位器RP的动端位置相关，电压放大倍数受RP的滑动控制，从而控制整个放大电路的音量输出。

四、带电流反馈的共射极输出放大级

助听器电路的VT4级是带电流反馈的共射输出级，如图3-2-24（a）所示。可以证明，图3-1-1中R12、R13、C7、C8和VD这部分电路在VT4的集电极引起的交直流分流均较小，因此图3-2-24（a）中已忽略这部分电路对输出级的影响，

就以耳机作为电路的最终负载。并且为了分析的方便，用600Ω的负载RL替代了耳机。该电路的直流通路、交流通路以及微变等效电路分别如图3-2-24（b）、（c）、（d）所示。

R1051k?VCC=1.5V=1.5VVCCRL600?R1051k?RLICQVT4C6VT43BX31?UCEQ?ui4?与基本共射极放大电路相比较可以看出，这个电路增加了发射极电阻R11。R11既属于输入回路也属于输出回路，和第三级的R8一样，对电路也具有反馈作用，属于电流反馈元件。

1. 静态分析

由直流通路图3-2-24（b）可以得到以下方程：

R10IBQ?UBEQ?(1??)IBQR11?VCC

解之可得：IBQ?进一步计算得：

2. 动态分析

+μF1IBQ?R1139?R1139?（a）原理电路VT4i（b）直流通路b

?uo4?RL?rbeR1051k?R1139?uo4ui4??ube??ibRL?51k?39?R10R11ie?（c）交流通路（d）微变等效电路

图3-2-24 带电流反馈的输出级放大电路

VCC?UBEQR10?(1??)R11。

ICQ??IBQ

UCEQ?VCC?RLICQ?R11IEQ?VCC??RL?R11?ICQ

根据微变等效电路图3-2-24（d）有

??rI???Ui4beb?R11Ie??rbe?(1??)R11?Ib （3-32）

????I?RUo4bL

其中rbe?300?(1??)IE则电压放大倍数

26mV

与基本共射放大电路相比较，电路的电压放大倍数减小了很多。 输入电阻的分析方法如下：

??令Ri4?Ui4?Ib??R10//，则Ri4?R10//Ri4?Ui4?Ib，将式（3-32）代入得

Ri4?R10//?rbe?(1??)R11?

与公式（3-15）比较，反馈电阻的加入，提高了电路的输入电阻。 从微变等效电路来看，用输出端开路电压除以短路电流的方法无法计算输出

????I?R电阻。由于Uo4bL，当本级电路的其他条件和输入信号一定时，输出电压正

比于负载RL，这意味着，本级放大电路的输出端相当于一个恒流源，输出电阻 无穷大，当然，由于三极管本身具有输出电阻rce，实际输出电阻不可能无穷大。

五、助听器电路的总增益

对于助听器电路，各级放大电路的电压放大倍数计算公式已推出，现在代入数据即可将几个电压放大倍数算出。

第一级：Au1?1 第二级：Au2????R//Ri3RL2???6rbe2rbe2，

R9//Rp//Ri4?RL3???rbe3rbe3第三级：Au3(min)?0，Au3(max)???第四级：Au4???RL。

rbe?(1??)R11，

因此，电路的总电压放大倍数为：

CRu-++R+VTRC?V+R-RuC-R

（a）共基放大电路CRu-++R+VTRC?V+R-RuC-R

（a）共基放大电路即由于音量调节旋钮Rp的作用，助听器的电压增益可以在一定的范围内调整。

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