基于4069的线性放大器实验

　　1.4069线性放大原理
　　
　　4069包括6个非门。每个非门除了可以进行非运算之外，还可以用来做线性放大。典型的非门线性放大电路如下图所示。这样的电路为什么具有线性放大的功能呢?

　　
　　通常非门输入电压的高低是以电源电压的一半为分界的，在于电源电压一半的输入信号视为高电位信号，反之为低电位信号。其实这只是粗略的说法，并不是非门工作状态的真实情况。如果输入电压正好为电源电压的二分之一，也就是不高也不低，那末输出电压该如何呢?当非门输入电压为电源电压的一半时。非门的输出电压也为电源电压的一半。非门的输入电压在电源电压的二分之一附近有一个区间，称为状态转换区：当非门输入电压在电源电压的一半附近产生微小的变化时，亦可引起输出电压在电源电压的一半附近产生一定的变化。在这个区间内，非门的输出电压与输入电压之间成线性放大的关系。下图形象地表示出非门的线性放大性质，水平轴上的线段AB就是输入电压的状态转换区。非门电路在状态转换区内具有电压放大功能，状态转换区又叫线性放大区。

　　
　　如果电源电压是3V，则输入电压在1.5 V附近，从1.4V～1.6V之间变化，则可引起输出电压的线性变化。输出电压的变化范围在0V～3V之间.其变化幅度大于输入电压的变化。如果把输入电压的变化值记作△Vi，输出电压的变化值记作△Vo，则△Vo/△Vi为电压放大倍数。一般地，一个非门的电压放大倍数在20～30之间。
　　
　　从上面的分析可知，只有输入电压在电源电压的一半附近的线性放大区内，非门才能正常地进行线性放大。怎样才能将输入端的电压保持在电源电压的一半呢?除了可以用两个电阻组成分压电路之外，通常是采用直流负反馈来实现的。电路中单阻Rf可将非门的输入电压锁定在线性放大区的中点，也就是电源电压的一半。电路中非门的输入端与输出端通过反馈电阻Rf相连，由于电阻Rf的直流负反馈作用，只要当输出端电压偏离电源电压的一半时，输入端就会给输出端一个纠正电压，使得输出端电压向电源电压的一半处偏移，直到输出电压和输入电压在该处达到动态平衡为止。也就是说由于负反馈电阻的存在，只有输入端电压保持在电源电压的一半时。非门的状态才能保持稳定。
　　
　　如图的放大电路中，因为Rf除了提供直流负反馈之外，还有交流负反馈的功能，所以其阻值不能太小，一般在1M左右。为了使放大器对不同频率的输入信号进行均衡放大，电路接入了电阻Ri。该放大器的放大倍数与Ri和Rf有关。当Rf/Ri的值小于20的情况下，可以近似地认为该电路的放大倍数为Rf/Ri。例如当Rf为1M，Ri为‘100k，放大倍数则为1000/100=10。电容Ci的作用是隔离直流，传输交流信号。

　　2．声音灯光显示实验过程：
　　
　　①按电路图组装作品。
　　
　　②电路组装成功，接通电源，当周围环境有声响时，可以看到发光二极管LED随着声音闪亮。
　　
　　实验分析与总结：
　　
　　本电路是一个音频放大电路，它除了可以指示声音之外还可用于话筒的前级放大。该电路的放大倍数由3个非门放大电路所决定。
　　
　　非门1的放大倍数为1000/47，约为20c，非门2、3的放大倍数为25c，整个音频放大器的放大倍数为20×25×25，约为1500倍。
　　
　　电阻R2和电容C1决定音频放大器的频率特性，其最低频率为1/2丌R2×C1(Hz)。如下图电路的参数，该频率为1000000/(2×3．14×47k×O．47)一150(Hz)。
　　
　　电路中二极管D不可缺少；通过实验可知。如果不用这个二极管，当有声音时，发光二极管也不会亮。这是因为电容C2的作用是阻挡直流电，通过交流电；而发光二极管可通过直流电，阻挡交流电。从非门输出的声音放大信号是脉动直流电，里面既有交流成分也有直流成分。但直流成分被电容C2阻挡，交流成分被二极管阻挡，所以电路中没有电流通过。加上二极管D后。通过电容C2的交流电可轮流通过二极管D和发光二极管。从另一个角度说，这个电路是倍压整流电路。

　　
　　拓展实验：
　　
　　用喇叭、压电陶瓷片做麦克风的音频放大电路怎样用动圈喇叭、压电陶瓷片替代上面电路中的驻极体MIC呢?如果简单地把喇叭取代原来MIC的位置，并取消偏置电阻R1，这样的电路也是可以工作的。但通过使用就会发现，这样的音频放大电路效果较差。从显示声音的灯光就可以看出，其灵敏度较差。这是因为上述放大器的非门输入端电位等于电源电压的一半；如果麦克风输入的音频信号的电压均值也为电源电压的一半，则放大器的灵敏度和保真性比较高。但是把动圈喇叭、压电陶瓷片一端接地，则电路中电容C1两端电压不相等，会导致放大器工作不正常。怎样改善这一状况呢?上图、下图的电路可以有效地解决这一问题。
　　
　　在电路中替代MIC的动圈喇叭、压电陶瓷片原来接地的一端接在了一个非门的输出端。由于这个非门的输入端与输出端有一个10k的负反馈电阻，使得该非门的输出端对交流信号来说，阻抗很小，可以视为接地；而它的直流电位则正好是电源电压的一半。经过实验对比，该电路可以得到满意的效果。