模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第十六節(jié):多級(jí)放大電路

3.9 多級(jí)放大電路

一、多級(jí)放大電路及其耦合方式

在許多應(yīng)用場(chǎng)合，要求放大器有較高的放大倍數(shù)及合適的輸入、輸出電阻，如用單級(jí)放大器很難達(dá)到要求。因此，需要將多個(gè)不同組態(tài)的基本放大器級(jí)聯(lián)起來(lái)，充分利用它們的特點(diǎn)，合理組合構(gòu)成多級(jí)放大器，用盡可能少的級(jí)數(shù)，滿足系統(tǒng)對(duì)放大倍數(shù)、輸入、輸出電阻等動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。

多級(jí)放大器中各級(jí)之間連接方式稱(chēng)為耦合方式。級(jí)間耦合時(shí)，一方面要確保各級(jí)放大器有合適的直流工作點(diǎn)，另一方面應(yīng)使前級(jí)輸出信號(hào)盡可能不衰減地加到后級(jí)的輸入。常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合和光電耦合等。

二、阻容耦合方式

連接方式框圖

阻容耦合的連接方框圖如圖1所示。

特點(diǎn)

1）由于電容器隔直流而通交流，所以各級(jí)的直流工作點(diǎn)相互獨(dú)立，而且，只要耦合電容選得足夠大，則較低頻率的信號(hào)也能由前級(jí)幾乎不衰減地加到后級(jí)，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)放大。

2）阻容耦合放大電路的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)。這是因?yàn)轳詈想娙輰?duì)這類(lèi)信號(hào)呈現(xiàn)出很大的容抗，信號(hào)的一部分甚至全部幾乎衰減在耦合電容上。

3）由于集成電路中制造大容量電容很困難，所以這種耦合方式不便于集成化。

三、直接耦合方式

直接耦合是把前級(jí)的輸出端直接或通過(guò)恒壓器件接到下級(jí)輸入端。

特點(diǎn)

1. 這種耦合方式不僅可放大緩變信號(hào)，而且便于集成。

2. 由于前后級(jí)之間的直流連通，使各級(jí)工作點(diǎn)互相影響，不能獨(dú)立。因此，必須考慮各級(jí)間直流電平的配置問(wèn)題,以使每一級(jí)都有合適的工作點(diǎn)。圖1給出了幾種電平配置的實(shí)例。

3. 存在零點(diǎn)漂移，即前級(jí)工作點(diǎn)隨溫度的變化會(huì)被后級(jí)傳遞并逐級(jí)放大，使得輸出端產(chǎn)生很大的漂移電壓。顯然，級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則零點(diǎn)漂移現(xiàn)象就越嚴(yán)重。因此，在直接耦合電路中，如何穩(wěn)定前級(jí)工作點(diǎn)，克服其漂移，將成為至關(guān)重要的問(wèn)題。

4. 具有良好的低頻特性，可以放大變化緩慢的信號(hào)。

四、光電耦合及光電耦合器

光電耦合是以光信號(hào)為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合和傳遞的，因其抗干擾能力強(qiáng)而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)光電耦合的基本器件是光電耦合器。

光電耦合器

(a) 內(nèi)部組成? ?(b) 傳輸特性
?圖1 光電耦合器及其傳輸特性

光電耦合器將發(fā)光元件（發(fā)光二極管）與光敏元件（光電三極管）相互絕緣地組合在一起，如圖1（a）所示。發(fā)光元件為輸入回路，它將電能轉(zhuǎn)換成光能；光敏元件為輸出回路，它將光能再轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了兩部分電路的電氣隔離，從而可有效地抑制電干擾。在輸出回路常采用復(fù)合管（也稱(chēng)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)）形式以增大放大倍數(shù)。

光電耦合器的傳輸特性如圖1（b）所示，它描述當(dāng)發(fā)光二極管的電流為一個(gè)常量ID時(shí)，集電極電流iC與管壓降vCE之間的函數(shù)關(guān)系，即

??? （1）

在c-e之間電壓一定的情況下，iC的變化量與iD的變化量之比稱(chēng)為傳輸比CTR，即

? （2）

不過(guò)CTR的數(shù)值比b 小得多，只有0.1~0.5。

五、光電耦合放大電路

光電耦合放大電路如圖1所示。圖中信號(hào)源部分可以是真實(shí)的信號(hào)源，也可以是前級(jí)放大電路。當(dāng)動(dòng)態(tài)信號(hào)為零時(shí)，輸入回路有靜態(tài)電流ID，輸出回路有靜態(tài)電流IC，從而確定出靜態(tài)管壓降VCE。當(dāng)有動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，隨著iD的變化，iC將產(chǎn)生線性變化，電阻Rc將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。當(dāng)然，vCE也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于傳輸比的數(shù)值較小，所以一般情況下，輸出電壓還需進(jìn)一步放大。實(shí)際上，目前已有集成光電耦合放大電路，具有較強(qiáng)的放大能力。

在圖1所示電路中，若信號(hào)源部分與輸出回路部分采用獨(dú)立電源且分別接不同的“地”，則即使是遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，也可以避免受到各種電干擾。

圖1

六、變壓器耦合方式

1、電路

將放大電路前級(jí)的輸出端通過(guò)變壓器接到后級(jí)的輸入端或負(fù)載電阻上，稱(chēng)為變壓器耦合。圖1所示為變壓器耦合共射放大電路，RL既可以是實(shí)際的負(fù)載電阻，也可以代表后級(jí)放大電路，圖（b）是它的交流等效電路。

(a) 電路??????????????????????? ? (b) 交流等效電路
圖1 變壓器耦合共射放大電路

圖2

2、特點(diǎn)

1）由于變壓器是靠磁路耦合，所以它的各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立。

2）它的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)

3）不能集成化。

4）可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，因而在分立元件功率放大電路中得到廣泛應(yīng)用。

在圖2電路中，設(shè)負(fù)載為RL折合到原邊的等效電阻為R￠L(zhǎng).變壓器原邊線圈匝數(shù)N1,副邊線匝數(shù)N2

于是有：

對(duì)于圖1（a) 所示電路，可得電壓放大倍數(shù)

?上式表明只要合適選擇的匝數(shù)比，就能得到所需的電壓放大倍數(shù)。并在匹配得當(dāng)時(shí)，負(fù)載可以獲得足夠大的功率。在集成功率放大電路產(chǎn)生之前，幾乎所有的功率放大電路都采用變壓器耦合的形式。而目前，只有在集成功率放大電路無(wú)法滿足需要的情況下，例如需要輸出特大功率或?qū)崿F(xiàn)高頻功率放大時(shí)，才考慮用分立元件構(gòu)成變壓器耦合放大電路。

七、多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析

1、多級(jí)放大器的級(jí)間關(guān)系：

在多級(jí)放大器中，后級(jí)電路相當(dāng)于前級(jí)的負(fù)載，前級(jí)負(fù)載是后級(jí)放大器的輸入電阻；

前級(jí)相當(dāng)后級(jí)的信號(hào)源，后級(jí)信號(hào)源內(nèi)阻為前級(jí)的輸出電阻。

2、n 級(jí)放大器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)

a、總電壓放大倍數(shù) ：

可見(jiàn)， n 級(jí)放大器的總電壓放大倍數(shù)為各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積。

b、多級(jí)放大器的輸入電阻：

多級(jí)放大器的輸入電阻就是第一級(jí)的輸入電阻Ri1，在計(jì)算Ri1時(shí)應(yīng)將后級(jí)的輸入電阻Ri2作為其負(fù)載電阻。

c、多級(jí)放大器的輸出電阻：

多級(jí)放大器的輸出電阻就是最末級(jí)的輸出電阻Ron。不過(guò)在計(jì)算Ron時(shí)應(yīng)將前級(jí)的輸出電阻Ro(n–1)作為其信號(hào)源內(nèi)阻，即

八、多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)定性分析

設(shè)一個(gè)n 級(jí)放大電路各級(jí)的電壓放大倍數(shù)分別 、 、…、 ，則該電路的電壓放大倍數(shù)

對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性表達(dá)式為

設(shè)組成兩級(jí)放大電路的兩個(gè)單管放大電路具有相同的頻率響應(yīng)， ；即它們的中頻電壓增益 ，下限頻率 ，上限頻率 ；故整個(gè)電路的中頻電壓增益

當(dāng) 時(shí)， ? ，且 ，所以

圖1

說(shuō)明增益下降6dB，并且由于 和 均產(chǎn)生+45°的附加相移，所以 產(chǎn)生90°附加相移。

根據(jù)同樣的分析可得，當(dāng)f =fH1時(shí)，增益也下降6dB，且所產(chǎn)生的附加相移為–90°。因此，兩級(jí)放大電路和組成它的單級(jí)放大電路的波特圖如圖1所示。根據(jù)截止頻率的定義，在幅頻特性中找到使增益下降3dB的頻率就是兩級(jí)放大電路的下限頻率fL和上限頻率fH，如圖中所標(biāo)注。顯然，fL> fL1(fL2)，fH< fH1(fH2)。因此，兩級(jí)放大電路的通頻帶比組成它的單級(jí)放大電路的通頻帶要窄。以上結(jié)論具有普遍意義。

對(duì)于一個(gè)n 級(jí)放大電路，設(shè)組成它的各級(jí)放大電路的下限頻率為fL1、fL2、…、fLn，上限頻率為fH1、fH2、…、fHn，通頻帶為fbw1、fbw2、…、fbwn；設(shè)該多級(jí)放大電路的下際頻率為fL，上限頻率為fH，通頻帶為fbw，則

?本章小結(jié)
半導(dǎo)體三極管是由兩個(gè)PN結(jié)組成的三端有源器件。有NPN型和PNP型兩大類(lèi)，兩者電壓、電流的實(shí)際方向相反，但具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即基區(qū)寬度薄且摻雜濃度低，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，集電區(qū)面積大，這一結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是三極管具有電流放大作用的內(nèi)部條件。

三極管是一種電流控制器件，即用基極電流或發(fā)射極電流來(lái)控制集電極電流，故所謂放大作用，實(shí)質(zhì)上是一種能量控制作用。放大作用只有在三極管發(fā)射結(jié)正向偏置、集電結(jié)反向偏置，以及靜態(tài)工作點(diǎn)的合理設(shè)置時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。

三極管的特性曲線是指各極間電壓與各極電流間的關(guān)系曲線，最常用的是輸出特性曲線和輸入特性曲線。它們是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，因而也稱(chēng)外部特性。

器件的參數(shù)直觀地表明了器件性能的好壞和適應(yīng)的工作范圍，是人們選擇和正確使用器件的依據(jù)。在三極管的眾多參數(shù)中，電流放大系數(shù)、極間反向飽和電流和幾個(gè)極限參數(shù)是三極管的主要參數(shù)，使用中應(yīng)予以重視。

圖解法和小信號(hào)模型分析方法是分析放大電路的兩種基本方法。圖解法的要領(lǐng)是：先根據(jù)放大電路直流通路的直流負(fù)載線方程作出直流負(fù)載線，并確定靜態(tài)工作點(diǎn)Q，再根據(jù)交流負(fù)載線的斜率為–1/–1/R￠L(zhǎng)及過(guò)Q點(diǎn)的特點(diǎn)，作出交流負(fù)載線，并對(duì)應(yīng)畫(huà)出輸入信號(hào)、輸出信號(hào)（電壓、電流）的波形，分析動(dòng)態(tài)工作情況。
小信號(hào)模型分析方法的要領(lǐng)是：小信號(hào)工作是該方法的應(yīng)用條件。它是用H參數(shù)小信號(hào)模型等效電路（一般只考慮三極管的輸入電阻和電流放大系數(shù)）代替放大電路交流通路中的三極管，再用線性電路原理分析、計(jì)算放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，即電壓增益 、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro等。小信號(hào)模型等效電路只能用于電路的動(dòng)態(tài)分析，不能用來(lái)求Q點(diǎn)，但H參數(shù)值卻與電路的Q點(diǎn)相關(guān)。

溫度變化將引起三極管的極間反向電流、發(fā)射結(jié)電壓vBE、電流放大系數(shù)b 隨之變化，從而導(dǎo)致靜態(tài)電流IC不穩(wěn)定。因此，溫度變化是引起放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的主要原因，解決這一問(wèn)題的辦法之一是采用基極分壓式射極偏置電路。