模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第十六節(jié):多級放大電路

3.9 多級放大電路

一、多級放大電路及其耦合方式

在許多應(yīng)用場合，要求放大器有較高的放大倍數(shù)及合適的輸入、輸出電阻，如用單級放大器很難達到要求。因此，需要將多個不同組態(tài)的基本放大器級聯(lián)起來，充分利用它們的特點，合理組合構(gòu)成多級放大器，用盡可能少的級數(shù)，滿足系統(tǒng)對放大倍數(shù)、輸入、輸出電阻等動態(tài)指標的要求。

多級放大器中各級之間連接方式稱為耦合方式。級間耦合時，一方面要確保各級放大器有合適的直流工作點，另一方面應(yīng)使前級輸出信號盡可能不衰減地加到后級的輸入。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

1）由于電容器隔直流而通交流，所以各級的直流工作點相互獨立，而且，只要耦合電容選得足夠大，則較低頻率的信號也能由前級幾乎不衰減地加到后級，實現(xiàn)逐級放大。

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。這是因為耦合電容對這類信號呈現(xiàn)出很大的容抗，信號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

直接耦合是把前級的輸出端直接或通過恒壓器件接到下級輸入端。

特點

1. 這種耦合方式不僅可放大緩變信號，而且便于集成。

2. 由于前后級之間的直流連通，使各級工作點互相影響，不能獨立。因此，必須考慮各級間直流電平的配置問題,以使每一級都有合適的工作點。圖1給出了幾種電平配置的實例。

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

4. 具有良好的低頻特性，可以放大變化緩慢的信號。

四、光電耦合及光電耦合器

光電耦合是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合和傳遞的，因其抗干擾能力強而得到越來越廣泛的應(yīng)用。實現(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（也稱達林頓結(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，它描述當發(fā)光二極管的電流為一個常量ID時，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的變化量之比稱為傳輸比CTR，即

? （2）

不過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。圖中信號源部分可以是真實的信號源，也可以是前級放大電路。當動態(tài)信號為零時，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。當有動態(tài)信號時，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，輸出電壓還需進一步放大。實際上，目前已有集成光電耦合放大電路，具有較強的放大能力。

在圖1所示電路中，若信號源部分與輸出回路部分采用獨立電源且分別接不同的“地”，則即使是遠距離信號傳輸，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

將放大電路前級的輸出端通過變壓器接到后級的輸入端或負載電阻上，稱為變壓器耦合。圖1所示為變壓器耦合共射放大電路，RL既可以是實際的負載電阻，也可以代表后級放大電路，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

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

2）它的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號

3）不能集成化。

4）可以實現(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)負載為RL折合到原邊的等效電阻為R￠L.變壓器原邊線圈匝數(shù)N1,副邊線匝數(shù)N2

于是有：

對于圖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)。并在匹配得當時，負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，才考慮用分立元件構(gòu)成變壓器耦合放大電路。

七、多級放大電路的動態(tài)分析

1、多級放大器的級間關(guān)系：

在多級放大器中，后級電路相當于前級的負載，前級負載是后級放大器的輸入電阻；

前級相當后級的信號源，后級信號源內(nèi)阻為前級的輸出電阻。

2、n 級放大器的動態(tài)指標

a、總電壓放大倍數(shù) ：

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

b、多級放大器的輸入電阻：

多級放大器的輸入電阻就是第一級的輸入電阻Ri1，在計算Ri1時應(yīng)將后級的輸入電阻Ri2作為其負載電阻。

c、多級放大器的輸出電阻：

多級放大器的輸出電阻就是最末級的輸出電阻Ron。不過在計算Ron時應(yīng)將前級的輸出電阻Ro(n–1)作為其信號源內(nèi)阻，即

八、多級放大電路的頻率響應(yīng)定性分析

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

對數(shù)幅頻特性和相頻特性表達式為

設(shè)組成兩級放大電路的兩個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 ；故整個電路的中頻電壓增益

當 時， ? ，且 ，所以

圖1

說明增益下降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f =fH1時，增益也下降6dB，且所產(chǎn)生的附加相移為–90°。因此，兩級放大電路和組成它的單級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的頻率就是兩級放大電路的下限頻率fL和上限頻率fH，如圖中所標注。顯然，fL> fL1(fL2)，fH< fH1(fH2)。因此，兩級放大電路的通頻帶比組成它的單級放大電路的通頻帶要窄。以上結(jié)論具有普遍意義。

對于一個n 級放大電路，設(shè)組成它的各級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PN結(jié)組成的三端有源器件。有NPN型和PNP型兩大類，兩者電壓、電流的實際方向相反，但具有相同的結(jié)構(gòu)特點，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)射極電流來控制集電極電流，故所謂放大作用，實質(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)工作點的合理設(shè)置時才能實現(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)部載流子運動的外部表現(xiàn)，因而也稱外部特性。

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載線方程作出直流負載線，并確定靜態(tài)工作點Q，再根據(jù)交流負載線的斜率為–1/–1/R￠L及過Q點的特點，作出交流負載線，并對應(yīng)畫出輸入信號、輸出信號（電壓、電流）的波形，分析動態(tài)工作情況。
小信號模型分析方法的要領(lǐng)是：小信號工作是該方法的應(yīng)用條件。它是用H參數(shù)小信號模型等效電路（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、計算放大電路的動態(tài)性能指標，即電壓增益 、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro等。小信號模型等效電路只能用于電路的動態(tài)分析，不能用來求Q點，但H參數(shù)值卻與電路的Q點相關(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)工作點不穩(wěn)定的主要原因，解決這一問題的辦法之一是采用基極分壓式射極偏置電路。