第五章 多级放大电路.docx

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第五章多级放大电路

第五章多级放大电路

第一节多级放大电路

在实际工作中，为了放大非常微弱的信号，需要把若干个基本放大电路连接起来，组成多级放大电路，以获得更高的放大倍数和功率输出。

    多级放大电路内部各级之间的连接方式称为耦合方式。

常用的耦合方式有三种，即阻容耦合方式、直接耦合方式和变压器耦合方式。

1.多级放大电路的耦合方式

 1.1阻容耦合

通过电容和电阻将信号由一级传输到另一级的方式称为阻容耦合。

图所示电路是典型的两级阻容耦合放大电路。

    优点：

耦合电容的隔直通交作用，使两级Q相互独立，给设计和调试带来了方便；

    缺点：

放大频率较低的信号将产生较大的衰减，不适合传递变化缓慢的信号，更不能传递直流信号；加之不便于集成化，因而在应用上也就存在一定的局限性。

1.2直接耦合

    多级放大电路中各级之间直接（或通过电阻）连接的方式，称为直接耦合。

直接耦合放大电路具有结构简单、便于集成化、能够放大变化十分缓慢的信号、信号传输效率高等优点，在集成电路中获得了广泛的应用。

直接耦合放大电路存在的最突出的问题是零点漂移问题。

所谓零点漂移是指把一个直接耦合放大电路的输入端短路时，即输入信号为零时，由于种种原因引起输出电压发生漂移（波动）。

1.3变压器耦合

    变压器耦合放大电路如图所示。

这种耦合电路的特点是：

级间无直流通路，各级Q独立；变压器具有阻抗变换作用，可获最佳负载；变压器造价高、体积大、不能集成，其应用受到限制。

1.4级间耦合的优、缺点及应用比较

耦合方式

优点

缺点

应用

直接耦合

·可放大直流及缓慢变化的信号，低频响应好。

·便于集成

·各级Q不独立，使设计、计算、调试不便。

·有严重的零点漂移问题。

直流或交流放大，分立或集成电路

阻容耦合

·各级Q独立

·传输交流信号损失小，增益高

·体积小，成本低

·无法集成

·不能放大直流及缓慢变化的信号，低频响应差

交流放大

分立电路

变压器

耦合

·各级Q独立

·可以改变交流信号的电压、电流和阻抗

·无法集成

·高频和低频响应差

·体积大，笨重

功率放大

调谐放大

2.直接耦合放大电路的特殊问题——零点漂移

2.1零点漂移

所谓零点漂移是指当把一个直接耦合放大电路的输入端短路时，即输入信号为零时，由于种种原因引起输出电压发生漂移（波动）。

产生零点漂移的原因很多。

如晶体管的参数随温度的年华、电源、电压的波动等，其中，温度的影响是最重要的。

在多级放大电路中，又已第一、第二级的漂移影响最为严重。

因此，抑制零点漂移着重点在第一、第二级。

2.2差分式放大电路（观看视频）

在直接耦合多级放大电路中抑制零点漂移最有效的电路结构是差动放大电路。

因此，在要求较高的多级直接耦合放大电路的前置级和集成电路中广泛采用这种电路。

2.2.1差分放大电路的组成

差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的，如图所示。

对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。

　　β1＝β2＝β　　　　VBE1＝VBE2＝VBE

　　rbe1＝rbe2＝rbe　　ICBO1＝ICBO2＝ICBO

　　Rc1＝Rc2＝Rc　　　　Rb1＝Rb2＝Rb 

　2.2．2差分放大电路的输入和输出方式

差分放大电路一般有两个输入端：

同相输入端，反相输入端。

根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。

反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入。

信号的输入方式：

若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。

差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。

从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。

2．2.3.差模信号和共模信号

差模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号；

共模信号是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。

如图所示。

差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。

温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。

差分放大器是模拟集成运算放大电路输入级所采用的电路形式。

3.多级放大电路的分析方法（图见书P73）

分析多级放大电路的基本方法是：

化多级电路为单级，然后再逐级求解。

化解多级电路时要注意，后一级电路的输入电阻作为前一级电路的负载电阻；或者，将前一级输出电阻作为后一级电路的信号源内阻。

3.1输入电阻和输出电阻

多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，其输出电阻就是最后一级放大电路的输出电阻。

有时第一级的输入电阻也可能与第二级电路有关，最后一级的输出电阻也可能与前一级电路有关，这就取决于具体电路结构。

=

，其中

，为第一级的等效偏流电阻。

3.2电压放大倍数

式中Au1、Au2…Aun：

多级放大电路各级的电压放大倍数。

Au（dB）=Au1（dB）+Au2（dB）+…+Aun（dB）

注意：

在计算每一级电压放大倍数时，要把后一级的输入电阻视为它的负载电阻。

，其中

，而

，可见，

为

、

、

、

四个电阻并联。

，其中

，

又有

例题3-1

补充 例题三级放大电路如图Z0225所示。

计算该电路的Au、ri、ro。

（略）　　　　　　　　　　

    解：

（1）电压放大倍数

    按前述分析方法将三级放大电路划分为3个单级放大电路，如图Z0226所示。

    由上图可见，第一级电路和第三级电路为共集电极放大电路，其电压放大倍数为：

Au1＝Au3≈1，第二级电路为共射极放大电路，它的电压放大倍数为

      Au2=-β（RC2∥ri3）/rbe2

总电压放大倍数为：

Au＝Au1·Au2·Au3≈

（2）输入电阻

    第一级电路为射极输出器，它的输入电阻为：

故：

    （3）输出电阻

第三级电路为射极输出放大电路则：

    由上例可以看出，分析多级放大电路的关键在于正确地划分出各单级放大电路。

第二节放大电路的频率特性

1.频率响应概述

前面讨论放大电路时，为了便于研究，都假定了输入信号vi是单一频率的正弦波，而实际工作中所要放大的信号并不是单一频率的正弦波。

由于放大电路中电抗元件的存在，放大电路对不同频率分量的信号放大能力是不相同的，而且不同频率分量的信号通过放大电路后还会产生不同的相移。

因此，衡量放大电路放大能力的放大倍数也就成为频率的函数。

放大电路的电压放大倍数与频率的关系称为幅频特性,输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系称为相频特性。

两者统称频率特性。

晶体管PN结两侧电荷的分布使之具有一个附着的小电容，我们称之为极间电容或结电容。

结电容、放电电路中耦合电容和旁路电容、电路联线分布电容，这些使得实际放大电路的电压放大倍数随着频率的变化而变化。

在工业电子技术中，最常用的是低频放大电路，其频率范围约为20～10000Hz。

在分析放大电路的频率特性时，再将低频范围分为低、中、高三个频段，分别求出各频段中的频率特性，然后综合求得完整的频率特性。

放大电路的频率特性中有三项性能指标，它们是：

（1）下限频率

　在低频段，放大电路的电压放大倍数降到中频段电压放大倍数Avo的0.707Avo时的频率值叫做下限频率　fL，如图（a）所示。

引起低频段电压放大倍数下降的原因主要是输入耦合电容、输出耦合电容和射极旁路电容，对低频信号形成较大的衰减，从而使电压放大倍数下降。

（2）上限频率

　　在高频段，放大电路的电压放大倍数降到中频段电压放大倍数Avo的0.707Avo时的频率值叫做上限频率　fH，如图（a）所示。

引起高频段电压放大倍数下降的原因主要是三极管的极间电容和放大电路的输入电路和输出电路的分布电容，将高频信号旁路，从而使电压放大倍数下降。

（3）通频带

在频率特性的中频段，放大电路的各种电容对交流信号的影响均可以忽略，因此电压放大倍数Avo基本不变。

这个频率带宽B＝fH－fL，称B为通频带。

放大电路的通频带越宽，即放大电路的频率特性就越好。

对于任一放大电路都有一确定的通频带，在设计电路时，必须首先了解信号的频率范围，以便使所设计的电路具有适应于该信号频率范围的通频带；在使用电路前，应查阅手册、资料，或实测其通频带，以便确定电路的适用范围。

三个特点：

（1）中频区：

耦合电容（大电容）和结电容（小电容）均可忽略。

可认为增益的大小和相位差不随频率变化。

（2）低频区：

结电容（小电容）可以忽略。

但耦合电容（大电容）不可忽略。

可认为增益的大小随频率减小而降低。

（3）高频区：

耦合电容（大电容）可以略，结电容（小电容）不可忽略。

可认为增益的大小随频率升高而降低。

多级电路频率特性的总带宽小于各级电路的带宽

第三节功率放大电路（OTL）

观看视频

前面讨论的各种放大电路的主要任务是使负载上获得尽可能大的不失真电压信号，它们的主要指标是电压放大倍数。

而功率放大电路的主要任务则是，在允许的失真限度内，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。

因此，功率放大电路的电路形式、工作状态、分析方法等都与小信号放大电路有所不同。

1.对功率放大电路的基本要求

（1）功率要大　输出功率Po＝VoIo，要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。

因此，晶体管往往工作在极限状态，应用时要考虑管子的极限参数，注意管子的安全。

（2）效率要高　放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程。

其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值，即：

式中：

Po负载上获得的信号功率；PV电源供给的功率。

（3）合理的设置功放电路的工作状态　在这里，我们主要讨论三种功放电路：

甲类、甲乙类、乙类。

（略）

由于在能量转换的过程中，晶体管要消耗一定的能量，从而造成了η下降。

显然，要提高η，就要设法减小晶体管的损耗。

而晶体管的损耗与静态工作点密切相关。

图2.9.1给出了晶体管的几种工作状态及对应的输出波形。

由图可见，甲类状态，iC始终存在，没有信号输入时，直流电源供给的能量全部消耗在晶体管上，这种状态的效率很低；乙类状态，没有信号输入时，iC＝0，晶体管不消耗能量，这种状态的效率较高。

这就指明了提高效率的途径是降低静态工作点。

（4）失真要小。

甲类功放通过合理设置静态工作点，非线性失真可以很小，但它的效率低。

乙类状态虽然效率高，但输出波形却只有半波波形。

为了保存乙类状态高效率的优点，可以设想让两个管子轮流工作在输入信号的正半周和负半周，并使负载上得到基本完整的输出波形。

三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。

此时虽降低了静态工作电流，但依然还存在失真问题，即交越失真。

如果不能解决乙类状态下交越失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中仍不能采用。

推挽电路和互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。

由于功率放大电路工作在大信号状态，所以对功放电路的分析多采用图解法。

要确定的主要性能指标是Po、PV、PT（损耗）和η。

如何解决效率低的问题？

办法：

降低Q点

缺点：

但又会引起截止失真。

既降低Q点又不会引起截止失真的办法：

采用推挽输出电路，或互补对称设计输出器

互补堆成：

电路中采用两支晶体管，NPN、PNP各一支；两管特性一致。

互补对称功放的类型：

无输出变压器形式（OTL电路）和无输出电容形式（OCL电路）

2.互补功率放大电路（OCL）

2.1电路组成

它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。

电路的结构特点：

（1）由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。

（2）双电源供电。

（3）输入输出端不加隔直电容

2.2工作原理

当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。

当输入信号处于负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。

T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。

于是两个三极管一个正半周、一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。

如图2.9.3（a）所示。

严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。

因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真如图所示。

为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。

此时的互补功率放大电路如图所示。

3.单电源互补功率放大电路（OTL电路）

电路特点：

（1）单电源供电；

（2）输出加有大电容

单电源互补功率放大电路如图所示。

当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。

为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。

这种功率放大电路也称为OTL（OutputTransformerless）.

设输入端在0.5UCC直流电平基础上加入正弦信号。

当输入信号

（设为正弦电压）在正半周时，VT1的发射结为正向偏置，VT2的发射结为反向偏置。

VT1导通，VT2截止，UCC通过VT1对电容器C充电，负载电阻RL中的电流方向为iE1方向。

当输入信号

在负半周时，VT1的发射结为反向偏置，VT2的发射结为正向偏置。

VT1截止，VT2导通。

这时的电容器C起负电源的作用，通过VT2对负载电阻RL放电，负载电阻RL中的电流方向为iE2方向。

这样就在负载中获得了一个随机输入信号而变化的电流波形。

理想OTL的最大输出功率

仍存在交越失真，

实用OTL互补输出功率放大电路

第四节

第五节