多级放大电路的一般问题(耦合方式+动态分析)详解

多级放大电路的耦合方式

组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合

多级放大电路有四种常见的耦合方式：直接耦合，阻容耦合，变压器耦合和光电耦合

一.直接耦合放大电路

将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合

如图a，图中所示电路省去了第二级的基级电阻，而使Rc1既作为第一级的集电极电阻，又作为第二级的基极电阻，只要Rc1取值合适，就可以为T2管提供合适的基极电流

1.直接耦合放大电路静态工作点的设置

从图a所示电路中可知，静态时，T1管的管压降UCEQ1等于T2管的b-e间管压降UBEQ2

若T1管为硅管，UBEQ2约为0.7V，则T1管的静态工作点靠近饱和区，在动态信号作用时容易引起饱和失真

因此，为使第一级有合适的静态工作点，就要抬高T2管的基极电位，为此可以在T2管的发射极加电阻Re2，如图b所示

但是再增加Re2后，虽然在参数取值得当时，两级均可有合适的静态工作点，但是Re2会使第二级的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力

因此需要选择一种器件取代Re2，它应对直流量和交流量呈现出不同的特性

对直流量，它相当于一个电压源

对交流量，它等效成一个小电阻，这样，既可以设置合适的静态工作点，又对放大电路的放大能力影响不大

二极管和稳压管都具有以上特性

对二极管进行正向分析可知：

当二级管流过直流电流时，在伏安特性上可以确定它的端电压UD，而在这个直流信号上叠加一个交流信号时，二极管的动态电阻为duD/iD

对于小功率管，其值仅为几至几十欧，若要求管压降的UCEQ数值小于2V，可以用一个或者两个二极管取代Re2，如图b所示，但是如果要求数值为几伏，则需要多个二极管串联

如如此做，一方面多个二极管串联后的动态电阻变大，使放大能力变差，另一方面元件数量的增多，必然使焊点增多，故障率增大，可靠性变差

对二极管进行反向分析可知：
当稳压管工作在击穿状态时，在一定的电流范围内，其端电压基本不变，并且动态电阻也仅为十几至几十欧，所以可以用稳压管取代Re2，如图c所示，为了保证稳压管工作在稳压状态，图c中电阻R的电流IR流经稳压管，使得稳压管中的电流大于稳定电流，根据T1管管压降UCEQ所需的数值，选取稳压管的稳定电压UZ

在图a、b、c所示电路中，为使各级晶体管都工作在放大区，必然要求T2管的集电极电位高于其基极电位

可以设想，如果级数增多，且仍为NPN型管构成的共射电路，则由于集电极电位逐级升高，以至于接近电源电压，势必使后级的静态工作点不合适，因此，直接耦合多级放大电路常采用NPN型和PNP型管混合使用的方法解决上述问题，如图d所示

在图d所示电路中，虽然T1管的集电极电位高于其基极电位，但是为使T2管工作在放大区，T2管的集电极电位应低于其基极电位(即T1管的集电极电位)

2.直接耦合方式的优缺点

从以上分析可知，采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因静态工作点相互影响，给电路分析、设计和调试等带来一系列困难，在求解静态工作点时，应写出直流通路中各个回路的方程，然后求解多元一次方程组

直接耦合放大电路的优点是具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号，并且由于电路中没有大容量电容，所以易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成放大电路

直接耦合放大电路最大的问题是存在零点漂移现象，即输入信号为零时，输出电压产生变化的现象

二.阻容耦合放大电路

将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合方式，如上图所示，为两级阻容耦合放大电路，第一级为共射放大电路，第二级为共集方法电路

由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路各不想通，各级的静态工作点相互独立，在求解或者实际调试Q点时可以按单级处理，所以对电路的分析、设计和调试简单易行，只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，因此，在分立元件电路中阻容耦合方式得到了非常广泛的应用

阻容耦合放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，这是因为电容对这类信号呈现出很大的容抗，信号的一部分甚至全部都衰减在耦合电容上，而根本不向后级传递

通常只有在信号频率很高、输出功率很大等特殊情况下，才采用阻容耦合方式的分立元件放大电路

三.变压器耦合放大电路

将放大电路前级的输出信号通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为变压器耦合，如图a所示为变压器耦合共射放大电路，RL既可以是实际的负载电阻，也可以代表后级放大电路，如图b所示是它的交流等效电路

由于变压器耦合放大电路的前、后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合放大电路一样，它的各级放大电路的静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试，而它的低频特性差，不能放大变化级慢的信号，且笨重，更不能集成化，与前两种耦合方式相比，其最大特点是可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到了广泛应用

在实际系统中，负载电阻的数值往往很小，把它们接到直接耦合或阻容耦合的任何一种放大电路的输出端，都将使其电压放大倍数的数值变得很小，从而使负载上无法获得大功率

采用变压器耦合时，若忽略变压器自身的损耗，则一次侧损耗的功率等于二次侧负载电阻所获得的功率，即P1=P2,。设一次电流为I1(Ic)，二次电流为I2，将负载折合到一次侧的等效电阻R'L，如下图所示，则

I21R'L=I22RL，即

因为变压器二次电流与一次电流之比等于一次线圈匝数N1与二次线圈匝数N2之比，所以

对于变压器耦合放大电路，可得电压放大倍数

根据所需的电压放大倍数，可以选择合适的匝数比，使负载电阻上获得足够大的电压，并且当匹配得当时，负载可以获得足够大的功率，在集成功率放大电路产生之前，几乎所有的功率放大电路都采用变压器耦合的形式，目前只有在集成功率放大电路无法满足需要的情况下，如需输出特大功率，或实现高频功率放大时，才考虑用分立元件构成变压器耦合放大电路

四.光电耦合

光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的

1.光电耦合器

光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件(发光二极管)与光敏元件(光电三极管)相互绝缘地组合在一起，如图a所示，发光元件为输入回路，它能电能转换成光能，光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰

在输出回路常采用复用管(达林顿结构)形式以增大放大倍数

光电耦合器的传输特性如图b所示，它描述当发光二极管的电流为一个常量ID时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系，即

因此，与晶体管的输出特性一样，也是一族曲线，当管压降uCE足够大时，几乎仅决定于iD

与晶体管的β相类似，在c-e之间电压一定的情况下，iC的变化量与iD的变化量之比称为传输比CTR

不过CTR的数值比β小得多，只有0.1~1.5

2.光电耦合放大电路

如上图所示为光电耦合放大电路，信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路

当动态信号为0时，输入回路有静态电流IDQ，输出回路有静态电流ICQ，从而确定出静态管压降UCEQ

有动态信号时，随着iD的变化，iC将产生线性变化，uCE也将产生相应的变化

由于传输比的数值较小，所以一般情况下，输出电压还需要进一步放大

多级放大电路的动态分析

一个N级放大电路的交流等效电路如上方框图所示，放大电路中前级的输出电压就是后级的输入电压，即

所以，多级放大电路的电压放大倍数为

，即

上式表明，多级放大电路的电压放大倍数等于组成它的各级放大电路的电压放大倍数之积

对于第一级到第(N-1)级，每一级的放大倍数均应该是以后级输入电阻作为负载时的放大倍数

根据放大电路的输入电阻的定义，多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻，即

Ri=Ri1

根据放大电路的输出电阻的定义，多级放大电路的输出电阻就是最后一级的输出电阻，即

Ro=RoN

注意以下两种情况：
1.当共集放大电路作为输入级(即第一级)时，它的输入电阻与其负载，即与第二级的输入电阻有关

2.当共集放大电路作为输出级(即最后一级)时，它的输出电阻与其信号源内阻，即与倒数第二级的输出电阻有关

当多级放大电路的输出波形产生失真时，应首先确定是在哪一级先出现的失真，然后再判断是产生了饱和失真还是截止失真，进而采用合适的方法消除这种失真

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