本章目錄 7-1 串級放大器的電壓增益 7-2 電阻電容耦合串級放大器 7-3 直接耦合串級放大器 7-4 達靈頓電路 7-5 變壓器耦合串級放大器

本章目錄 7-6 放大器的頻率響應 ※7-7 各種串級放大電路之特性比較

7-1 串級放大器的電壓增益 P2 兩級以上串接而成的放大電路，就稱為串級放大器 　　兩級以上串接而成的放大電路，就稱為串級放大器 (cascaded amplifier)或多級放大器(multistage amplifier)。串 級連接的主要目的是增加總電壓增益。

7-1 串級放大器的電壓增益 P2 　　n級串接的串級放大器，總電壓增益Av為 　　放大器的電壓增益若以分貝(decibels, dB)表示，則

7-1 串級放大器的電壓增益 P3

7-1 串級放大器的電壓增益 P3

7-1 串級放大器的電壓增益 P4

7-1 串級放大器的電壓增益 P4 常見的耦合方法有： (1)電阻電容耦合 (2)直接耦合 (3)變壓器耦合 良好的耦合元件應具有如下特性： 　　常見的耦合方法有： (1)電阻電容耦合 (2)直接耦合 (3)變壓器耦合 　　良好的耦合元件應具有如下特性： (1)它的加入不影響前級與後級放大器的原直流工作點。 (2)可將前級之輸出信號低損失的傳送至次級。 (3)失真小。

P5 7-2 電阻電容耦合串級放大器 由於電容器C2對直流而言可視為斷路，故不影響兩級之 1級輸出之交流信號傳送至第2級。

7-2 電阻電容耦合串級放大器 P6

7-2 電阻電容耦合串級放大器 P6

7-2 電阻電容耦合串級放大器 P7

P7 7-2 電阻電容耦合串級放大器 一、電阻電容耦合放大器的優點 RC耦合放大器有如下優點： (1)電路結構簡單，成本低。 (2) 各級的直流偏壓不會互相影響，可以單獨設計各級的 直流工作點。 (3)頻率響應良好，中頻段曲線平坦。如圖7-2-3所示。

P8 7-2 電阻電容耦合串級放大器 二、電阻電容耦合放大器的缺點 RC耦合放大器有下述缺點： (1)電阻性負載，功率損失較大，僅適用於電壓放大或低功率放大。 (2)由於耦合電容器及射極旁路電容器在低頻時容抗較大( ，當頻率 f 較低時，容抗 XC 就變大)，導致低頻響應不良。如圖7-2-3所示。 (3)前後級之輸出入阻抗不易匹配，因此效率低。

7-3 直接耦合串級放大器 P8 在要求低頻響應良好的場合，必須採用直接耦合串級放 大器，以改善低頻特性。 　　在要求低頻響應良好的場合，必須採用直接耦合串級放 大器，以改善低頻特性。 　　由於級與級間沒有任何電抗元件的存在，所以頻率響應 極佳，如圖7-3-2所示。 　　直接耦合放大器，因為沒有電容器或變壓器等耦合元件 ，前一級的直流電壓會直接進入下一級的輸入端，所以任何 原因所引起的工作點變動，都會令下一級的工作點跟著改變 。設計電路時，常用直流負回授(例如加上射極電阻器)的技 巧，提高電路的穩定度。

7-3 直接耦合串級放大器 P8

7-3 直接耦合串級放大器 P9

7-3 直接耦合串級放大器 P9 一、直接耦合串級放大器的優點 直接耦合串級放大器有下述優點： (1)不需耦合元件，成本低。 　　直接耦合串級放大器有下述優點： (1)不需耦合元件，成本低。 (2)低頻的頻率響應良好，連直流也可以放大。如圖7-3-2所示。 (3)不需耦合元件，最適合製作積體電路(integrated circuit, IC)。

7-3 直接耦合串級放大器 P9 二、直接耦合串級放大器的缺點 直接耦合放大器有下列缺點： 　　直接耦合放大器有下列缺點： (1)前、後級間的阻抗不容易匹配，不能得到最大的功率轉移。 (2)電路的穩定性差，易因溫度及電源電壓或其他因素的影響而造成工作點偏移，產生失真，甚至於燒毀電晶體。

7-4 達靈頓電路 P10 一、達靈頓電路之電流增益

7-4 達靈頓電路 P10 　　達靈頓電路如圖7-4-2所示，輸入電流IB1先經過TR1放大後再經TR2放大，所以總電流增益約為兩個電晶體電流增益的乘積，即

7-4 達靈頓電路 P11 二、達靈頓電路之阻抗 　　達靈頓電路之輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。請參考圖 7-4-3。

7-4 達靈頓電路 P11 三、達靈頓電路的交流等效電路模型

7-4 達靈頓電路 P12

7-4 達靈頓電路 P13

7-4 達靈頓電路 P13

7-4 達靈頓電路 P14 四、達靈頓射極隨耦器之直流分析 1. 射極回授式偏壓電路 　　射極回授式偏壓電路如圖7-4-7所示，是使用射極電阻RE 做負回授而提高工作點之穩定性。茲分析如下： (1)因為 所以 (2) (3)由以上分析可知，當β1β2大時 會自動變小，當β1 β2小時 會自動變大，所以β值的差異不會令工作點大量偏移。這就是RE提供負回授的優點。

7-4 達靈頓電路 P14

7-4 達靈頓電路 P14 2. 分壓偏壓電路 分壓偏壓電路如圖7-4-8所示，茲分析如下： (1) (2) (3) 　　分壓偏壓電路如圖7-4-8所示，茲分析如下： (1) (2) (3) (4)上述分析中並沒有出現β ，所以分壓偏壓電路的穩定性非常良好。

7-4 達靈頓電路 P15

7-4 達靈頓電路 P15

7-4 達靈頓電路 P16 五、達靈頓射極隨耦器之交流分析 1. 交流等效電路

7-4 達靈頓電路 P16

7-4 達靈頓電路 P17 2. 輸入電阻 輸入電阻就是由輸入端看進去的電阻值。計算輸入電阻 　　輸入電阻就是由輸入端看進去的電阻值。計算輸入電阻 的交流等效電路，如圖7-4-11所示，輸入電阻Rin是由R1、R2 及Rb三個電阻並聯而成。可如下求得： (1)由基極看進去的電阻值Rb為 通常 ，所以上式可以簡化成 換句話說，射極電阻由基極看進去，會變成β1β2倍。

7-4 達靈頓電路 P17 (2)因為輸入電阻Rin是由R1、R2及Rb並聯起來，所以

7-4 達靈頓電路 P18 3. 輸出電阻 　　輸出電阻就是由輸出端看進去的電阻值。遇到電流源視為開路，遇到電壓源視為短路，所以計算輸出電阻的交流等效電路，如圖7-4-12所示。由圖7-4-12可看出輸出電阻Rout是由2re2與RE並聯而成，即 　　在電晶體放大電路中，由於 ，所以公式(7-7)可以簡化成

7-4 達靈頓電路 P18

7-4 達靈頓電路 P18 4. 電壓增益 圖7-4-13是計算電壓增益的交流等效電路。根據定義，電壓增益為 由圖7-4-13可明顯看出 　　圖7-4-13是計算電壓增益的交流等效電路。根據定義，電壓增益為 由圖7-4-13可明顯看出 所以 在電晶體放大電路中，由於 ，所以 +RE≒RE，因此射極隨耦器的電壓增益 Av≒1。

7-4 達靈頓電路 P20

7-4 達靈頓電路 P20

7-4 達靈頓電路 P20

7-5 變壓器耦合串級放大器 P21 圖7-5-1即為典型的變壓器耦合串級放大電路。圖中變 壓器的主要功用為： (1)傳送信號 　　圖7-5-1即為典型的變壓器耦合串級放大電路。圖中變 壓器的主要功用為： (1)傳送信號 (2)阻抗匹配

7-5 變壓器耦合串級放大器 P21

7-5 變壓器耦合串級放大器 P21 一、變壓器

7-5 變壓器耦合串級放大器 P22 二、阻抗匹配作用 茲以實例說明阻抗匹配作用如下： 　　茲以實例說明阻抗匹配作用如下： (1)當一個輸出阻抗為1kΩ的放大器，輸出50V時，若於其輸出端接上一個8Ω的揚聲器(俗稱喇叭)，如圖7-5-3，則：   揚聲器所獲得之功率 (2)若我們採用一個1kΩ：8Ω的聲頻變壓器加於8Ω的揚聲器上，則8Ω之揚聲器即搖身一變而成為1kΩ的揚聲器，如圖7-5-4所示。此時  

7-5 變壓器耦合串級放大器 P23 (3)比較圖7-5-3與圖7-5-4，由於聲頻變壓器的加入，揚聲器所獲得之功率由20mW變成625mW，所提高的這數十倍功率就是變壓器的阻抗匹配作用所帶來的效益。

7-5 變壓器耦合串級放大器 P23

7-5 變壓器耦合串級放大器 P24

7-5 變壓器耦合串級放大器 P24

7-5 變壓器耦合串級放大器 P25 三、使用變壓器耦合應注意之事項 四、變壓器耦合放大器的優點 　　當交流信號輸入時，由於感應電勢的關係，在線圈中將 出現自感電壓，這個感應電壓再加上電源電壓，可使VCE的 最大值達到2VCC，因此電晶體的耐壓VCEO不得小於2VCC。 四、變壓器耦合放大器的優點 　　使用變壓器耦合有下列優點： (1)前後級容易獲得最佳的阻抗匹配，可提高輸出功率。 (2)變壓器可提供良好的直流隔離作用，不會影響前級與後 　級的原工作點。

7-5 變壓器耦合串級放大器 P25 五、變壓器耦合放大器的缺點 使用變壓器耦合有下列缺點： (1)易受雜訊影響、失真較大。 　　使用變壓器耦合有下列缺點： (1)易受雜訊影響、失真較大。 (2)受變壓器初次級電感抗影響，頻率響應極差。(變壓器的特性導致頻率響應曲線不平坦，如圖7-5-9所示。) (3)變壓器的體積大、重量較重及價格也較高。

7-6 放大器的頻率響應 P26 一、影響頻率響應的因素 頻率響應圖(frequency response chart)是在放大器輸入 一個振幅不變、頻率變化的交流信號，然後測出不同頻率時 的輸出振幅或電壓增益。 一、影響頻率響應的因素 1. 下列因素會使放大器的低頻電壓增益下降： (1)耦合電容器 　 在頻率較低時，耦合電容器的電容抗 會變大， 　因此耦合電容器會產生較大的電壓降，令放大器的輸出 　 電壓變小，電壓增益下降。 (2)旁路電容器(bypass capacitor) 　 頻率較低時，旁路電容器的電容抗 XC 也會增大，使得射 　 極電阻器無法完全被短路，所以電壓增益會下降，導致 　 輸出電壓也變小。

7-6 放大器的頻率響應 P26 2. 下列因素會使放大器的高頻電壓增益下降： 　　電晶體的極際電容與電路的雜散電容(如圖7-6-1中虛線所示)，當頻率較高時，電容抗變小，因此會使基極的信號電壓減少，令輸出電壓降低。

7-6 放大器的頻率響應 P27 二、截止頻率與頻寬 一般放大器的頻率響應曲線，如圖7-6-2所示。曲線中 　　一般放大器的頻率響應曲線，如圖7-6-2所示。曲線中 平坦部份的增益，稱為中頻電壓增益，簡記為Av(mid)，而將 電壓增益為0.707Av(mid)時所對應的頻率，稱為截止頻率 (cut-off frequency)。放大器的頻帶寬度(bandwidth, BW)定 義為：

7-6 放大器的頻率響應 P27 三、用分貝表示的正規化頻率響應曲線 目的是把頻率響應曲線增益最大的中頻段，定位在縱座 　　目的是把頻率響應曲線增益最大的中頻段，定位在縱座 標的零點位置(稱為正規化, normalized)。因為當Av＝Av(mid) 時 而在截止頻率時，Av＝0.707Av(mid) ，所以 也因此，截止頻率又被稱為－3dB頻率。請參考圖7-6-3。

7-6 放大器的頻率響應 P28

7-6 放大器的頻率響應 P28 四、串級放大器的截止頻率與頻寬 1. 每一單級放大器的截止頻率不同時： (1)串級放大器的低頻截止頻率fL(n)等於各單級放大器fL的最大值。 (2)串級放大器的高頻截止頻率fH(n)等於各單級放大器fH的最小值。 (3)串級放大器的頻寬 2. 每一單級放大器的截止頻率相同時： (1)n級的串級放大器，其低頻截止頻率fH(n)為

7-6 放大器的頻率響應 P28 (2)n級的串級放大器，其高頻截止頻率fH(n)為 (3)串級放大器的頻寬 3.串級放大器雖然總電壓增益較大，但是因為低頻截止頻率 　變大，而高頻截止頻率變小，所以整體的頻寬會變窄。

7-6 放大器的頻率響應 P29

7-6 放大器的頻率響應 P30

※7-7 各種串級放大電路之特性比較 P30 　　每一種串級放大電路都有其優缺點，表7-7-1列出三種 串級放大電路之特性比較，提供參考。