——2016年5月语音答疑—— 模拟电子技术基础 ——多级放大电路 时 间：2016-05-05 19：00 — 20：30

主要内容: 1.1 多级放大电路的耦合方式 1.2 多级放大电路的动态分析 1.3 直接耦合放大电路分析

需要了解的内容：

1.1多级放大电路的耦合方式 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。

1.1.1 直接耦合 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。 图中所示电路省去了第二级的基极电阻，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。

直接耦合放大电路静态工作点的设置 静态时：T1管的管压降Uce等于T2 管的b-e点间电压Ubeq2。 若T1为硅管, 当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。

增加Re2后，在参数取值恰当时，两级均可有合适的静态工作点; 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。 综合考虑后，二极管和稳压管都具有上述特性.

当二极管流过直流电流时，伏安特性可以确定它的端电压为UD。 在这个直流信号上叠加一交流信号时，二极管的动态电阻为duD/diD。 若要求T1管的管压降UCEQ的数值小于2V，则可用一只或两只二极管取代Re2。

或者用稳压管取代Re2 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最小稳定电流(一般为5mA或10mA)。

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管的集电极静态电位高于其基极电位，也就是要高于T1管的集电极静态电位。 如果级数增多，且均为NPN管构成的共射极电路，那么由于集电极电位逐级升高，以至于接近VCC，会使后级的静态工作不合适。 因此，直接耦合多级放大电路中常采用NPN型和PNP型管混合使用的方法解决上述问题； 如图(d）所示，在所示电路中，为使T2工作在放大区，T2管的集电极电位应低于T1管的集电极电位。

直接耦合方式的优缺点 优点： (1)直接耦合放大电路的突出优点是具有良好的低频特性， 以放大变化缓慢的信号； (2)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。 缺点： (1)采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而就 给电路的分析、设计和调试带来一定的困难； (2)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，难度大。

1.1.2 阻容耦合 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. 图示为两级阻容耦合放大电路，第一级为共射极放大电路，第二级为共集电极放大电路。

阻容耦合方式的优缺点 优点： （1）各级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互独 立，在求解或实际调试Q点时可按单级处理； （2）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。 缺点： （1）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。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； （2）在集成电路中制造大容量电容很困难，甚至不可能，所以 这种耦合方式不便于集成化。

1.1.3 变压器耦合 将放大电路前级的输出端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。 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，图(b)是它的交流等效电路。

优点：由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合 ，所以与阻容耦合电路一样，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。 变压器耦合方式的优缺点 优点：由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合 ，所以与阻容耦合电路一样，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。 可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。 缺点：变压器耦合的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重，更不能集成化。

1.1.4 光电耦合 一、光电耦合器

发光元件为输入回路，它将电能转换成光能; 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。 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

1.2 多级放大电路的动态分析 通过多级放大器的输入输出依序相连形成： 在多级放大电路中，放大倍数计算为：

即为： 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电压放大倍数之积。 对于第一级到第(n一1)级，每一级的放大倍数均应该是以后级输入电阻做为负载时的放大倍数。

另外：

例题分析：

求解Au、Ri和RO, 交流等效电路如图所示(小信号模型)

第二级的电压放大倍数 整个电路的电压放大倍数

输入电阻 输出电阻

1.3 直接耦合放大电路分析 当信号变化比较缓慢，采用直接耦合放大电路将其放大最为方便。 本节将对直接耦合放大电路存在的问题、解决方法以及基本电路形式一一加以介绍。

1.3.1直接耦合放大电路的零点漂移现象 一、零点漂移现象及其产生的原因 如图(b)所示，这种输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象，称为零点漂移现象。 温度变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。

抑制温度漂移的方法 抑制温度漂移的方法归纳如下: 1. 在电路中引人直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路中Re所起的作用； 2.采用温度补偿的方法。利用热敏元件来抵消放大管的变化； 3.采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成“差分放大电路”，这个方法也可归结为温度补偿。

1.3.2 差分放大电路(多级直接耦合放大电路的基本单位) 一、电路的组成 通过接入电阻Re来抑制温漂 稳定 变化会逐级放大。

受温度控制的电源，V与VCQ变化保持相等。那么输出只有动态的部分了。

如果采用与图(a)所示电路参数完全相同，管子特性也完全相同的电路，那么两只管子的集电极静态电位在温度变化时也将时时相等，电路以两只管子集电极电位差作为输出，就克服了温度漂移，实现了抑制温漂中（3）的构想，如图(c)所示。

即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb ui1=ui2 =uic， (大小、极性相同，共模信号) （C）对称式电路加共模信号 结构: 对称性结构 即：1=2= UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb 说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在参数完全对称的情况下，共模输出为零.

当UI1与UI2所加信号为大小相等极性相反的输人信号(称为差模信号)时， 从而实现电压的放大。

由于Re1和Re2的存在使电路的电压放大能力变差，当它们数值较大时，甚至不能放大。

若将T1管和T2管发射极连在一起，将Re1和Re2合二而一。成为一个电阻Re，如图(d)所示， 则,在差模信号作用下Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用， 就是说Re对差模信号相当于短路，因此大大提高了对差模信号的放大能力。 图（E）是典型的差分放大电路。

长尾式差分放大电路（Re接负电源） 实际差分电路的参数不可能理想对称。

1.静态分析 +VCC -VEE

2.对共模信号的抑制作用 当电路输入共模信号的时候 +VCC (1)对温度漂移有很强的抑制作用 由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，故可将温度漂移等效成共模信号。 -VEE

+VCC -VEE （2） 射极电阻RE对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体管集电极电流的变化，从而抑制集电极电位的变化。

对于每边晶体管而言，发射极等效电阻为2RE。 RE阻值愈大，负反馈作用愈强，集电极电流变化愈小，因而集电极电位的变化也就愈小。 RE的取值不宜过大，由式 (静态)可知，它受电源电压VEE限制。（选择合适的静态工作点）

为了描述差分放大电路对共模信号的抑制能力，引人共模放大倍数AC

3.对差模信号的放大作用

电路的动态分析 (1)加入差模信号 ui1=-ui2 =uid/2， E点电位保持不变，相当于接“地”， RL中点电位也不变，也相当于接“地”，RL被分为两部分，分别接在C-E之间。

在差模信号作用下的交流等效电路如图（B）所示。（其中，电源与地短接） RE？ 在差模信号作用下的交流等效电路如图（B）所示。（其中，电源与地短接）

输入差模信号时的放大倍数称为差模放大倍数，记作Ad，定义为 虽然差分放大电路用了两只晶体管，但它的电压放大能力只相当于单管共射放大电路。因而差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了抵制温漂的效果。

差模输入电阻 差模输入电阻Rid是基 本放大电路的两倍。 输出电阻

共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标，其值越大，说明电路的性能越好。 差模放大倍数 共模放大倍数 在双端输出时，KCMR可认为等于无穷大。

放大电路输出电压与输人电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即 4.电压传输特性 放大电路输出电压与输人电压之间的关系曲线称为电压传输特性，即 UOD UID

将差模输人电压△uid 按图(a)接到输人端，并令其幅值由零逐渐增加时，输出端的u0。也将出现相应的变化，二者的关系，如图3. 3 可以看出，只有在中间一段二者才是线性关系，斜率就是差模电压放大倍数。 当输人电压幅值过大时，输出电压就会产生失真，若再加大△uid ，则△u0D将趋于不变，其数值取决于电源电压VCC。 若改变△uid的极性，则可得到另一条如图中虚线所示的曲线，它与实线完全对称。

差动放大器的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式: 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻

ui1=-vi2=vid/2, 则，一晶体管的电流增加，另一晶体管减小，ic1=-ic2,ve=0, 1.双端输入双端输出 (1)差模电压放大倍数 ui1=-vi2=vid/2, 则，一晶体管的电流增加，另一晶体管减小，ic1=-ic2,ve=0, Avd=u0/ui=(v01-v02)/(vi1-vi2)=-2v01/2vi1=-v01/vi1,如下： （2）共模电压放大倍数 （3）差模输入电阻 （4）输出电阻

2. 双端输入单端输出 结构：输出回路不对称，影响 静态工作点。 根据戴维南定律：

2.1直流通路 根据戴维南定律： 输入回路对称 输出回路不对称

2.2 静态工作点的计算

因为在差模信号作用时，负载电阻仅取得T1管集电极电位的变化量，所以与双端输出电路相比。其差模放大倍数的数值减小。 2.3 动态分析 因为在差模信号作用时，负载电阻仅取得T1管集电极电位的变化量，所以与双端输出电路相比。其差模放大倍数的数值减小。 在差模信号作用时，由于T1管与T2管中电流大小相等方向相反，所以发射极相当于接地。输出电压、输入电压和差模放大倍数为；

2.4 双端输入单端输出小结（差模信号） (1)差模电压放大倍数 （2）差模输入电阻 （3）输出电阻

如果输入差模信号极性不变，而输出信号取自T2管的集电极，则输出与输入同相。

当输入共模信号，求共模电压放大倍数 ui1=ui2 =uic 设ui1 ，ui2   ie1  ， ie1  。  iRe （=2 ie1 ）

求共模电压放大倍数： T1边电路的等效电路

共模抑制比 可以看出，RE愈大，AC的值愈小，KCMR愈大，电路的性能也就愈好。因此，增大RE是改善共模抑制比的基本措施。

带恒流源的差动放大电路 根据共模抑制比公式： 加大Re，可以提高共模抑制比。若Re无限大AC为0，故障时，差分管承受高压。(根据IEQ 公式) 为了既能采用较低的电源电压，又能有很大的等效电阻Re，可采用恒流源电路来取代Re。 晶体管工作在放大区时，其集电极电流几乎仅决定于基极电流而与管压降无关， 当基极电流是一个不变的直流电流时，集电极电流就是一个恒定电流。 因此，利用工作点稳定电路来取代RE，就得到具有恒流源的差分放大电路。

恒流源的作用 等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。 恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。 - _ + T u R T b CC 1 EE u 2 V c ­ i2 i1 o L 3 R2 I c3 A B 等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。 IB3 恒流源使共模放大倍数减小，而不影响差模放大倍数，从而增加共模抑制比。 I2

- _ 可见, 则T3管集电极电流IC3就基本不受温度影响。 而且，由图可知，电路的动态信号不可能作用到T3管的基极或发射极， + _ - R T b CC 1 EE u 2 V c ­ i2 i1 o L 3 R2 I c3 A B 可见, 则T3管集电极电流IC3就基本不受温度影响。 而且，由图可知，电路的动态信号不可能作用到T3管的基极或发射极， 因此,可以认为Ic3为一恒定电流，发射极所接电路可以等效成一个恒流源。 T1管和T2管的发射极静态电流

差模放大倍数：

单出差模放大倍数

1. 互补对称射极输出电路 1.3.3 直接耦合互补输出级 工作原理： ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正； 对于电压放大电路的输出级一般有两个基本要求:一、输出电阻低；二、最大不失真输出电压尽可能大。 1. 互补对称射极输出电路 工作原理： ui为正半周时，T1管工作，T2管截止，输出uo为正； ui为负半周时，T2管工作，T1管截止；输出uo为负。 两管交替工作，在负载电阻RL上得到完整的正弦波。

输入输出波形图 ui uo uo ´ 死区电压 交越失真 当输人电压为正弦波时，输出电压在ui过零附近将产生失真，这种失真称为交越失真。

2. 克服交越失真的互补输出级 工作原理 ： 电路中增加 D1、D2 静态时，T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态，以消除交越失真。

合理选择R3和R4，可以得到UBE任意倍数的直流电压，故称该

图中T1管和T2管复合而成NPN型管，T3和T4管复合而成PNP. 本节所介绍的互补输出级(简称互补电路)常做为功率放大电路，也称为OCL电路。

1.3.4 直接耦合多级放大电路 总结得到： 实际中直接耦合多级放大电路常用差分放大电路做为输入级，这样可以减小整个电路的温漂，增大共模抑制比。 如果输入信号是一个微弱的电压信号时，则应考虑采用场效应管差分放大电路。 而对于输出级，一般多采用OCL电路，这样可以使输出电阻较小，带负载能力增强，而且最大不失真输出电压幅值可接近电源电压。 为了进一步增强放大能力，常用共射放大电路做为中间级，从而得到高电压放大倍数。 在直接藕合多级放大电路中，一般都采用NPN，PNP方法合理设置静态工作点，以保证输入电压为零时输出电压为零。

【例】 电路如图所示，两个恒流源为各级电路提供静态工作 电流，两个输入端的差值(ui1-ui2)为输入电压。

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