模电课程多级放大器

目录
一放大电路基础 (2)
1.1 放大的概念和放大电路的基本指标 (2)
1.2第一种类型的指标： (2)
1.3 第二种类型的指标： (4)
1.4 第三种类型的指标： (4)
二基本放大电路 (5)
2.1 BJT 的结构 (5)
2.2 BJT的放大原理 (6)
三、多级放大电路 (7)
3.1 多级放大电路概述 (7)
3.2 耦合形式 (8)
3.3 直接耦合放大电路的构成 (9)
3.4放大电路的静态工作点分析 (10)
3.5 设计电路的工作原理 (11)
四设计总结 (12)
五参考文献 (12)
一放大电路基础
1.1 放大的概念和放大电路的基本指标
“放大”这个词很普遍，在很多场合都会发现放大的现象的存在。

比如，利用放大镜使微小的物体出现较大的形象，这是光学中的放大现象；利用杠杆能用较小的力移动重物，这是力学的放大现象；等等一些。

我们可以看见它们的一个共同点，它们都是把原物中的差异的程度放大了。

因此，所谓放大就是对差异的程度或变化量而言的。

这是我们要注意的第一点。

同时，我们可以发现，它们之间还存在着一个重要的差别。

经放大镜放大后的影像，其亮度比原来的要弱；利用杠杆得到较大的力，然而物理移动的距离要比加力点经过的距离短。

可见，这几种放大现象都是遵守能量守恒原则。

总之，得到了较大的功率。

我们首先要先定性看什么样的放大电路时比较好的。

希望不失真，最大能输出多少功率等等。

这些都应该是衡量放大电路性能的标准。

性能指标可以分为3种类型：第一种是对应于一个幅值已定、频率已定的信号输入时的性能，这是放大电路的基本性能。

第二种是对于幅值不变而频率改变的信号输出时的性能。

第三种是对应于频率不变而幅值改变的信号输入时的性能。

1.2第一种类型的指标：
a.放大倍数
放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标。

它定义为输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比，有时也称为增益。

虽然放大电路能实现功率的放大，然而在很多场合，人们常常只关心某一单项指标的放大的倍数，比如电压或者电流的放大倍数。

式中的符号都是正弦信号的有效值。

需要注意的是，若输出波形出现明显失真，则此值就失去意义了，因此在输出端要有监视失真的措施（如用示波器观察波形）。

其他指标也是如此。

b.输入电阻
作为一个放大电路，一定要有信号源来提供输入信号。

例如扩大机就是利用话筒将声音转成电信号提供放大电路的。

放大电路与信号源相连，就要从信号源取电流。

取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度，所以我们定义一个指标，来衡量放大电路对信号源的影响，叫做输入阻抗。

当信号频率不是很高时，输入电流与输入电压基本同相，因此通常用输入电阻来表示。

它定义为：
从中可见，就是向放大电路输入端看进去的等效电阻。

越大，表明它从信号源取的电流越小，放大电路输入端所得到的电压越接近信号电压。

因此作为测量仪表用的放大电路其要大。

但是对于晶体管来说，大则取电流小，讲减低放大倍数。

所以在需要放大倍数大而为固定值的情况下，晶体管放大电路的又以小一些为好。

c.输出电阻
放大电路讲信号放大后，总要送到某装置区发挥作用。

这个装置我们通常称为负载。

比如扬声器就是扩大机的负载。

当我们在原来的扬声器两端再并联一个扬声器时，它两端的电压讲要下降，这种现象说明向放大电路的输出端看进去有一个等效内阻，通常称为输出电阻，
通常测定输出电阻的办法是输入端加正弦波实验信号，测出负载开路时的输出电压，再测出接入负载时的输出电压.输出电阻越大，表明接入负载后，输出电压的幅值下降越多。

因此反映了放大电路带负载能力的大小。

1.3 第二种类型的指标：
d.通频带
当只改变输入信号的频率时，发现放大电路的放大倍数是随之变化的，输出波形的相位也发生变化。

这就需要有一定的指标来反映放大电路对于不同频率的信号的适应能力。

一般情况下，放大电路只适用于放大一个特定频率范围的信号，当信号频率太高或太低时，放大倍数都有大幅度的下降，如图所示。

图1放大电路的频率指标
当信号频率升高而使放大倍数下降为中频时放大倍数（记作）的0.7倍时，这个频率称为上限截止频率，记作。

同样，使放大倍数下降为0.7倍时的低频信号频率称为下线截止频率，记作。

我们将和之间形成的频带称为通频带，记作，即通频带越宽，表明放大电路对信号频率的适应能力越强。

对于收录机、扩大机来说，通频带宽意味着可以将原乐曲中丰富的高、低音都能完美的播放出来。

然而有些情况下则希望频带窄，如带通滤波电路等。

1.4 第三种类型的指标：
e.最大输出幅值
最大输出幅值指的是当输入信号再增大就会使输出波形的非线性失真系数超过额定数值（比如10%）时的输出幅值。

我们以（或）表示。

一般指有效值，也有以封至峰值表示的，二者差倍。

f.最大输出功率与效率
最大输出幅值是输出不失真时的单项（电压和电流）指标。

此外还应该有一个综合性的指标即最大输出功率。

它是输出信号基本不失真的情况下输出的最大功率，记作。

前面我们说过，输入信号的功率都是很小的，经过放大电路，得到了较大的功率输出。

这些多出来的能量石由电源提供的，放大电路只不过是实现
了有控制的能量转换。

既然是能量的转换，就存在转换效率的问题。

也就是说，不能只看输出功率的大小，还应该看能量的利用率如何。

效率定义为式中为直流电源消耗的功率。

g.非线性失真系数
由于晶体管等器件都具有非线性的特性，所以当输出幅度大了之后，有时需要讨论它的失真问题。

我们在这里定义的非线性失真系数，是指放大电路在某一频率的正弦波输入信号下，输出波形的谐波成分总量和基波成分之比。

用定义为表示基波和各种谐波的幅值，则失真系数D，以上三类指标是以输入信号的幅值的频率来划分的。

一般来说，第一类指标多适用于输入为低频小信号时的情况；第二类指标多适用于输入信号幅值小但频率变化范围宽的情况；第三类指标则多适用于低频但输出幅值较大的情况。

二基本放大电路
2.1 BJT 的结构
BJT的结构示意图如图1-1所示。

其中1-1（a）所示是NPN型管，图1-1（b）所示是PNP型管，它们是用不同的掺杂方式制成的，不论是硅管还是锗管，它们都可制成这连个类型。

由图可见，它们有三个区，分别是发射区、基区和集电区。

由三个区分别引出一个电极，分别成为发射集e、基极b和集电极c。

发射区和集电区之间的PN结成为发射结。

集电区和基区之间的PN结称为集电结。

图2 NPN型三级管
图3 PNP型三级管
三极管有三个电极，一般的功率管中，管壳兼做集电极；而工作频率较高的小功率管除了e、b、c电极外，管壳还有引线，供屏蔽接地用.
2.2 BJT的放大原理
根据PN结无外加电压的情况下载流子的扩散与漂移处于动态平衡，流过PN 结的电流为零。

当外加电压的极性呈单向导电性。

放大电路分为共发射极电路、共集电极电路、共基极电路。

其内部载流子的传输过程相同。

图4 NPN型管。

发射区每向基区注入一个复合用的载流子，就要向集电区供给β个载流子，也就是说，BJT如有一个单位的基极电流，就必然会有β倍的集电极电流故一般IC>>IB;它也表示了基极电流对集电极的控制作用，利用这一性质可以实现BJT的方的作用。

BJT最基本的一种应用，是把微弱的信号放大。

若在基极输入端接入一个小恩输入信号电压，在小电压的作用下使基极电流产生一个随小电压规律变化的小电流。

通过基极对集电极电流的控制作用集电极电流也将产生相应的变化，产生大电流。

这种以较小的输入电流变化控制较大输出电流变化的作用就是BJT 的电流放大作用。

放大系数为β。

β=DIBDIC.
三、多级放大电路
3.1 多级放大电路概述
由于单级放大电路的放大倍数有限，不能满足实际的需要，因此实用的放大电路都是由多级组成的。

通常可分为两大部分，即电压放大(小信号放大)和功率
放大(大信号放大)，如图（2-1）框图所示。

前置级一般跟据信号源是电压源还是电流源来选定，它与中间级主要的作用是放大信号电压。

中间级一般都用共发射极电路或组合电路组成。

末级要求有一定的输出功率供给负载RL，称为功率放大器，一般由共集电极电路，或互补推挽电路，有时也用变压器耦合放大电路。

图5 多级放大器框图
3.2 耦合形式
多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。

放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。

直接耦合——耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。

直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。

电抗性元件耦合——级间采用电容或变压器耦合。

电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。

根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。

耦合电路的简化形式如图，
图6 耦合电路的简化形式图
3.3 直接耦合放大电路的构成
直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。

在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路，如图，通过R1上的压降可实现直流电平移动。

但电流源交流电阻大，在R1上的信号损失相对较小，从而保证信号的有效传递。

同时，输出端的直流电平并不高，实现了直流电平的合理移动。

图7电流源电平电路
用一个三极管组成的基本放大电路的Av一般可达几十倍，但实际工作中为放大非常微弱的信号，这样的放大倍数往往不够，为达到更高的放大倍数，常将几个基本放大电路连接起来，组成多级放大电路。

多级放大电路内部各级间的连接方式称为耦合方式。

图8 多级放大器的方框图
计算方法有两种：一种方法是计算前级电压放大倍数Av(n-1)时，将后级的输入电阻Rin作为前级的负载电阻，即Rin=RL(n-1)，计算后级时不考虑前级的影响，即只计算后级的电压放大倍数；另一种方法是计算前级电压放大倍数时，不考虑后级的影响，即认为前级的负载电阻R(n-1)L=∞，但后级必须计算源电压放
大倍数，即将前级的输出电阻Ro(n-1)作为后级的信号源内阻，即Ro(n-1)=Rsn。

两种计算方法是等价的，也是相互独立的。

多级放大电路的输入电阻为第一级的输入电阻，即Ri=Ri1；输出电阻为最后一级的输出电阻，即Ro=Ron 。

3.4放大电路的静态工作点分析
当输入信号为零时放大电路只有直流电源作用，各处的电压和电流都是直流量，成为静态。

这时三极管各级电流和各级之间的电压分别用IB和I¬C和UBC、UCE表示，它们代表输入、输出特性曲线上的一个点，所以习惯上称为静态工作点。

静态工作点可以由放大电路的直流通路采用估算法球的，也可以由图解法确定。

估算法是根基、u实际情况，突出主要矛盾、忽略次要因素的一种分析方法.首先画出放大电路的直流通路。

由于电容对于直流相当于开路，故放大电路直流
通路如图所示。

图9 放大电路直流通路图
3.5 设计电路的工作原理
图10 设计电路图
如图所示，电路的一级放大电路是一个阻容耦合的单管共射放大电路，它由信号源、直流电源、BJT、电阻、电容等元件组成。

T是NPN型管，起放大作用，是一级放大的核心。

VCC是直流电源，为发射结提供正向偏置电压，为集电结提供反向偏执电压，也是信号放大的能源Rb1是基极偏置电阻，它和电源一起为基极提供一个合适的基极电流IB,以保证BJT不失真的放大。

第二级放大部分为共基极放大电路，从它的交流通路可见，发射极是输入端，集电极是输出端，而基极是输入、输出回路的公共端。

其特点是电流放大倍数小于1而接近1，但电流放大倍数大，仍具有功率放大作用；输出高压与输入电压相位相同；输入电阻小，输出电阻较大，其允许的工作频率较高，高频特性较好，用于高频电子电路中。

第三级放大部分为共集电极放大电路，其特点是输入电阻大，输出电阻小；电压放大倍数小于1而接近于1；输出电压与输入电压相位相同。

没有电压放大作用，但有电流和功率放大作用。

共集电极放大电路可做多级放大电路的输入级，可使输入到放大电路的信号电压基本上等于信号源电压；还可以做多级放大电路的输出级，可获得稳定的输出电压提高放大电路的的带负载能力，将其接在两级放大电路之间，利用其输入电阻大，输出电阻小的特点，在两级放大电路中间起缓冲作用。

四设计总结
通过这次发大器的设计让我认识到一套好的设计流程的重要性。

在做设计前，需要查阅大量的相关资料，对于相关的设计做到心中有数，明白不同设计的优与劣，做到最优的设计。

在设计过程中，要对自己设计的电路进行理论分析，判断可行性，尽量多的考虑外界因素对其造成的影响，以方便在不同需求时做出相应的改变；其次就是对电路的仿真，一般分为软件仿真和硬件仿真，当然软件的效果比较差，它都是在理想条件下成立的，即理论上得到的，所以硬件仿真是最重要的。

在完成所有电路的硬件仿真之后，达到预期的效果之后就可以开始制作电路，可以制板或者焊板，根据需要。

设计和制作完成后，写出总结还是很必要的。

我想我在设计和制作过程中一定会遇到不少的麻烦，它正是我们进行设计的一个最主要的缘由。

把它写下了，可以提高我们解决问题的能力。

同时，通过这次发大器的设计让我对三极管的特性有了更深刻的了解，学会了调节三极管静态工作点，明白了静态工作点对三级管的放大特性有着极其重要的影响。

五参考文献
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[4].康华光.电子技术基础（模拟部分）.第四版.北京：高等教育出版社，1999
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[7].黄义源.电子技术.长沙：湖南大学出版社，1989
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社，1997。