第四章 多级放大器及频率响应

1、多级放大器多级放大器多级放大电路的放大倍数：多级放大电路的放大倍数： niinAAAAAA1=321单管放大电路的局限：级间耦合的条件：把前级的输出信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。（1）放大倍数不足够大。（2）从Ri、Ro、Au、Ai这四个指标衡量，没有一个是完美的！解决的办法：把他们组合起来，形成多级放大器。多级放大原理多级放大原理输入级电压放大级电压放大级功率输出级推动级信号源中间级小信号放大电路功率放大电路负载（1 1）输入级：）输入级：一般要求输入阻抗尽量高，温漂尽量小。（2 2）输处级：）输处级：一般要求输出阻抗尽量低。（3 3）中间级

2、：）中间级：一般要求电压增益大。多级放大器的耦合方式多级放大器的耦合方式耦合：把有用信号从前级传给后级的过程。（1 1）直接耦合：）直接耦合：直接连接，可传递交、直流信号。耦合方式： （2 2）阻容耦合：）阻容耦合：通过电容器连接，可传递交流信号，隔断直流。避免出现级间的静态影响。 （3 3）变压器耦合：）变压器耦合：通过变压器连接，可良好地传递交流信号，隔断直流。避免出现级间的静态影响。但成本高、体积大、沉重、浪费资源。耦合电路的简化形式耦合电路的简化形式 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合Ro1Uo1CRi2Ui2阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路 各级之间通过耦合电容及下级输

3、入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+阻容耦合放大电路分析阻容耦合放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析 总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。21o1oo1ouuiiuAAUUUUUUA注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时

4、，其负载电阻就是第二级的输入电阻。 输入电阻就是第一级的输入电阻。 输出电阻就是最后一级的输出电阻。例例 在图示两级组容耦合放大电路中，已知12CCUV，30B11Rk，15B21Rk ，3C1Rk ，3E1Rk ，20B12Rk ，10B22Rk ，5 .2C2Rk，2E2Rk，5LRk，5021，7 .0BE2BE1 UUV。求：（1）各级电路的静态值；（2）各级电路的电压放大倍数1uA、2uA和总电压放大倍数uA；（3）各级电路的输入电阻和输出电阻。Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+解解 （

5、1） 静 态 值 的 估 算 。第 一 级 ：）（ V 412153015CCB12B11B12B1URRRU）（ mA 1.137.04E1BE1B1E1C1RUUII）（）（A 22mA 501.11C1B1II）（ V 4.5)33(1.112)(E1C1C1CCCE1RRIUU第 二 级 ：）（ V 412102010CCB22B21B22B2URRRU）（ mA 65.127.04E2BE2B2E2C2RUUII）（）（A 33mA 5065.12C2B2II）（ V 62.4)25.2(65.112)(E2C2C2CCCE2RRIUUrbe1+o1Ub1I+iUb1IRC1RB11

6、Rs +sU RB12rbe2+oUb2Ib2IRC2RLRB21RB22第一级第二级Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+中频微变等效电路：三极管 V1的动态输入电阻为：15001 . 126)501 (30026)1 (300E11be1Ir()5 . 1(k)三极管 V2的动态输入电阻为：110065. 126)501 (30026)1 (300E22be2Ir()1 . 1(k)（2）求各级电路的电压放大倍数1uA、2uA和总电压放大倍数uA。首先画出电路的微变等效电路。如图所示。rbe1+o1

7、Ub1I+iUb1IRC1RB11Rs +sU RB12rbe2+oUb2Ib2IRC2RLRB21RB22第一级第二级第二级输入电阻为：94.01 .1/10/20/be2B22B212rRRri（k）第一级等效负载电阻为：72.094.0/3/2C1L1irRR（k）第二级等效负载电阻为：67.15/5 .2/LC2L2RRR（k）第一级电压放大倍数为：245 .172.050be1L111rRAu第二级电压放大倍数为：761 .167.150be2L222rRAu两级总电压放大倍数为：1824)76()24(21uuuAAA（3）求各级电路的输入电阻和输出电阻。第一级输入电阻为：3 .

8、15 . 1/15/30/be1B12B111rRRri（k）第二级输入电阻在上面求出，为 0.94 k。第一级输出电阻为：3C1o1 Rr（k）第二级输出电阻为：5 . 2C2o2 Rr（k）第二级的输出电阻就是两级放大电路的输出电阻。课堂演练课堂演练Rsus+uiRDC1C2RG1RG2CSRL+uo+UCCC3V2RB21RB22RSRE2+uo1+ 电路如下图，请画出该电路的中频微变等效电路图，并进行动态分析。NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路组合电平移动直接耦合放大电路 级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，如图所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位低于

9、基极电位，它们的组合使用可避免集电极电位的逐级升高。NPN和PNP管组合例：2级直接耦合放大器如下图， 1=2=100，VBE1=VBE2=0.7V，请计算静态工作点，并进行动态分析。（1 1）求静态工）求静态工 作点作点A9.3=0.0093mA=mA7 . 2101)20/51(7 . 038. 3)+(1+)/(=e1b2b1BECCBQ1RRRVVImA93.0BQ1CQ1IIV7 . 48 . 793. 012)()(=e1c1CQ1cce1BQ1CQ1c1CQ1CCCEQ1RRIVRIIRIVVV26. 71 . 593. 012c1CQ1ccB2C1RIVVVV96. 77 .

10、026. 7BE2B2E2VVVmA04. 19 . 3/04. 49 . 3/)96. 712(/)(e2E2CCCQ2EQ2RVVIIV47. 43 . 404. 1c2CQ2C2RIVV45. 396. 747. 4E2C2CEQ2VVV（2 2）动态分析）动态分析k8 .204.126101300mA)(mV)(26)1 (=k1 .393.026101300mA)(mV)(26)1 (=E2bbbe2E1bbbe1IrrIrrbe2i2be1i2c11, 3 .581 . 3) 8 . 2/1 . 5(100)/(=rRrRRAv式中6 .1538 . 23 . 4100)/(=be

11、2Lc22rRRAv8955)6 .153(3 .5821vvvAAARi =rbe1 / Rb1 / Rb2 =2.55 kRo =RC2 =4.3 k放大电路的频率特性放大电路的频率特性问题提出 前面所讲述的均以单一频率的正弦信号来研究，事实上信号的频率变化比较宽（例如声音信号、图象信号），对一个放大器，当Ui 一定时，f变化 Uo变化，即Au=Uo/Ui 变化，换句话说：Au与f有关。 频率响应：指放大器对不同频率的正弦信号的稳态响应。其表示方法：)()(ffAAvv其中 Av(f) 为幅频响应、(f)为相频响应。 RC电路的频率响应电路的频率响应一、一、RC RC 低通电路低通电路RC

12、低通电路如右图1所示。 arctg(Hff)0ioj11j11RCVVvA=RC+-io.VVRC低通电路其电压放大倍数(传递函数)为： 式中t011RCvA的模、上限截止频率和相角分别为： 2H)(11ffAv ffRC012H 由以上公式可做出如下图所示的RC低通电路的近似频率特性曲线： 2H)(11ffAv arctg(Hff)RC低通电路的频率特性曲线 fH fH f =fH 当 时，相频特性将滞后45，并具有 -45/dec的斜率。在0.1 和10 处与实际的相频特性有最大的误差，其值分别为+5.7和5.7。 这种折线化画出的频率特性曲线称为波特图波特图，是分析放大电路频率响应的重要

13、手段。 幅频特性的X轴和Y轴都是采用对数坐标,称为上限截止频率上限截止频率。当 时，幅频特性将以十倍频20dB的斜率下降，或写成-20dB/dec。在 处的误差最大，有3dB。 ffH f =fH fH)arctg(90Loff 其传递函数 为：vARCff21L02LL)(1/ffffAvLLLLio/j1/j/j1/jffffVVvA=tL11RC。式中 下限截止频率、模和相角分别为二、二、RCRC高通电路高通电路RC高通电路的近似频率特性曲线：2LL)(1/ffffAv)arctg(90Loff高通电路的近似频率特性曲线混合混合型高频小信号模型型高频小信号模型 混合型高频小信号模型是通过

14、三极管的物理模型而建立的，三极管的物理结构如下图所示。rbe-发射结电阻 -发射结电容，也用C这一符号-集电结电阻rbc -集电结电容，也用C这一符号 Cbc rbb -基区的体电阻，b是假想的基区内的一个点。 双极型三极管物理模型rbe 根据这一物理模型可以画出混合型高频小信号模型，如下图所示。混合型小信号模型电路用 代替eb.mVg.bIe b0boe bboce bcm/rIVIIVIg 在型小信号模型中，因存在Cbc 和rbc,对求解不便，可通过单向化处理加以变换。首先因rbc很大，可以忽略，只剩下Cbc。可以用输入侧的C输出侧的C两个电容去分别代替Cbc ，但要求变换前后应保证相关电

15、流不变，如下图所示。单向化混合型小信号模型的单向化11CjVCjVVebcbceebcbcbebceebCKCVVVC)1 (ebceVVK 11CjVCjVVcecbebcecbcbceebceCKKCVVVC )1(近似计算时, 取中频时的值。K简化的混简化的混参数等效模型参数等效模型C因为rbc和rce的阻值都很大，所以可忽略；因为C 的值很小，所以可一般也忽略不计；CCCeb电流放大系数电流放大系数的频响的频响 从物理概念可以解释随着频率的增高,将下降。因为 0bcceVII等效电路 0ce.V0.ceV 是指在VCE一定的条件下,在等效电路中可将CE间交流短路，于是可作出右图的等效电

16、路。)(211)(1cbebeb0cbebebebmCCrfffjCCrjrge bmc be be bmce be bb)(+)/1(VgCjVVgICCjrVI由此可做出的幅频特性和相频特性曲线，如下图所示：当=1时对应的频率称为特征频率fT，且有fT0f 当20lg下降3dB时,频率f称为共发射极接法的截止频率ffjCCrjrg1)(10c be be be bm当 f = fT 时, 有：1)(1)(1)(2T02c be be be bmTffCCrrgf因fT f ,所以, fT 0 f共发射极接法放大电路的频率特性共发射极接法放大电路的频率特性共发射极接法基本放大电路全频段微变等

17、效电路 对于如图所示的共发射极接法的基本放大电路，分析其频率响应，需画出放大电路从低频到高频的全频段小信号模型，然后分低、中、高三个频段加以研究。中频段分析中频段分析beebLCmebebbeLCebmvmrrRRgVrrRRVgA)/()/(e b0mrg中频段微变等效电路21/bbbRRR 高频段分析高频段分析1111)/(CjrCjrrCjrCjrVRRVgAebebbbebebebLCebmvh)/(11)/(11)/(1111)/(CrrjACrrjrrArrrCjrRRgrCjrrrCjrRRgCjrCjrrCjrCjrVRRVgAebbbvmebbbbebevmbebbebebL

18、CmebebbbebebLCmebebbbebebebLCebmvhHvmHvmebbbvmvhffjAjACrrjAA1111)/(112)(1lg20lg20lg20HvmvhffAAHoffarctg 180低频段分析低频段分析C1、C2被保留， Ce较大视为短路,C较小视为开路。 tL1=(Rb /rbe)C1 tL2=(Rc +RL)C2通过比较确定下限截止频率发生在输入回路还是输出回路!如果发生在输入回路则C2可视为短路，反之亦然。11/)/(CjrRrRrRRAbebbebbeLCvlLLvmbebbebvmvljjACrRjCrRjAA1)/(1)/(112)(1lg20lg2

19、0lg20LLvmvlffffAALoLooffarctgffarctg9090180全频段的频率响应全频段的频率响应 )1)(1 (HLLvmvffjffjffjAAovAlg20vmAlg20十倍频程/20dB十倍频程/20dBflgHfLf幅频特性幅频特性请同学自己画出相频特性曲线请同学自己画出相频特性曲线频率响应的改善和频率响应的改善和“增益带宽积增益带宽积”频率响应的改善主要是通频带变宽，即是高频时性能的改善。 1、通频带 ,要使BW加宽有两种方法: （1） fL下降（即是使耦合电容C所在回路的时间常数取值大）亦是R或C增大，改善有限。 （2） fH增大就会使Au下降。HLHfffB

20、W2)/()(2)/()/(21)/(CrRRgCrrrRRgCrrrrRRgBWAbbLCmebbbebLCmebbbbeebLCmvm2 2、可见，对于单管放大器，其“增益带宽积”是由管子结构参数决定的“常数”！多级放大器的频率响应多级放大器的频率响应一、多级放大器频响的一般形式一、多级放大器频响的一般形式幅频响应： 相频响应： 21lg20lg20lg20uuuAAA 321二、多级放大器频响的特点二、多级放大器频响的特点 多级放大器串联起来后，多级放大器串联起来后，电压增益电压增益提提高了高了，但，但通频带通频带变变窄了窄了。 .1 . 1232221LLLLffff.1111 . 11232221HHHHffff1lg20vA1lg20vmA十倍频程/20 dB十倍频程/20 dBflg1Hf1Lf2lg20vA2lg20vmA十倍频程/20 dB十倍频程/20 dBflg2Hf2Lf总vAl