模電課程多級(jí)放大器

1、目錄一 放大電路基礎(chǔ)31.1 放大的概念和放大電路的基本指標(biāo)31.2第一種類型的指標(biāo)：31.3 第二種類型的指標(biāo)：51.4 第三種類型的指標(biāo)：5二 基本放大電路62.1 BJT 的結(jié)構(gòu)62.2 BJT的放大原理7三、多級(jí)放大電路83.1 多級(jí)放大電路概述83.2 耦合形式93.3 直接耦合放大電路的構(gòu)成103.4放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析113.5 設(shè)計(jì)電路的工作原理12四 設(shè)計(jì)總結(jié)13五 參考文獻(xiàn)13一 放大電路基礎(chǔ) 1.1 放大的概念和放大電路的基本指標(biāo)“放大”這個(gè)詞很普遍，在很多場(chǎng)合都會(huì)發(fā)現(xiàn)放大的現(xiàn)象的存在。比如，利用放大鏡使微小的物體出現(xiàn)較大的形象，這是光學(xué)中的放大現(xiàn)象；利用杠桿能用較小

2、的力移動(dòng)重物，這是力學(xué)的放大現(xiàn)象；等等一些。我們可以看見(jiàn)它們的一個(gè)共同點(diǎn)，它們都是把原物中的差異的程度放大了。因此，所謂放大就是對(duì)差異的程度或變化量而言的。這是我們要注意的第一點(diǎn)。同時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，它們之間還存在著一個(gè)重要的差別。經(jīng)放大鏡放大后的影像，其亮度比原來(lái)的要弱；利用杠桿得到較大的力，然而物理移動(dòng)的距離要比加力點(diǎn)經(jīng)過(guò)的距離短?？梢?jiàn)，這幾種放大現(xiàn)象都是遵守能量守恒原則?？傊?，得到了較大的功率。我們首先要先定性看什么樣的放大電路時(shí)比較好的。希望不失真，最大能輸出多少功率等等。這些都應(yīng)該是衡量放大電路性能的標(biāo)準(zhǔn)。性能指標(biāo)可以分為3種類型：第一種是對(duì)應(yīng)于一個(gè)幅值已定、頻率已定的信號(hào)輸入時(shí)的性

3、能，這是放大電路的基本性能。第二種是對(duì)于幅值不變而頻率改變的信號(hào)輸出時(shí)的性能。第三種是對(duì)應(yīng)于頻率不變而幅值改變的信號(hào)輸入時(shí)的性能。1.2第一種類型的指標(biāo)：a.放大倍數(shù)放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。它定義為輸出變化量的幅值與輸入變化量的幅值之比，有時(shí)也稱為增益。雖然放大電路能實(shí)現(xiàn)功率的放大，然而在很多場(chǎng)合，人們常常只關(guān)心某一單項(xiàng)指標(biāo)的放大的倍數(shù)，比如電壓或者電流的放大倍數(shù)。式中的符號(hào)都是正弦信號(hào)的有效值。需要注意的是，若輸出波形出現(xiàn)明顯失真，則此值就失去意義了，因此在輸出端要有監(jiān)視失真的措施（如用示波器觀察波形）。其他指標(biāo)也是如此。b.輸入電阻作為一個(gè)放大電路，一定要有信號(hào)源來(lái)提供輸入信

4、號(hào)。例如擴(kuò)大機(jī)就是利用話筒將聲音轉(zhuǎn)成電信號(hào)提供放大電路的。放大電路與信號(hào)源相連，就要從信號(hào)源取電流。取電流的大小表明了放大電路對(duì)信號(hào)源的影響程度，所以我們定義一個(gè)指標(biāo)，來(lái)衡量放大電路對(duì)信號(hào)源的影響，叫做輸入阻抗。當(dāng)信號(hào)頻率不是很高時(shí)，輸入電流與輸入電壓基本同相，因此通常用輸入電阻來(lái)表示。它定義為：從中可見(jiàn)，就是向放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。越大，表明它從信號(hào)源取的電流越小，放大電路輸入端所得到的電壓越接近信號(hào)電壓。因此作為測(cè)量?jī)x表用的放大電路其要大。但是對(duì)于晶體管來(lái)說(shuō)，大則取電流小，講減低放大倍數(shù)。所以在需要放大倍數(shù)大而為固定值的情況下，晶體管放大電路的又以小一些為好。c.輸出電阻放大電路

5、講信號(hào)放大后，總要送到某裝置區(qū)發(fā)揮作用。這個(gè)裝置我們通常稱為負(fù)載。比如揚(yáng)聲器就是擴(kuò)大機(jī)的負(fù)載。當(dāng)我們?cè)谠瓉?lái)的揚(yáng)聲器兩端再并聯(lián)一個(gè)揚(yáng)聲器時(shí)，它兩端的電壓講要下降，這種現(xiàn)象說(shuō)明向放大電路的輸出端看進(jìn)去有一個(gè)等效內(nèi)阻，通常稱為輸出電阻，通常測(cè)定輸出電阻的辦法是輸入端加正弦波實(shí)驗(yàn)信號(hào)，測(cè)出負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓，再測(cè)出接入負(fù)載時(shí)的輸出電壓.輸出電阻越大，表明接入負(fù)載后，輸出電壓的幅值下降越多。因此反映了放大電路帶負(fù)載能力的大小。1.3 第二種類型的指標(biāo)：d.通頻帶當(dāng)只改變輸入信號(hào)的頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)放大電路的放大倍數(shù)是隨之變化的，輸出波形的相位也發(fā)生變化。這就需要有一定的指標(biāo)來(lái)反映放大電路對(duì)于不同頻率的信號(hào)的

6、適應(yīng)能力。一般情況下，放大電路只適用于放大一個(gè)特定頻率范圍的信號(hào)，當(dāng)信號(hào)頻率太高或太低時(shí)，放大倍數(shù)都有大幅度的下降，如圖所示。 圖1放大電路的頻率指標(biāo)當(dāng)信號(hào)頻率升高而使放大倍數(shù)下降為中頻時(shí)放大倍數(shù)（記作）的0.7倍時(shí)，這個(gè)頻率稱為上限截止頻率，記作。同樣，使放大倍數(shù)下降為0.7倍時(shí)的低頻信號(hào)頻率稱為下線截止頻率，記作。我們將和之間形成的頻帶稱為通頻帶，記作，即通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)信號(hào)頻率的適應(yīng)能力越強(qiáng)。對(duì)于收錄機(jī)、擴(kuò)大機(jī)來(lái)說(shuō)，通頻帶寬意味著可以將原樂(lè)曲中豐富的高、低音都能完美的播放出來(lái)。然而有些情況下則希望頻帶窄，如帶通濾波電路等。1.4 第三種類型的指標(biāo)：e.最大輸出幅值最大輸出幅值指

7、的是當(dāng)輸入信號(hào)再增大就會(huì)使輸出波形的非線性失真系數(shù)超過(guò)額定數(shù)值（比如10%）時(shí)的輸出幅值。我們以（或）表示。一般指有效值，也有以封至峰值表示的，二者差倍。f.最大輸出功率與效率最大輸出幅值是輸出不失真時(shí)的單項(xiàng)（電壓和電流）指標(biāo)。此外還應(yīng)該有一個(gè)綜合性的指標(biāo)即最大輸出功率。它是輸出信號(hào)基本不失真的情況下輸出的最大功率，記作。前面我們說(shuō)過(guò)，輸入信號(hào)的功率都是很小的，經(jīng)過(guò)放大電路，得到了較大的功率輸出。這些多出來(lái)的能量石由電源提供的，放大電路只不過(guò)是實(shí)現(xiàn)了有控制的能量轉(zhuǎn)換。既然是能量的轉(zhuǎn)換，就存在轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題。也就是說(shuō)，不能只看輸出功率的大小，還應(yīng)該看能量的利用率如何。效率定義為式中為直流電源消耗

8、的功率。g.非線性失真系數(shù)由于晶體管等器件都具有非線性的特性，所以當(dāng)輸出幅度大了之后，有時(shí)需要討論它的失真問(wèn)題。我們?cè)谶@里定義的非線性失真系數(shù)，是指放大電路在某一頻率的正弦波輸入信號(hào)下，輸出波形的諧波成分總量和基波成分之比。用定義為表示基波和各種諧波的幅值，則失真系數(shù)D，以上三類指標(biāo)是以輸入信號(hào)的幅值的頻率來(lái)劃分的。一般來(lái)說(shuō)，第一類指標(biāo)多適用于輸入為低頻小信號(hào)時(shí)的情況；第二類指標(biāo)多適用于輸入信號(hào)幅值小但頻率變化范圍寬的情況；第三類指標(biāo)則多適用于低頻但輸出幅值較大的情況。二 基本放大電路2.1 BJT 的結(jié)構(gòu)BJT的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。其中1-1（a）所示是NPN型管，圖1-1（b）所示是

9、PNP型管，它們是用不同的摻雜方式制成的，不論是硅管還是鍺管，它們都可制成這連個(gè)類型。由圖可見(jiàn)，它們有三個(gè)區(qū)，分別是發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由三個(gè)區(qū)分別引出一個(gè)電極，分別成為發(fā)射集e、基極b和集電極c。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)成為發(fā)射結(jié)。集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。 圖2 NPN型三級(jí)管 圖3 PNP型三級(jí)管三極管有三個(gè)電極，一般的功率管中，管殼兼做集電極；而工作頻率較高的小功率管除了e、b、c電極外，管殼還有引線，供屏蔽接地用.2.2 BJT的放大原理根據(jù)PN結(jié)無(wú)外加電壓的情況下載流子的擴(kuò)散與漂移處于動(dòng)態(tài)平衡，流過(guò)PN結(jié)的電流為零。當(dāng)外加電壓的極性呈單向?qū)щ娦浴７糯箅娐贩譃楣舶l(fā)射極電

10、路、共集電極電路、共基極電路。其內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程相同。 圖4 NPN型管。 發(fā)射區(qū)每向基區(qū)注入一個(gè)復(fù)合用的載流子，就要向集電區(qū)供給個(gè)載流子，也就是說(shuō)，BJT如有一個(gè)單位的基極電流，就必然會(huì)有倍的集電極電流故一般IC>>IB;它也表示了基極電流對(duì)集電極的控制作用，利用這一性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)BJT的方的作用。BJT最基本的一種應(yīng)用，是把微弱的信號(hào)放大。若在基極輸入端接入一個(gè)小恩輸入信號(hào)電壓，在小電壓的作用下使基極電流產(chǎn)生一個(gè)隨小電壓規(guī)律變化的小電流 。通過(guò)基極對(duì)集電極電流的控制作用集電極電流也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化，產(chǎn)生大電流 。這種以較小的輸入電流變化控制較大輸出電流變化的作用就是BJT的電

11、流放大作用。放大系數(shù)為。=DIBDIC.三、多級(jí)放大電路3.1 多級(jí)放大電路概述由于單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)有限，不能滿足實(shí)際的需要，因此實(shí)用的放大電路都是由多級(jí)組成的。通?？煞譃閮纱蟛糠?，即電壓放大(小信號(hào)放大)和功率放大(大信號(hào)放大)，如圖（2-1）框圖所示。前置級(jí)一般跟據(jù)信號(hào)源是電壓源還是電流源來(lái)選定，它與中間級(jí)主要的作用是放大信號(hào)電壓。中間級(jí)一般都用共發(fā)射極電路或組合電路組成。末級(jí)要求有一定的輸出功率供給負(fù)載RL，稱為功率放大器，一般由共集電極電路，或互補(bǔ)推挽電路，有時(shí)也用變壓器耦合放大電路。 圖5 多級(jí)放大器框圖3.2 耦合形式 多級(jí)放大電路的連接，產(chǎn)生了單元電路間的級(jí)聯(lián)問(wèn)題，即耦合問(wèn)

12、題。放大電路的級(jí)間耦合必須要保證信號(hào)的傳輸，且保證各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)正確。直接耦合耦合電路采用直接連接或電阻連接，不采用電抗性元件。直接耦合電路可傳輸?shù)皖l甚至直流信號(hào)，因而緩慢變化的漂移信號(hào)也可以通過(guò)直接耦合放大電路。電抗性元件耦合級(jí)間采用電容或變壓器耦合。電抗性元件耦合，只能傳輸交流信號(hào)，漂移信號(hào)和低頻信號(hào)不能通過(guò)。根據(jù)輸入信號(hào)的性質(zhì)，就可決定級(jí)間耦合電路的形式。耦合電路的簡(jiǎn)化形式如圖， 圖6 耦合電路的簡(jiǎn)化形式圖3.3 直接耦合放大電路的構(gòu)成直接耦合或電阻耦合使各放大級(jí)的工作點(diǎn)互相影響，這是構(gòu)成直接耦合多級(jí)放大電路時(shí)必須要加以解決的問(wèn)題。在模擬集成電路中常采用一種電流源電平移動(dòng)電路，如圖，通

13、過(guò)R1上的壓降可實(shí)現(xiàn)直流電平移動(dòng)。但電流源交流電阻大，在R1上的信號(hào)損失相對(duì)較小，從而保證信號(hào)的有效傳遞。同時(shí)，輸出端的直流電平并不高，實(shí)現(xiàn)了直流電平的合理移動(dòng)。 圖7電流源電平電路 用一個(gè)三極管組成的基本放大電路的Av一般可達(dá)幾十倍，但實(shí)際工作中為放大非常微弱的信號(hào)，這樣的放大倍數(shù)往往不夠，為達(dá)到更高的放大倍數(shù)，常將幾個(gè)基本放大電路連接起來(lái)，組成多級(jí)放大電路。多級(jí)放大電路內(nèi)部各級(jí)間的連接方式稱為耦合方式。 圖8 多級(jí)放大器的方框圖計(jì)算方法有兩種：一種方法是計(jì)算前級(jí)電壓放大倍數(shù)Av(n-1)時(shí)，將后級(jí)的輸入電阻Rin作為前級(jí)的負(fù)載電阻，即Rin=RL(n-1)，計(jì)算后級(jí)時(shí)不考慮前級(jí)的影響，即只

14、計(jì)算后級(jí)的電壓放大倍數(shù)；另一種方法是計(jì)算前級(jí)電壓放大倍數(shù)時(shí)，不考慮后級(jí)的影響，即認(rèn)為前級(jí)的負(fù)載電阻R(n-1)L=，但后級(jí)必須計(jì)算源電壓放大倍數(shù)，即將前級(jí)的輸出電阻Ro(n-1)作為后級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻，即Ro(n-1)=Rsn。兩種計(jì)算方法是等價(jià)的，也是相互獨(dú)立的。 多級(jí)放大電路的輸入電阻為第一級(jí)的輸入電阻，即Ri=Ri1；輸出電阻為最后一級(jí)的輸出電阻，即Ro=Ron 。3.4放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí) 放大電路只有直流電源作用，各處的電壓和電流都是直流量，成為靜態(tài)。這時(shí)三極管各級(jí)電流和各級(jí)之間的電壓分別用IB和I¬C和UBC、UCE表示，它們代表輸入、輸出特性曲線上的一

15、個(gè)點(diǎn)，所以習(xí)慣上稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。靜態(tài)工作點(diǎn)可以由放大電路的直流通路采用估算法球的，也可以由圖解法確定。估算法是根基、u實(shí)際情況，突出主要矛盾、忽略次要因素的一種分析方法.首先畫(huà)出放大電路的直流通路。由于電容對(duì)于直流相當(dāng)于開(kāi)路，故放大電路直流通路如圖所示。圖9 放大電路直流通路圖3.5 設(shè)計(jì)電路的工作原理 圖10 設(shè)計(jì)電路圖如圖所示，電路的一級(jí)放大電路是一個(gè)阻容耦合的單管共射放大電路，它由信號(hào)源、直流電源、BJT、電阻、電容等元件組成。T是NPN型管，起放大作用，是一級(jí)放大的核心。VCC是直流電源，為發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓，為集電結(jié)提供反向偏執(zhí)電壓，也是信號(hào)放大的能源Rb1是基極偏置電阻，它和電

16、源一起為基極提供一個(gè)合適的基極電流IB,以保證BJT不失真的放大。第二級(jí)放大部分為共基極放大電路，從它的交流通路可見(jiàn)，發(fā)射極是輸入端，集電極是輸出端，而基極是輸入、輸出回路的公共端。其特點(diǎn)是電流放大倍數(shù)小于1而接近1，但電流放大倍數(shù)大，仍具有功率放大作用；輸出高壓與輸入電壓相位相同；輸入電阻小，輸出電阻較大，其允許的工作頻率較高，高頻特性較好，用于高頻電子電路中。第三級(jí)放大部分為共集電極放大電路，其特點(diǎn)是輸入電阻大，輸出電阻?。浑妷悍糯蟊稊?shù)小于1而接近于1；輸出電壓與輸入電壓相位相同。沒(méi)有電壓放大作用，但有電流和功率放大作用。共集電極放大電路可做多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，可使輸入到放大電路的信號(hào)電

17、壓基本上等于信號(hào)源電壓；還可以做多級(jí)放大電路的輸出級(jí)，可獲得穩(wěn)定的輸出電壓提高放大電路的的帶負(fù)載能力，將其接在兩級(jí)放大電路之間，利用其輸入電阻大，輸出電阻小的特點(diǎn)，在兩級(jí)放大電路中間起緩沖作用。四 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)這次發(fā)大器的設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)到一套好的設(shè)計(jì)流程的重要性。在做設(shè)計(jì)前，需要查閱大量的相關(guān)資料，對(duì)于相關(guān)的設(shè)計(jì)做到心中有數(shù)，明白不同設(shè)計(jì)的優(yōu)與劣，做到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)自己設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行理論分析，判斷可行性，盡量多的考慮外界因素對(duì)其造成的影響，以方便在不同需求時(shí)做出相應(yīng)的改變；其次就是對(duì)電路的仿真，一般分為軟件仿真和硬件仿真，當(dāng)然軟件的效果比較差，它都是在理想條件下成立的，即理論上

18、得到的，所以硬件仿真是最重要的。在完成所有電路的硬件仿真之后，達(dá)到預(yù)期的效果之后就可以開(kāi)始制作電路，可以制板或者焊板，根據(jù)需要。設(shè)計(jì)和制作完成后，寫(xiě)出總結(jié)還是很必要的。我想我在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中一定會(huì)遇到不少的麻煩，它正是我們進(jìn)行設(shè)計(jì)的一個(gè)最主要的緣由。把它寫(xiě)下了，可以提高我們解決問(wèn)題的能力。同時(shí)，通過(guò)這次發(fā)大器的設(shè)計(jì)讓我對(duì)三極管的特性有了更深刻的了解，學(xué)會(huì)了調(diào)節(jié)三極管靜態(tài)工作點(diǎn)，明白了靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)三級(jí)管的放大特性有著極其重要的影響。五 參考文獻(xiàn)1.周良權(quán)，李世新等編著. 模擬電子計(jì)時(shí)基2005版.高等教育出版社 2.黑田徹編著.晶體管電路設(shè)計(jì)與制作2006版 .科學(xué)出版社