第四章 多級放大器及頻率響應(yīng)

1、多級放大器多級放大器多級放大電路的放大倍數(shù)：多級放大電路的放大倍數(shù)： niinAAAAAA1=321單管放大電路的局限：級間耦合的條件：把前級的輸出信號盡可能多地傳給后級，同時(shí)要保證前后級晶體管均處于放大狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不失真的放大。（1）放大倍數(shù)不足夠大。（2）從Ri、Ro、Au、Ai這四個(gè)指標(biāo)衡量，沒有一個(gè)是完美的！解決的辦法：把他們組合起來，形成多級放大器。多級放大原理多級放大原理輸入級電壓放大級電壓放大級功率輸出級推動(dòng)級信號源中間級小信號放大電路功率放大電路負(fù)載（1 1）輸入級：）輸入級：一般要求輸入阻抗盡量高，溫漂盡量小。（2 2）輸處級：）輸處級：一般要求輸出阻抗盡量低。（3 3）中間級

2、：）中間級：一般要求電壓增益大。多級放大器的耦合方式多級放大器的耦合方式耦合：把有用信號從前級傳給后級的過程。（1 1）直接耦合：）直接耦合：直接連接，可傳遞交、直流信號。耦合方式： （2 2）阻容耦合：）阻容耦合：通過電容器連接，可傳遞交流信號，隔斷直流。避免出現(xiàn)級間的靜態(tài)影響。 （3 3）變壓器耦合：）變壓器耦合：通過變壓器連接，可良好地傳遞交流信號，隔斷直流。避免出現(xiàn)級間的靜態(tài)影響。但成本高、體積大、沉重、浪費(fèi)資源。耦合電路的簡化形式耦合電路的簡化形式 (a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)變壓器耦合Ro1Uo1CRi2Ui2阻容耦合放大電路阻容耦合放大電路 各級之間通過耦合電容及下級輸

3、入電阻連接。優(yōu)點(diǎn)：各級靜態(tài)工作點(diǎn)互不影響，可以單獨(dú)調(diào)整到合適位置；且不存在零點(diǎn)漂移問題。缺點(diǎn)：不能放大變化緩慢的信號和直流分量變化的信號；且由于需要大容量的耦合電容，因此不能在集成電路中采用。Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+阻容耦合放大電路分析阻容耦合放大電路分析（1）靜態(tài)分析：各級單獨(dú)計(jì)算。（2）動(dòng)態(tài)分析 總的電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積。21o1oo1ouuiiuAAUUUUUUA注意：計(jì)算前級的電壓放大倍數(shù)時(shí)必須把后級的輸入電阻考慮到前級的負(fù)載電阻之中。如計(jì)算第一級的電壓放大倍數(shù)時(shí)

4、，其負(fù)載電阻就是第二級的輸入電阻。 輸入電阻就是第一級的輸入電阻。 輸出電阻就是最后一級的輸出電阻。例例 在圖示兩級組容耦合放大電路中，已知12CCUV，30B11Rk，15B21Rk ，3C1Rk ，3E1Rk ，20B12Rk ，10B22Rk ，5 .2C2Rk，2E2Rk，5LRk，5021，7 .0BE2BE1 UUV。求：（1）各級電路的靜態(tài)值；（2）各級電路的電壓放大倍數(shù)1uA、2uA和總電壓放大倍數(shù)uA；（3）各級電路的輸入電阻和輸出電阻。Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+解解 （

5、1） 靜 態(tài) 值 的 估 算 。第 一 級 ：）（ V 412153015CCB12B11B12B1URRRU）（ mA 1.137.04E1BE1B1E1C1RUUII）（）（A 22mA 501.11C1B1II）（ V 4.5)33(1.112)(E1C1C1CCCE1RRIUU第 二 級 ：）（ 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第一級第二級Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+中頻微變等效電路：三極管 V1的動(dòng)態(tài)輸入電阻為：15001 . 126)501 (30026)1 (300E11be1Ir()5 . 1(k)三極管 V2的動(dòng)態(tài)輸入電阻為：110065. 126)501 (30026)1 (300E22be2Ir()1 . 1(k)（2）求各級電路的電壓放大倍數(shù)1uA、2uA和總電壓放大倍數(shù)uA。首先畫出電路的微變等效電路。如圖所示。rbe1+o1

7、Ub1I+iUb1IRC1RB11Rs +sU RB12rbe2+oUb2Ib2IRC2RLRB21RB22第一級第二級第二級輸入電阻為：94.01 .1/10/20/be2B22B212rRRri（k）第一級等效負(fù)載電阻為：72.094.0/3/2C1L1irRR（k）第二級等效負(fù)載電阻為：67.15/5 .2/LC2L2RRR（k）第一級電壓放大倍數(shù)為：245 .172.050be1L111rRAu第二級電壓放大倍數(shù)為：761 .167.150be2L222rRAu兩級總電壓放大倍數(shù)為：1824)76()24(21uuuAAA（3）求各級電路的輸入電阻和輸出電阻。第一級輸入電阻為：3 .

8、15 . 1/15/30/be1B12B111rRRri（k）第二級輸入電阻在上面求出，為 0.94 k。第一級輸出電阻為：3C1o1 Rr（k）第二級輸出電阻為：5 . 2C2o2 Rr（k）第二級的輸出電阻就是兩級放大電路的輸出電阻。課堂演練課堂演練Rsus+uiRDC1C2RG1RG2CSRL+uo+UCCC3V2RB21RB22RSRE2+uo1+ 電路如下圖，請畫出該電路的中頻微變等效電路圖，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。NPN+PNP組合電平移動(dòng)直接耦合放大電路組合電平移動(dòng)直接耦合放大電路 級間采用NPN管和PNP管搭配的方式，如圖所示。由于NPN管集電極電位高于基極電位，PNP管集電極電位低于

9、基極電位，它們的組合使用可避免集電極電位的逐級升高。NPN和PNP管組合例：2級直接耦合放大器如下圖， 1=2=100，VBE1=VBE2=0.7V，請計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。（1 1）求靜態(tài)工）求靜態(tài)工 作點(diǎn)作點(diǎn)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）動(dòng)態(tài)分析）動(dòng)態(tài)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放大電路的頻率特性放大電路的頻率特性問題提出 前面所講述的均以單一頻率的正弦信號來研究，事實(shí)上信號的頻率變化比較寬（例如聲音信號、圖象信號），對一個(gè)放大器，當(dāng)Ui 一定時(shí)，f變化 Uo變化，即Au=Uo/Ui 變化，換句話說：Au與f有關(guān)。 頻率響應(yīng)：指放大器對不同頻率的正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。其表示方法：)()(ffAAvv其中 Av(f) 為幅頻響應(yīng)、(f)為相頻響應(yīng)。 RC電路的頻率響應(yīng)電路的頻率響應(yīng)一、一、RC RC 低通電路低通電路RC

12、低通電路如右圖1所示。 arctg(Hff)0ioj11j11RCVVvA=RC+-io.VVRC低通電路其電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為： 式中t011RCvA的模、上限截止頻率和相角分別為： 2H)(11ffAv ffRC012H 由以上公式可做出如下圖所示的RC低通電路的近似頻率特性曲線： 2H)(11ffAv arctg(Hff)RC低通電路的頻率特性曲線 fH fH f =fH 當(dāng) 時(shí)，相頻特性將滯后45，并具有 -45/dec的斜率。在0.1 和10 處與實(shí)際的相頻特性有最大的誤差，其值分別為+5.7和5.7。 這種折線化畫出的頻率特性曲線稱為波特圖波特圖，是分析放大電路頻率響應(yīng)的重要

13、手段。 幅頻特性的X軸和Y軸都是采用對數(shù)坐標(biāo),稱為上限截止頻率上限截止頻率。當(dāng) 時(shí)，幅頻特性將以十倍頻20dB的斜率下降，或?qū)懗?20dB/dec。在 處的誤差最大，有3dB。 ffH f =fH fH)arctg(90Loff 其傳遞函數(shù) 為：vARCff21L02LL)(1/ffffAvLLLLio/j1/j/j1/jffffVVvA=tL11RC。式中 下限截止頻率、模和相角分別為二、二、RCRC高通電路高通電路RC高通電路的近似頻率特性曲線：2LL)(1/ffffAv)arctg(90Loff高通電路的近似頻率特性曲線混合混合型高頻小信號模型型高頻小信號模型 混合型高頻小信號模型是通過

14、三極管的物理模型而建立的，三極管的物理結(jié)構(gòu)如下圖所示。rbe-發(fā)射結(jié)電阻 -發(fā)射結(jié)電容，也用C這一符號-集電結(jié)電阻rbc -集電結(jié)電容，也用C這一符號 Cbc rbb -基區(qū)的體電阻，b是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。 雙極型三極管物理模型rbe 根據(jù)這一物理模型可以畫出混合型高頻小信號模型，如下圖所示?；旌闲托⌒盘柲Ｐ碗娐酚?代替eb.mVg.bIe b0boe bboce bcm/rIVIIVIg 在型小信號模型中，因存在Cbc 和rbc,對求解不便，可通過單向化處理加以變換。首先因rbc很大，可以忽略，只剩下Cbc?？梢杂幂斎雮?cè)的C輸出側(cè)的C兩個(gè)電容去分別代替Cbc ，但要求變換前后應(yīng)保證相關(guān)電

15、流不變，如下圖所示。單向化混合型小信號模型的單向化11CjVCjVVebcbceebcbcbebceebCKCVVVC)1 (ebceVVK 11CjVCjVVcecbebcecbcbceebceCKKCVVVC )1(近似計(jì)算時(shí), 取中頻時(shí)的值。K簡化的混簡化的混參數(shù)等效模型參數(shù)等效模型C因?yàn)閞bc和rce的阻值都很大，所以可忽略；因?yàn)镃 的值很小，所以可一般也忽略不計(jì)；CCCeb電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)的頻響的頻響 從物理概念可以解釋隨著頻率的增高,將下降。因?yàn)?0bcceVII等效電路 0ce.V0.ceV 是指在VCE一定的條件下,在等效電路中可將CE間交流短路，于是可作出右圖的等效電

16、路。)(211)(1cbebeb0cbebebebmCCrfffjCCrjrge bmc be be bmce be bb)(+)/1(VgCjVVgICCjrVI由此可做出的幅頻特性和相頻特性曲線，如下圖所示：當(dāng)=1時(shí)對應(yīng)的頻率稱為特征頻率fT，且有fT0f 當(dāng)20lg下降3dB時(shí),頻率f稱為共發(fā)射極接法的截止頻率ffjCCrjrg1)(10c be be be bm當(dāng) f = fT 時(shí), 有：1)(1)(1)(2T02c be be be bmTffCCrrgf因fT f ,所以, fT 0 f共發(fā)射極接法放大電路的頻率特性共發(fā)射極接法放大電路的頻率特性共發(fā)射極接法基本放大電路全頻段微變等

17、效電路 對于如圖所示的共發(fā)射極接法的基本放大電路，分析其頻率響應(yīng)，需畫出放大電路從低頻到高頻的全頻段小信號模型，然后分低、中、高三個(gè)頻段加以研究。中頻段分析中頻段分析beebLCmebebbeLCebmvmrrRRgVrrRRVgA)/()/(e b0mrg中頻段微變等效電路21/bbbRRR 高頻段分析高頻段分析1111)/(CjrCjrrCjrCjrVRRVgAebebbbebebebLCebmvh)/(11)/(11)/(1111)/(CrrjACrrjrrArrrCjrRRgrCjrrrCjrRRgCjrCjrrCjrCjrVRRVgAebbbvmebbbbebevmbebbebebL

18、CmebebbbebebLCmebebbbebebebLCebmvhHvmHvmebbbvmvhffjAjACrrjAA1111)/(112)(1lg20lg20lg20HvmvhffAAHoffarctg 180低頻段分析低頻段分析C1、C2被保留， Ce較大視為短路,C較小視為開路。 tL1=(Rb /rbe)C1 tL2=(Rc +RL)C2通過比較確定下限截止頻率發(fā)生在輸入回路還是輸出回路!如果發(fā)生在輸入回路則C2可視為短路，反之亦然。11/)/(CjrRrRrRRAbebbebbeLCvlLLvmbebbebvmvljjACrRjCrRjAA1)/(1)/(112)(1lg20lg2

19、0lg20LLvmvlffffAALoLooffarctgffarctg9090180全頻段的頻率響應(yīng)全頻段的頻率響應(yīng) )1)(1 (HLLvmvffjffjffjAAovAlg20vmAlg20十倍頻程/20dB十倍頻程/20dBflgHfLf幅頻特性幅頻特性請同學(xué)自己畫出相頻特性曲線請同學(xué)自己畫出相頻特性曲線頻率響應(yīng)的改善和頻率響應(yīng)的改善和“增益帶寬積增益帶寬積”頻率響應(yīng)的改善主要是通頻帶變寬，即是高頻時(shí)性能的改善。 1、通頻帶 ,要使BW加寬有兩種方法: （1） fL下降（即是使耦合電容C所在回路的時(shí)間常數(shù)取值大）亦是R或C增大，改善有限。 （2） fH增大就會使Au下降。HLHfffB

20、W2)/()(2)/()/(21)/(CrRRgCrrrRRgCrrrrRRgBWAbbLCmebbbebLCmebbbbeebLCmvm2 2、可見，對于單管放大器，其“增益帶寬積”是由管子結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的“常數(shù)”！多級放大器的頻率響應(yīng)多級放大器的頻率響應(yīng)一、多級放大器頻響的一般形式一、多級放大器頻響的一般形式幅頻響應(yīng)： 相頻響應(yīng)： 21lg20lg20lg20uuuAAA 321二、多級放大器頻響的特點(diǎn)二、多級放大器頻響的特點(diǎn) 多級放大器串聯(lián)起來后，多級放大器串聯(lián)起來后，電壓增益電壓增益提提高了高了，但，但通頻帶通頻帶變變窄了窄了。 .1 . 1232221LLLLffff.1111 . 11232221HHHHffff1lg20vA1lg20vmA十倍頻程/20 dB十倍頻程/20 dBflg1Hf1Lf2lg20vA2lg20vmA十倍頻程/20 dB十倍頻程/20 dBflg2Hf2Lf總vAl