如何制作多级放大电路？

由一个三极管或场效应管组成的放大电路，它的电压放大倍数一般为几十倍，输出功率常在1mW 以下，往往难以推动负载工作。在实际的电子设备中，为了同时满足多个性能指标的要求，如同时具有高输入电阻、低输出电阻、高电压放大倍数等，一个放大电路往往都是由若干单级放大电路连接而成的多级放大电路。

（1）掌握多级放大电路的组成，以及级间的耦合方式。

（2）测试多级放大电路的性能指标，即电压放大倍数、输入电阻、输出电阻，并分析动态指标与电路器件参数的关系，以及与级间耦合之间的关系。

任务要求

按测试要求完成所有测试内容，并对测试数据进行比较分析。

测试环境

双直流稳压电源一台，双踪示波器一台，函数信号发生器一台，万用表一只，面包板一块，三极管和电阻等元器件若干。

测试电路

图2-40所示为一个两级放大电路，VCC=12V，三极管选用9013。

图2-40　两级放大电路

测试步骤

（1）按图2-40在面包板上接好电路。

（2）测量电压放大倍数。

在输入点接入f=1kHz正弦波交流信号，调节输入信号幅值，用示波器同时观察ui和uo的波形，使输出端在示波器屏幕上得到一个最大不失真波形，同时测出Ui、Uo值，将数据填入表2-11中。

表2-11　测量电压放大倍数

一、多级放大电路的组成

多级放大电路一般由输入级、中间级、输出级组成，如图2-41所示。

图2-41　多级放大电路的组成结构框图

与信号相连的为第一级，也称为输入级，经常采用具有较高输入电阻的共集电极放大电路或场效应管放大电路，且元器件多采用低噪声管；中间级多由若干级共射极放大电路组成，以获得较大的电压放大倍数；输出级应有一定的输出功率，因而通常采用大信号放大电路——功率放大电路形式。

多级放大电路级与级之间信号的连接称为耦合，耦合应满足如下条件。

（1）各级电路都应该有合适的静态工作点，以免信号失真。

（2）前级信号应尽可能多地传递到后级放大电路中，尽量减少信号损失。

多级放大电路的级间耦合方式一般有直接耦合、阻容耦合、电隔离耦合（包括变压器耦合和光电隔离耦合）。下面分别进行介绍。

二、直接耦合多级放大电路

直接耦合是将前级放大电路和后级放大电路直接相连的耦合方式，如图2-42所示。直接耦合放大电路的突出优点是具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；并且由于电路中没有大容量电容，因此易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成放大电路。但因采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，所以静态工作点相互影响，这样就给电路的分析、设计和调试带来一定的困难。另外，还存在零点漂移现象。

图2-42　直接耦合放大电路

（一）直接耦合静态工作点相互牵制的问题

如图2-42所示，不论VT1的集电极电位在耦合前有多高，接入第二级后，会被VT2的基极钳制在0.7V 左右，致使VT2处于临界饱和状态，导致整个电路无法正常工作。

改进电路的方法有很多，图2-43所示就是其中的一种，原理是靠发射极上的稳压管稳压值UZ来实现抬高VT2基极的静态电位，只要稳压值UZ和R 合适，就能保证VT1、VT2正常工作。电阻R 是稳压管的限流电阻，稳压管的动态电阻小，对交流而言，稳压管可视为短路，因此不会降低Au2的值。

图2-43　直接耦合改进电路

在图2-43所示的电路中，为使各级晶体管都工作在放大区，必然要求VT2的集电极电位高于基极电位。可以设想，如果级数增多，且仍为NPN 型管构成的共射极放大电路，则由于集电极电位逐级升高，以至于接近电源电压，势必使后级的静态工作点不合适。因此直接耦合多级放大电路常采用NPN 型管和PNP型管混合使用的方法来解决上述问题，如图2-44所示。在图2-44所示的电路中，虽然VT1管的集电极电位高于其基极电位，但是为使VT2管工作在放大区，VT2的集电极电位应低于其基极电位（即VT1的集电极电位）。

图2-44　NPN 型和PNP型管混合使用的直接耦合放大电路

（二）零点漂移问题

由于温度变化、电源电压不稳定、晶体管参数变化等原因，使放大电路在输入信号为零时，输出电压缓慢地发生不规则的变化，这种现象称为零点漂移，简称零漂。零点漂移主要是由温度变化而引起的，所以零漂又称为温漂。

温漂是一个干扰信号，有可能严重影响电路的正常工作，必须采取可靠有效的措施来抑制它。常用的方法是采用差分放大电路，差分放大电路是最有效、最常用的一种抑制零漂电路。

三、阻容耦合多级放大电路

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2-45所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。

图2-45　两极阻容耦合放大电路

（一）阻容耦合放大电路的特点

由于电容对直流量的电抗为无穷大，因此阻容耦合放大电路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，因此电路的分析、设计和调试简单易行。而且，只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号就几乎没有衰减地传递到后级的输入端，因此，在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用。

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。这是因为电容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。此外，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。

应当指出的是，由于集成放大电路的应用越来越广泛，因此只有在特殊需要下，由分立元件组成的放大电路中才可能采用阻容耦合方式。

（二）多级放大电路性能指标的估算

一个n级放大电路的交流等效电路可用图2-46所示方框图表示。

图2-46　多级放大电路方框图

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-1）级，每一级的放大倍数均应是以后级输入电阻作为负载时的放大倍数。

根据放大电路输入电阻的定义，多级放大电路的输入电阻就是其第一级的输入电阻，即

根据放大电路输出电阻的定义，多级放大电路的输出电阻等于最后一级的输出电阻，即

应当注意的是，当共集电极放大电路作为输入级（即第一级）时，它的输入电阻与其负载，与第二级的输入电阻有关；而当共集电极放大电路作为输出级（即最后一级）时，它的输出电阻与其信号源内阻，与倒数第二级的输出电阻有关。

当多级放大电路的输出波形产生失真时，应首先确定是在哪一级先出现的失真，然后再判断是产生了饱和失真，还是截止失真。

【例2-3】在图2-45所示的电路中，已知R1=15kΩ，R2=R3=5kΩ，R4=2.3kΩ，R5=100kΩ，R6=RL=5kΩ；VCC=12V；三极管的β 均为150，rbe1=4kΩ，rbe2=2.2kΩ，UBEQ1=UBEQ2=0.7V。

解：（1）求解Q 点。由于电路采用阻容耦合方式，因此每一级的Q 点都可以按单管放大电路求解。

第一级为典型的Q 点稳定电路，根据参数取值可以认为

第二级为共集电极放大电路，根据基极回路方程列出IBQ2，即可求得IEQ2和UCEQ2，即

图2-47　交流等效电路

为了求出第一级的电压放大倍数，首先应求出其负载电阻，即第二级的输入电阻为

第二级的放大倍数应接近1，根据电路可知

根据输入电阻的物理意义，可知

电路的输出电阻Ro与第一级的输出电阻R3有关，即

四、电隔离耦合放大电路

电隔离耦合可分为变压器耦合和光电耦合两种方式。

（一）变压器耦合方式

变压器耦合方式是指两级放大电路之间通过变压器连接起来，如图2-48所示。

图2-48　变压器耦合放大电路

通过变压器的磁路耦合将-次侧的前级交流输出传送到二次侧作为后级的输入，如果输出级电路与负载之间采用变压器耦合方式，还可以实现阻抗变换的作用，音频功率放大电路中有时会利用这一特点使负载获得尽量高的输出功率。

变压器耦合方式的多级放大电路是通过电—磁—电的转换实现耦合的，因此各级的静态工作点也是彼此独立、互不影响的。当然变压器耦合方式的多级放大电路也有很多缺点，如变压器体积大、笨重且难于集成、频率特性差，并且频率太低的信号不能通过变压器等。因此，这种形式的电路目前已经很少使用了。

（二）光电耦合方式

光电耦合方式是通过光电耦合器件实现的。光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如图2-49所示。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，从而有效地抑制电干扰。在输出回路常采用复合管（也称为达林顿结构）形式以增大放大倍数。

图2-49　光电耦合放大电路

本项目既是学习的重点又是学习的难点，一是因为它是后面各项目学习的基础，二是介绍了对初学者而言太多的基本概念、电路、方法。通过学习本项目内容，读者应重点理解和掌握以下知识。

（1）放大的概念：放大电路是一种最基本、最常用的模拟电子电路。放大电路的实质是能量的控制作用，即用小能量的输入信号控制输出信号，将直流电源提供的能量转换为交流电能输出。放大的前提是不失真，如果输出产生波形失真便谈不上放大。

（2）放大电路的组成原则有：①放大电路的核心元件是有源元件；②电路要有合适的静态工作点，信号的变化范围在线性放大区：③输入回路的接法应当使输入的变化电压ui，产生变化电流ib（ie），因为ib（ie）直接控制ic；④输出回路的接法应当使ic尽可能多地流到负载上去，减少其他支路的分流作用。

（3）放大电路的主要性能指标有：①电压放大倍数A，输出变化量幅值与输入变化量幅值之比，或者二者的正弦交流值之比，用以衡量电路的放大能力；②输入电阻Ri，从输入端看进去的等效电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大小；③输出电阻Ro，从输出端看进去的等效输出信号源的内阻，说明放大电路的带负载能力；④最大不失真输出电压Uom，未产生截止失真和饱和失真时，最大输出信号的正弦有效值（或峰值）。(www.xing528.com)

（4）放大电路的基本分析方法有两种：图解法和微变等效电路法。图解法直观，可形象地表示出静态工作点的位置与非线性失真的关系、估算最大不失真输出幅度，适用于信号动态范围较大的场合；微变等效电路法是建立在晶体管简化微变等效电路（小信号线性模型）基础上的，适用于信号动态范围较小的场合。

（5）基本放大电路有共射极、共集电极、共基极3种基本组态。共射极放大电路适用于一般放大和多级放大电路的中间级；共集电极放大电路虽然电压放大倍数小于且近似为1，但具有输入电阻大、输出电阻小的特点，多用于多级放大电路的输入级和输出级，也可用于中间级起阻抗匹配作用；共基极放大电路适用于高频带或宽频带放大电路。

（6）多级放大电路常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、电隔离耦合。阻容耦合的各级静态工作点互不影响，但只能放大交流信号；直接耦合对交、直流信号都能放大，但存在一个严重问题——零点漂移；电隔离耦合可分为变压器耦合和光电耦合。变压器耦合可以实现阻抗变换，在分立元件功率放大电路中得到广泛应用；光电耦合用于音频放大电路，可以起到信号隔离作用，防止级间干扰。

一、填空题

1.已知某放大电路的｜Au｜=100，｜Ai｜=100，则电压增益为_________dB，电流增益为________dB，功率增益为________dB。

2.已知甲、乙两个放大电路的开路输出电压均为5V，甲电路的短路输出电流为2mA，乙电路接5.1kΩ 时输出电压为2.5V，则可得甲电路的输出电阻为________，乙电路的输出电阻为________。

3._________电阻反映了放大电路对信号源或前级电路的影响；_________电阻反映了放大电路带负载的能力。

4.若信号带宽大于放大电路的通频带，则会产生________失真。

5.某放大电路的电压增益为100dB，即电压放大倍数为________倍。

6.放大电路中，当放大倍数下降到中频放大倍数的0.7倍时所对应的低端频率和高端频率，分别称为放大电路的_________频率和_________频率，这两个频率之间的频率范围称为放大电路的_________。

7.当放大电路要求恒压输入时，其输入电阻应远_________信号源内阻；要求恒流输入时，输入电阻应远_________信号源内阻。

8.3种基本组态双极型三极管放大电路中，输入电阻最大的是共_________极电路，输入电阻最小的是共________极电路，输出电阻最小的是共________极电路。

9.单级双极型三极管放大电路中，输出电压与输入电压反相的为共_________极电路，输出电压与输入电压同相的有共_________极电路、共_________极电路。

10.场效应管放大电路中，共________极电路具有电压放大能力，输出电压与输入电压反相；共________极电路输出电阻较小，输出电压与输入电压同相。

11.单级双极型三极管放大电路中，既能放大电压又能放大电流的是共_________极电路，只能放大电压不能放大电流的是共_________极电路，只能放大电流不能放大电压的是共________极电路。

12.3种基本组态双极型三极管放大电路中，若希望源电压放大倍数大，宜选用共_________极电路；若希望带负载能力强，宜选用共_________极电路；若希望从信号源索取的电流小，宜选用共_________极电路；若希望用作高频电压放大器，宜选用共________极电路。

13.射极输出器的主要特点是：电压放大倍数_________、输入电阻_________、输出电阻_________。

14.NPN 管和PNP管构成放大电路时，所需的工作电压极性相_________，但这两种管子的微变等效电路_________。

15.放大器的静态工作点过高可能引起_________失真，过低则可能引起_________失真。分压式偏置电路具有自动稳定_________的优点。

二、计算分析题

1.试判断图2-50所示的各电路能否放大交流电压信号。

图2-50　电路图

2.三极管放大电路如图2-51 所示。已知三极管的UBEQ=0.7V，β=100，rbb′=200Ω，各电容在工作频率上的容抗可略去。试：（1）求ICQ、UCEQ；（2）画出放大电路的小信号等效电路；（3）求电压放大倍数Au=uo/ui；（4）求输入电阻Ri和输出电阻Ro。

图2-51　题2三极管放大电路

3.三极管放大电路如图2-52 所示。已知VCC=24V，RB1=51kΩ，RB2=10kΩ，RE=2kΩ，RC=3.9kΩ，RL=4.3kΩ，三极管的UBEQ=0.7V，β=100，rbb′=200Ω，各电容在工作频率上的容抗可略去。试：（1）求静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ；（2）画出放大电路的小信号等效电路；（3）求电压放大倍数Au=uo/ui、输入电阻Ri和输出电阻Ro。

图2-52　题3三极管放大电路

4.三极管放大电路如图2-53 所示。已知VCC=12V，RB1=15kΩ，RB2=6.2kΩ，RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，RS=1kΩ，三极管的UEBQ=0.2V，β=100，rbb′=200Ω，各电容在工作频率上的容抗可略去。试：（1）求静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ；（2）画出放大电路的小信号等效电路；（3）求输入电阻Ri、输出电阻Ro、电压放大倍数Au=uo/ui、源电压放大倍数Aus=uo/us。

图2-53　题4三极管放大电路

5.放大电路如图2-54所示。已知电容量足够大，VCC=18V，RB1=75kΩ，RB2=20kΩ，RE2=1.8kΩ，RE1=200Ω，RC=8.2kΩ，RL=6.2kΩ，RS=600Ω，三极管的β=100，rbb′=200Ω，UBEQ=0.7V。试：（1）计算静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ；（2）画出放大电路的小信号等效电路；（3）计算电压放大倍数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro。（4）若us=15sinωt（mV），求uo的表达式。

图2-54　题5放大电路

6.放大电路如图2-55所示。已知三极管的β=80，rbb′=200Ω，UBEQ=0.7V，各电容对交流的容抗近似为零。试：（1）求ICQ、UCEQ；（2）画出放大电路的小信号等效电路并求rbe；（3）求电压放大倍数Au=uo/ui、输入电阻Ri、输出电阻Ro。

图2-55　题6放大电路

7.在图2-56所示的放大电路中，VCC=20V，RB1=62kΩ，RB2=16kΩ，RC=3kΩ，RE=2kΩ，RL=3kΩ，RS=500Ω，三极管的β=100，UBEQ=0.7V。试：（1）求静态工作点IBQ、ICQ、UCEQ；（2）若换上一只β=80的同类型管子，求ICQ、UCEQ；（3）若温度从20℃升至30℃，求ICQ、UCEQ。

图2-56　题7放大电路