第六节　多级放大电路

在实际的电子电路应用中，常对放大电路的性能提出多方面的要求。例如，要求放大电路的电压放大倍数达上千乃至上万倍，输入电阻达兆欧，输出电阻小于100Ω等，仅靠前面介绍的单管放大电路，是不能满足上述要求的。因为，单管放大电路的电压放大倍数近100，而一般的输入信号在毫伏级，要把微弱的信号放大到足够大并能带动负载，显然，仅靠单管放大电路是不现实的。这就要求将多个单管放大电路采用合理的连接，组成多级放大电路，以满足实际应用的需要。同时，当单管放大电路的输入电阻和输出电阻不能满足信号源或负载的要求时，采用多级放大电路就能解决这些问题。应该指出，随着电子技术的发展，特别是中大规模集成器件的推广应用，由分立元件组成的多级放大电路已很少采用，但作为电子技术的基础知识，了解其基本原理是非常必要的。

一、多级放大电路的组成及级间耦合方式

多级放大电路的组成框图如图2-26所示。其中，与信号源相连的第一级放大电路称为输入级，主要作用是引入输入的电压信号并完成小信号放大；与负载相连的末级放大电路称为输出级，一般由功率放大电路组成，主要作用是完成大信号放大并输出一定功率以带动负载工作；位于输入级和输出级之间的各个放大电路统称为中间级，主要作用是累积电压放大倍数，以增大电压信号。

多级放大电路的级与级之间的连接称为级间耦合，常见的耦合方式有直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。

1.直接耦合

将前级的输出端直接连接到后级的输入端，称为直接耦合，如图2-27（a）所示。由于直接耦合方式的放大电路，级与级之间无直流隔离元件，因此，前、后级的直流通路是相通的，这就出现了两个新的问题：一是级与级之间静态工作点相互影响和配合的问题；另一个是零点漂移的问题。下面先讨论静态工作点的设置问题。

由图2-27（a）不难看出，由于前级和后级之间通过导线直接连接，那么静态时V1管的UCE1等于V2管的UBE2。在正常情况下，若V2管为硅管，则UBE2的值为0.7V，使V1管的集电极电位UC1也为0.7V，致使V1管处在饱和状态，在动态信号作用时容易产生饱和失真。因此，要使第一级有合适的静态工作点，解决的方法是提高第二级V2管的发射极电位。具体措施如下：

（1）在V2管的发射极串联电阻RE2，如图2-27（b）所示。调节RE2的大小可使两级放大电路有合适的静态工作点。但串入RE2将会对放大信号产生负反馈，降低了第二级的电压放大倍数，导致整个电路的放大能力下降。如果电路处在交流放大时，则可以通过在RE2两端并联旁路电容来消除这种负反馈；如果电路处在直流放大时，那么采用并联旁路电容的方法是不能消除这种负反馈的。

（2）在V2管的发射极串联稳压管或二极管，如图2-27（c）所示。用稳压管来取代电阻，使之对直流量和交流量有不同的特性。对于直流量相当于在发射极接入一个电压源，根据V1管UC1所需的值，选取合适的稳压管，以保证V1管能正常工作；对于交流量由于稳压管的动态电阻较小，稳压管对交流信号的负反馈的作用很小，不会造成电压放大倍数的损失。为使稳压管工作在稳压状态，电路中加入电阻R，以保证稳压管电流大于最小稳定电流。当V1管的UC1取值较小时，也可在V2管的发射极串联二极管，其作用同稳压管，仅是提供的电压较小，如UC1取值在2V，可串联两只二极管。

（3）采用NPN型管和PNP型管的互补耦合方式，如图2-27（d）所示。为使各级三极管都处于放大状态，必须要求三极管的集电极电位大于基极电位，这样如果级数较多时，会造成集电极电位逐级攀升，以致接近电源电压，这对后级工作点很不利。为此，在直接耦合多级放大电路中常插入电平移动电路。图2-27（d）中采用NPN型管和PNP型管的互补耦合的方式，利用PNP型管的集电极电位低于基极电位的特点，与NPN型管组成互补方式，这样，既实现了级间耦合，又达到了电平移动的目的。

另外，直接耦合的放大电路存在着零点漂移问题。对于一个理想的直流放大电路，当输入信号为零时，其输出电压也应该为零。而在实际的直接耦合放大电路中，往往会出现这样的现象：当输入信号为零时，输出电压会偏离原来的初始值而不规则地缓慢变化着，把这种现象称为零点漂移，简称零漂。引起零点漂移的主要原因首先是温度的变化对三极管特性的影响，其次是电源电压的波动和元件参数的变化，因此零点漂移又称温度漂移。由于直接耦合放大电路在级间无隔直电容，级与级之间的直流通路是相通的，放大电路中任意一点的直流电位变化都会引起输出端电位的变化，前一级的零点漂移电压会传送到后一级，并经过逐级放大；到达输出端时，零点漂移信号将与有用信号相混淆。放大电路的级数越多，零点漂移越严重，尤其是第一级的零点漂移会逐级放大，导致湮没有用信号。零点漂移严重时会影响放大电路的正常工作，引起输出信号失真或使电路不能正常工作，甚至产生错乱动作。

为了减小直接耦合放大电路的零点漂移，通常采用的方法是选用温度稳定性能好的电路元件和高质量的直流稳压电源。抑制或克服零点漂移，最为常见、也最为有效的措施是采用差分放大电路。关于差分放大电路将在第四章第二节中介绍。

直接耦合方式最大的优点是具有较好的低频特性，它既可以放大直流信号，又可以放大交流信号（包括变化缓慢的交流信号），且电路结构简单，电路中无大容量电容，易于将全部电路集成在一块硅片上，所以，多用于集成电路中。它的不足是前、后级静态工作点相互影响，给电路分析和调试带来困难，且存在零点漂移问题。

2.阻容耦合

将前级放大电路的输出端通过电容连接到后级的输入端，称为阻容耦合，如图2-28所示。由于耦合电容的“隔直通交”作用，级与级之间的直流通路互不相通，各级静态工作点互相独立，在求解各级静态工作点Q时，可按单级处理，这给电路分析、设计和调试带来方便。当输入信号的频率较高、耦合电容容量较大时，前级的输出信号几乎没有衰减地传送到后级的输入端，因此，在分立元件放大电路中得到广泛的应用。

阻容耦合方式的优点是电路结构简单，各级静态工作点互相独立，不存在零点漂移问题。不足是低频特性差，不能放大低频或变化缓慢的交流信号。由于耦合电容的存在，尤其在输入信号频率较低时，耦合电容的容抗明显增大，使信号传输受到衰减，产生较大的电压降，导致电路的放大倍数下降。此外，不利于电子电路的集成化。因为，在集成电路中制造大容量的电容还比较困难，阻容耦合方式很难在集成电路中得到应用，仅适用于特殊需要的分立元件放大电路。耦合电容的取值一般在几微法至几十微法。

3.变压器耦合

将前级放大电路的输出端通过变压器连接到后级的输入端，称为变压器耦合，如图2-29所示。变压器耦合也具有“隔直通交”作用，对直流量而言，它和阻容耦合方式一样，各级静态工作点互不影响，有利于电路的分析、设计和调试；对交流量而言，变压器耦合是磁的耦合，用变压器的一次侧取代集电极的负载电阻，当电流流过变压器一次侧时，由于电磁感应，二次侧会产生相应的电流和电压，将二次侧的感应电压加到下一级三极管的基极和发射极之间，就能实现交流信号的传送。另外，变压器还可以进行阻抗变换，实现阻抗匹配，能满足功率放大电路输出功率尽可能大的要求。

在实际的变压器耦合放大电路中，负载电阻的数值往往很小，如扩音系统中的扬声器，其阻值一般为4Ω、8Ω和16Ω等几种。如果采用直接耦合或阻容耦合方式，则它们的电压放大倍数将很小，扬声器无法获得大的功率。采用变压器耦合方式时，可利用它的阻抗变换作用，使负载获得足够大的功率，这就是所谓的阻抗匹配。当负载电阻为RL、变压器一次线圈匝数为N1、二次线圈匝数为N2时，通过变压器可将负载电阻RL变换成为负载电阻RL折算到一次侧的等效电阻，即

选择合适的匝数比，就可获得最佳的阻抗匹配，使负载获得最大的输出功率。

变压器耦合方式最大的优点是可以进行阻抗变换，实现阻抗匹配，满足功率放大电路输出最大功率的要求，因此，在分立元件构成的变压器耦合功率放大电路中得到广泛应用。其不足是低频特性较差，不能放大直流信号，且体积大，不利于电路的集成化。

4.光电耦合

将前级放大电路的输出信号通过光耦合器传送给后级的输入端，称为光电耦合，如图2-30所示。光电耦合是将光信号作为媒介来实现电信号的传送的。最突出的优点是抗干扰能力强，且前、后级间的电气隔离性能好。随着光耦合器的性能不断提高，特别是集成光耦合器的出现，光耦合器在电子技术中的应用越来越广泛。电路中所用的光耦合器为二极管-三极管型光耦合器，其工作原理为：光耦合器输入边的发光二极管把V1级的输出电信号转换成变化规律相同的光信号，直射到输出边的光电晶体管，光电晶体管接受光照后，再将光信号变换成变化规律相同的电信号，并传送到V2级的输入端，以便继续放大信号。光耦合器既可传送交流信号也可传送直流信号。

有类似功能的还有光隔离器，近年来，在许多工业控制中得到广泛应用。光隔离器是隔离器的一种，是它把光发射器件与光接收器件集成在一起，或用一根光导纤维把两部分连接起来的器件。通常光发射器件为发光二极管（LED），光接收器件为光电晶体管，加在光发射器件上的电信号为隔离器的输入信号，光接收器件输出的信号为隔离器的输出信号。当有输入信号加在光隔离器的输入端时，发光二极管发光，光电晶体管受光照射产生光电流，使输出端产生相应的电信号，于是实现了光电的传输和转换。它仍以光为媒介实现电信号的传输，而器件的输入和输出之间在电气上完全是隔离的。

光耦合器和光隔离器最主要的区别是使用场合不同，光耦合器是将光信号转换成电信号传输出去，虽然光隔离器也有此功能，但是，它更重要的功能是起保护作用。目前，分辨这两者的特征是看隔离电压的大小。光耦合器被用来从某个电势向另一个电势传输模拟或数字信号，同时保持低于5000V的电势隔离；光隔离器被用来在系统间传输模拟或数字信号的同时，保持电力系统的隔离，其隔离电压在5000～50000V或以上。另外，光耦合器一般设计成类似于双列直插式封装（DIP）或者表面贴装器件（SMD）的小型封装；而光隔离器却有许多封装类型，如长方形、圆柱形以及一些特殊形状，这些封装类型用来提供比DIP和SMD封装更高的隔离电压。

二、多级放大电路性能指标的估算

为分析方便起见，以典型的两级阻容耦合放大电路为例进行介绍。电路如图2-31（a）所示，对其进行性能指标的估算。如电路工作在中频段范围内，其微变等效电路图如图2-31（b）所示。

1.电压放大倍数

由图2-31（b）可知，第一级的负载电阻RL1就是第二级的输入电阻ri2，即RL1=ri2。且第二级的输入电压ui2就是第一级的输出电压uo1，即ui2=uo1。这样，根据前面介绍的单级放大电路电压放大倍数的计算方法，可求出各级的电压放大倍数。

式中， 。而两级放大电路总的电压放大倍数为

式（2-40）表明，两级阻容耦合放大电路的总电压放大倍数Au等于各个单级电压放大倍数的乘积。依此类推，可推广到n级放大电路：

Au=Au1×Au2×…×Aun　　（2-41）

即多级放大电路的级数为n时，电路的总电压放大倍数为各个单级放大电路的电压放大倍数之积。

值得注意的是，由于前、后级是串联连接，后级放大电路的输入电阻就是前级放大电路的负载，所以在计算前级放大电路的电压放大倍数时，必须考虑后级负载的影响。

2.输入电阻

由图2-31（b）可以得出，多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，即

ri=ri1　　（2-42）

需要注意的是，当第一级是共射极放大电路时，多级放大电路的输入电阻就等于第一级的输入电阻；当第一级是射极输出器时，多级放大电路的输入电阻不仅与第一级有关，还与第二级的输入电阻有关。

3.输出电阻

由图2-31（b）可以得出，多级放大电路的输出电阻就是末级放大电路的输出电阻，即

ro=ro2　　（2-43）

同样需要注意的是，当末级是共射极放大电路时，多级放大电路的输出电阻就等于末级的输出电阻；当末级是射极输出器时，多级放大电路的输出电阻不仅与末级的输出电阻有关，还与前一级有关。

【例2-6】　放大电路如图2-31（a）所示。电路中各元件的参数为RB1=30kΩ，RB2=15kΩ，RE1=3kΩ，RC1=3kΩ，RB3=33kΩ，RB4=8.2kΩ，RE2=2kΩ，RC2=2.5kΩ，RL=5kΩ，β1=β2=40，VCC=12V，rbe1=1.27kΩ，rbe2=0.95kΩ。求放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

解：为求出第一级放大电路的电压放大倍数，应先求出其负载电阻，即第二级的输入电阻：

RL1=ri2=RB3∥RB4∥rbe2=0.83kΩ

则第一级放大电路的电压放大倍数为

第二级放大电路的电压放大倍数为

多级放大电路总的电压放大倍数为

Au=Au1Au2=（-20.5）×（-70.2）=1439

多级放大电路的输入电阻即为第一级放大电路的输入电阻，其值为

ri=ri1=RB1∥RB2∥rbe1=1.1kΩ

多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻，其值为

ro=ro2=RC2=2.5kΩ

三、放大电路的频率特性

以上在讨论放大电路时，通常都假设其输入信号为中频范围内的某一频率下的正弦信号，但在实际的电子电路中，输入信号往往是多频率的非正弦信号，例如收音机或电视机中音频放大器的音频信号就是非正弦信号。理想的放大电路对不同频率的信号都具有同样的放大倍数，实际的放大电路仅在一定的频率范围内才能保证放大倍数近似不变，对于频率过高或过低的信号，放大倍数会明显下降。这是因为放大电路中存在着耦合电容、射极旁路电容以及三极管的极间电容和分布电容，它们对各种频率的信号产生的阻抗值不同，从而导致放大电路对不同频率信号的放大效果不尽相同。这种放大效果反映在两个方面：一是放大电路的电压放大倍数随频率的变化而改变，二是放大电路的输出电压与输入电压的相位差随频率的变化而改变。将电压放大倍数Au与信号频率f之间的关系称为幅频特性，而将输出电压和输入电压的相位差φ与频率f之间的关系称为相频特性，统称频率特性或频率响应。

1.单级阻容耦合放大电路的频率特性

典型的单级阻容耦合放大电路的频率特性曲线如图2-32所示。在分析放大电路的频率特性时，为方便起见，一般将输入信号的频率范围分为中频、低频和高频三个频段。放大电路的幅频特性曲线如图2-31（a）所示，将幅频特性对应划分为三个区。第一部分是中频区，即曲线平坦的部分，在中频范围内电路的极间电容因容抗很大可视为开路，耦合电容（或旁路电容）因容抗很小可视为短路，故不考虑它们对电压放大倍数Au的影响。因此，在中频区Au几乎不随频率的改变而改变，保持着一定的数值，可用Auo表示，通常所说的电路的电压放大倍数就是指这一区段内的电压放大倍数。第二部分是低频区，此时极间电容仍可视为开路，对电路不产生影响，而主要考虑耦合电容（或旁路电容）的影响，随着频率的减小，电压放大倍数迅速下降。第三部分是高频区，此时耦合电容（或旁路电容）视为短路，对电路不产生影响，而主要考虑极间电容的影响，随着频率的增大，电压放大倍数迅速下降。

工程上，将电压放大倍数Au下降到中频区放大倍数Auo的0.707倍时，所对应的频率分别称为下限截止频率fL和上限截止频率fH，上限截止频率与下限截止频率之间的频率范围称为通频带，用fBW表示，即

fBW=fH-fL　　（2-44）

由于上、下限截止频率处的增益相对于中频区的增益下降了3dB，所以放大电路的通频带fBW又称-3dB带宽。在放大电路的通频带内可近似认为放大电路与频率无关。放大电路在不同的应用场合下对通频带的要求有所不同，对电压信号放大电路而言，要求通频带越宽越好；而在自动控制系统中应用的频率范围很窄，因而对通频带没有特别的要求。

电压放大倍数在低频区下降的主要原因是耦合电容和旁路电容的容抗变大的缘故。由于电容的容抗值随着频率降低而变大，导致交流信号在耦合电容上的分压增加，从而使进入三极管的基极和发射极的输入信号减小，输出信号也就相应减小，造成放大倍数下降。而射极旁路电容的容抗变大，使射极电阻的旁路作用减弱，交流负反馈的作用却增大，导致放大倍数下降。

电压放大倍数在高频区下降的主要原因是三极管的结电容和分布电容的容抗减小的缘故。由于频率增加，导致三极管的发射结电容、集电结电容和电路中的分布电容的容抗减小，而这些电容都相当于并联在放大电路的输入端和输出端，它们的容抗与输入电阻和输出电阻比要小得多，因而，将分流一部分电流信号，从而使放大电路的电压放大倍数大大下降。

图2-32（b）为放大电路的相频特性，由曲线可看出，在中频区放大电路的输入电压与输出电压的相位相反（即φ=-180°）。但在低频区和高频区还存在着附加相移，在f=fH时，附加相移为滞后的，φ′=-45°在f=fL时，附加相移为超前的，φ′=45°。

2.多级放大电路的通频带

下面以两级放大电路为例进行介绍。图2-33为两级放大电路的幅频特性。设两级放大电路由幅频特性相同的单级放大电路组成，则其幅频特性应等于各单级幅频特性的乘积，因此，两级放大电路在中频区的总电压放大倍数为

Auo=Auo1×Auo2

而在单级放大电路的fL、fH处，总电压放大倍数为

上式说明，总的幅频特性在高、低频两端下降更快，对应于0.707Auo时的上限频率变低了，即，而下限频率变高了，即，使之值变小。因此，多级放大电路的通频带小于构成它的任意一个单级放大电路的通频带。虽然多级放大电路能够大幅度提高电路的电压放大倍数，但电路的通频带却变窄。级数越多，电路的通频带就越窄。若使多级放大电路的通频带变宽，则可在电路中引入负反馈（该内容将在第三章第三节中讲述）。同时，为了提高放大电路的低频特性，通常选择的耦合电容为5～10μF，射极旁路电容为30～200μF。为了提高放大电路的高频特性，应当选用截止频率fB比上限截止频率fH大的三极管。fB是三极管的一个参数，称为共射极截止频率。