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多级放大电路
多级放大电路
微变等效电路分析法
图2.7.1 多级放大器框图
由于单级放大电路的放大倍数有限,不能满足实际的需要,因此实用的放大电路都是由多级组成的。
通常可分为两大部分,即电压放大(小信号放大)和功率放大(大信号放大),如图2.7.1框图所示。
前置级一般跟据信号源是电压源还是电流源来选定,它与中间级主要的作用是放大信号电压。
中间级一般都用共发射极电路或组合电路组成。
末级要求有一定的输出功率供给负载RL,称为功率放大器,一般由共集电极电路,或互补推挽电路,有时也用变压器耦合放大电路。
2.7.1. 级间耦合方式
在多级放大器中前置级的输入信号由信号源提供。
前级的输出信号(电压或电流)加到后级的输入端所采用的方式称为耦合,通过耦合电路使前后级联系起来。
前级的输出信号就是后级的输入信号源,前级的输出电阻就是后级的信号源内阻,后级的输入电阻就是前级的负载电阻。
耦合方式解决的是级与级之间如何连接的问题。
对耦合方式的要求是不失真地、有效地传送信号。
在多级放大器中,通常采用的耦合方式有三种,即变压器耦合、阻容耦合和直接耦合。
1.
变压器耦合放大电路
图2.7.2 变压器耦合多级放大器
变压器耦合放大电路如图2.7.2所示。
它的特点是,各级工作点互相独立;通过变压器的阻抗变换作用,使级与级之间达到阻抗匹配,以获得最大功率输出。
缺点是体积大,笨重、价格高、频率响应差(高频段受线圈之间分布电容的影响,低频段受电感的影响)、不利于小型化,在低频小信号多级电压放大器中一般不采用。
在功率放大器中,有时选用。
2.
阻容耦合放大电路
图2.7.3 阻容耦合多级放大器
阻容耦合(实际上应该称为电容耦合)放大电路如图2.7.3所示。
它的特点是,各级静态工作点互相独立,体积小,价格低。
缺点是当频率很低时,电容的容抗不能忽略,输出电压比中频时低,低频响应差,级与级之间阻抗严重失配。
3.
直接耦合放大电路
图2.7.4 直接耦合多级放大器
直接耦合放大电路如图2.7.4所示。
它的特点是,电路中没有外加电抗元件,频率响应好,低频段可以延伸到直流,使用元件少,适用于线性集成电路。
缺点是级与级之间阻抗严重失配,功率增益低;各极的静态工作点不是独立的,设计和调整比较麻烦。
例2.9 图2.7.5为两级直接耦合放大电路,试求静态工作点。
已知两只晶体管的参数相同,即b=b1=b2=50,VBE=VBEQ=VBEQ=0.6V。
图2.7.5 两级直接耦合放大电路
解:
画直流通路如图2.7.6所示。
直接耦合放大电路静态工作点的计算,要由具体电路列出节点电压和支路电流的方程组求解。
解法1:
由图可列方程组
(1)
图2.7.6 直流通路
(2)
(3)
(4)
整理后可得
(1):
18=VC1+375IB1+7.5IB2(5)
(2):
3.6=6VC1-VB1-510IB2(6)
(3):
0.6=VB1-51IB1(7)
(4):
4.92=8.2VC1-18.2VB1-82IB1(8)
(5)→(6):
104.4=VB1+2250IB1+555IB2(9)
(5)→(8):
142.68=18.2VB1+3157IB1+61.5IB2(10)
(7)→(9):
104.4=2301IB1+555IB2(11)
(7)→(10):
131.76=4085.2IB1+61.5IB2(12)
由(9)~(12)解得:
IB1=314mAIB2=580mA
IC1=1.57mAIC2=2.90mA
IE1=1.60mAIE2=2.96mA
VB1=2.2VVC1=5.8VVE1=1.6V
VB2=5.8VVC2=12.2VVE2=5.2V
两只晶体管都工作在放大区。
解法2:
由于两管的β较大,可以忽略两管基极电流IB的影响,设IC1≈IE1,IC2≈IE2。
由图2.7.6可列方程组
(1)
(2)
(3)
(4)
整理后可得
(2):
3.6=6VC1-10IE2-VB1(5)
(3):
VB1=1×IE1+0.6(6)
(4):
8.2VC1=4.92+18.2VB1(7)
(6)→
(1):
VC1=18-7.5×(VB1-0.6)=22.5-7.5VB1(8)
由(5)~(8)解得:
VB1=2.25VVC1=5.6V
IC1≈IE1=1.65mAIC2≈IE2=2.78mA
4.
多级放大器的电压放大倍数
多级放大器的方框图如图2.7.7所示。
电压放大倍数
(2.7-1)
式中,Vo(n-1)=Vin。
上式表明,多级放大器的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积.
图2.7.7 多级放大器的方框图
计算方法有两种:
一种方法是计算前级电压放大倍数Av(n-1)时,将后级的输入电阻Rin作为前级的负载电阻,即Rin=RL(n-1),计算后级时不考虑前级的影响,即只计算后级的电压放大倍数;另一种方法是计算前级电压放大倍数时,不考虑后级的影响,即认为前级的负载电阻R(n-1)L=∞,但后级必须计算源电压放大倍数,即将前级的输出电阻Ro(n-1)作为后级的信号源内阻,即Ro(n-1)=Rsn。
两种计算方法是等价的,也是相互独立的。
多级放大电路的输入电阻为第一级的输入电阻,即Ri=Ri1;输出电阻为最后一级的输出电阻,即Ro=Ron
5.
多级放大电路电压放大倍数的证明
两级共发射极电路的等效电路如图2.7.8所示。
由图可得
图2.7.8 两级共发射极电路的等效电路
(2.7-2)
式中,R'L=Rc2//RL。
上式表明,计算第一级电压放大倍数Av1时,将第二级的输入电阻Ri2作第一级的负载电阻,即Ri2=Rb2//R'i2=RL1;计算第二级电压放大倍数Av2时,不考虑前级的影响。
上式还可以写成下面的形式
(2.7-3)
上式表明,计算第一级电压放大倍数Av1时,不考虑后级的影响;第二级应计算源电压放大倍数Avs2,将第一级的输出电阻作为第二级的信号源内阻,即Ro1=Rc1=Rs2。
例2.8 求图2.7.5两管直接耦合放大电路的电压放大倍数,输入电阻和输出电阻。
已知两只晶体管的参数:
rbe1=1KΩ,rbe2=700Ω,b=b1=b2=50,所有电容在工作频段内均可视为短路。
解:
画交流通路如图2.7.9所示
图2.7.9 交流通路
(1) 用第一种方法计算。
T1的输入电阻
第一级的电压放大倍数
第二级的电压放大倍数
两级的电压放大倍数
输入电阻RiRb1//RF//R'i=8.2//10//3.4=1.94KΩ=R
输出电阻Ro≈Rc2=2KΩ
(2) 用第二种方法计算。
第一级的电压放大倍数
第一级的输出电阻Ro1≈Rc1=7.5KΩ
第二级的源电压放大倍数
两级的电压放大倍数
在多级放大电路中,常用两个不同组态的基本放大电路,互相配合以发挥各自的优点,称为组合放大电路,下面进行讨论。
2.7.2. 共集—共射电路
在图2.7.10电路中,T1为共集电极电路,T2为共发射极电路,采用直接耦合方式,所以称为共集—共射组合电路。
第二级的输入电阻 Ri2=rre2
第一级的输入电阻
R'i1=Rbe1+(1+b1)(Re1//Ri2)
图2.7.10 共集—共射组合电路
放大器的输入电阻Ri=Rb1//R'i1
第一级的电压放大倍数
(2.5.8)
第二级的电压放大倍数
组合电路的电压放大倍数
上式表明,共集—共射电路的电压放大倍数近似等于共射电路的电压放大倍数。
由于共集电路的输入电阻很大,当信号源的内阻较大时,将共集电路插在信号源与共发电路之间,可有较地提高共发电路的电压放大倍数。
共集电路在这里起隔离作用,或起阻抗变换作用。
2.7.3. 共射—共集电路
在图2.7.11电路中,T1为共发射极电路,T2为共集电极电路,采用直接耦合方式,所以称为共射—共集组合电路。
第二级的电压放大倍数Av2≈1,第一级的电压放大倍数
图2.7.11 共射—共集组合电路
组合电路的电压放大倍数
上式表明,共射—共集电路的电压放大倍数近似等于共射电路的电压放大倍数。
由于共集电路的输入电阻很大,当负载电阻RL较小时,将共集电路插在负载阻RL与共发电路之间,可有较地提高共发电路的电压放大倍数。
共集电路在这里起隔离作用,或起阻抗变换作用。
输出电阻
2.7.4. 共集—共集电路
在图2.7.12(a)电路中,T1和T2均为共集电极电路,采用直接耦合方式,所以称为共集—共集组合电路。
实际上T1和T2可等效为一只三极管,称为复合管,如图2.7.12(b)所示。
由图2.7.12(b)可得
IC=IC1+IC2=b1IB+b2IE1=b1IB+b2(1+b1)IB=(b1+b2+b1b2)IB
(a) 共集—共集组合电路 (b) 复合管
图2.7.12
复合管的电流放大系数
(2.7.4)
复合管的电流放大系数近似为两管电流放大系数的乘积。
复合管的输入电阻
rbe=rbe1+(1+b1)rbe2
(2.7.5)
值得注意的是,由于T1管的静态基极电流(IB1≈IC2/b1b2)很小,工作点Q1接近截止区。
为了克服这一缺点,有时在T1管的射极接一只电阻到地,用来提高Q1点。
运用复合管的概念,共集—共集组合电路可以看成是用一只管子构成的共集电极电路。
复合管除了用两只同类型的管子外,还可以用两只不同类型的管子复合,称为互补型复合管,如图2.7.13所示。
(a) NPN型 (b)PNP型
图2.7.13 互补型复合管
用上面同样的分析方法,可得互补型复合管的电流放大系数和输入电阻分别为
b2≈b1b2
rbe=rbe1
从原则上讲,不同类型的多只三极管都可以复合成一只复合管,原则是串联点的电流必须连续,并联点的电流必须相加,复合管的类型与第一只三极管的类型相同。
2.7.5. 共射—共基电路
(a) (b)
图2.7.14 共射—共基组合电路
在图2.7.14(a)电路中,T1为共发射极电路,T2为共基极电路,采用直接耦合方式,所以称为共射—共基组合电路,2.7.14(b)为交流通路。
1.
静态工作点
VCE1=VB2-VBE2-IE1Re
VCE2=VCC-IC2Rc-VCE1
2.
电压放大倍数
设两只三极管的b1=b2=b,则有rbe1=rbe2=rbe
虽然组合电路的电压放大倍数只相当于共发的电压放大倍数,但它有较宽的通频带,在高频电路中得到广泛地运用。
2.7.6. 共集—共基电路
图2.7.15
在图2.7.15电路中,T1为共集电极电路,T2为共基极电路,采用直接耦合方式,所以称为共射—共基组合电路。
设两只三极管的b1=b2=b,则有rbe1=rbe2=rbe
T1的电压放大倍数
上式表明,当共集电路后面接共基电路时,共集电路的电压放大倍数为1/2,而不是1。
T2的电压放大倍数
组合电路的电压放大倍数
输入电阻
上两式表明,组合电路的电压放大倍数只有共基电路的一半,输入电阻为两管输入电阻之和。
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