多級放大電路


定義:
耦合方式、阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合、零點漂移、零漂

耦合方式:多級放大電路內部各級之間的連接方式稱為耦合方式。常用的耦合方式有三種,阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合。

阻容耦合:電路的第一級與第二級之間通過電阻和電容元件相連接,故稱為阻容耦合放大電路。

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特點:

1.各級的靜態工作點各自獨立,互不影響,這是因為前后級之間通過電容連接,級與級之間的直流通路是斷開的;

2.信號能夠得到充分的利用,因為,當耦合電容的容值足夠大時,在一定的頻率范圍內,前一級的輸出信號將幾乎不衰減地傳送到后一級的輸入端。

3.缺點:不適合傳送緩慢變化的信號, 當緩慢變化信號通過電容時,將被嚴重地衰減;集成電路工藝很難制造大容量的電容,阻容耦合方式在集成放大電路中無法采用。

變壓器耦合:變壓器能夠通過磁路的耦合將一次側的交流信號傳送到二次側,所以,也可以作為多級放大電路的耦合元件。如圖,變壓器T1將第一級的輸出信號傳送給第二級,變壓器T2將第二級的輸出信號傳送給負載。

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特點:變壓器耦合方式具有阻抗變換作用,可以利用變壓器的這一特點組成功率放大電路,因為等效負載電阻會變大;前后級的直流通路互相隔離,因此各級靜態工作點互相獨立;缺點是變壓器比較笨重,無法集成化,緩慢變化的信號和直流信號也不能通過變壓器。

直接耦合:將前級的輸出端直接或者通過電阻接到后一級的輸入端。直接耦合放大電路既能放大交流信號,又能放大緩慢變化信號和直流信號,也便於實現集成化。簡單地將兩個單管放大電路直接連在一起有可能使放大電路不能正常工作,如果三極管 VT1的集電極電位與VT2的基極電位相等,約為0.7V左右,此時VT1的靜態工作點接近飽和區,無法正常進行放大。

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解釋:硅管靜態工作點Ubeq=0.6-0.8,VT1的集電極電位也是0.7的話就偏低了,就會容易出現飽和失真,如下圖。

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為了使直接耦合的兩個放大級各自都有合適的靜態工作點,有幾種辦法:

下面是第一種辦法,T2的發射極接入一個電阻Re2,提高了第二級的發射極電位Ue2和基極電位Ub2。從而使第一級的集電極具有較高的靜態電位,避免工作在飽和區。接入 Re2后,將使第二級的放大倍數下降。

解釋,為什么使第一級的集電極具有較高的靜態電位,是因為第一級集電極電位就是第二極的基極電位;為什么第二級基極電位增加了,因為發射極電位增加,然后第二級Ubeq=0.6-0.8(電子到基區,基區是P型,基區多子是空穴,電子空穴復合,產生基極電流Ibn,基區空穴濃度低,基區薄,電子在基區與空穴復合的少,基極電流小),由於Ue增加了,那么Ub就得增加。

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下面是第二種辦法,用穩壓管VDz代替圖(a)中的Re2。因為穩壓管的動態內阻通常很小,一般在幾十歐的數量級,因此第二級的放大倍數不致下降很多,而且接入穩壓管相當接入一個固定電壓,使VT2集電極的有效電壓變化范圍減小。

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解釋:穩壓管的伏安特性曲線如下,實現穩壓的原理就是,二極管工作在反向擊穿區,反向電流變化大,但是管子兩端電壓變化小,穩定電壓Uz:穩壓管工作在反向擊穿區時的工作電壓,型號2DW7C穩壓管,穩定電壓在6.1-6.5V之間(看下圖那個U左邊從原點到電流變化大的那一段就是穩定電壓的值)。所以說接入穩壓管相當接入一個固定電壓。

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前兩種辦法,當耦合的級數更多時,集電極的電位將愈來愈高。為了保證三極管工作在放大區,必須使發射結正向偏置,集電結反向偏置,對於NPN三極管,要求Ube>0,Ubc<0,也就是集電極電位要高於基極電位。如果級數增多,由於集電極電位逐級上升,最終將因電源電壓的限制而無法實現。

解釋:為什么集電極的電位將愈來愈高,因為集電極是輸出的放大的信號,經過好幾個放大,電位升高。為什么由於集電極電位逐級上升,最終將因電源電壓的限制而無法實現,因為外加電源極性應使集電結反向偏置,反向偏置:PN結外加電壓V,正極接N區,負極接P區。這里面三極管NPN,所以集電極是N區,正極接N區。那么就明白了集電極電位其實就是電源電壓給的,所以集電極電位逐級上升,那也就說明外加電壓Vcc就得上升。

下圖是把前一級的集電極經過一個穩壓管再接至后級的基極,這樣既降低了第二級基極的電位,又不致於使放大倍數損失太大。

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下面這個電路后級采用了 PNP管,由於PNP管的集電極電位比基極電位低,因此,即使耦合的級數較多,也可以使各級獲得合適的工作點,而不至於造成電位逐級上升。

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零點漂移現象:直接耦合方式帶來的主要問題是存在零點漂移現象,假設將一個直接耦合放大電路的輸入端對地短路,並調整電路使輸出電壓也等於零。從理論上說,輸出電壓應一直為零保持不變,但實際上,輸出電壓將離開零點,緩慢地發生不規則的變化。

產生零點漂移的主要原因是:放大器件的參數受溫度的影響而發生波動,導致放大電路的靜態工作點不穩定,而放大級之間又采用直接耦合方式,使靜態工作點的緩慢變化逐級傳遞和放大。一般直接耦合放大電路放大倍數越高,零點漂移問題越嚴重。

零漂—零點漂移的技術指標:通常用折合到放大電路輸入端的零漂來衡量,即將輸出端的漂移電壓除以電壓放大倍數。對於一個高質量的直接耦合放大電路,要求它既有很高的電壓放大倍數,零點漂移又比較低。

抑制零點漂移方法:引入直流負反饋以穩定Q點來減小零點漂移;利用熱敏元件補償放大管的零漂,在放大電路中接入另一個對溫度敏感的元件,如熱敏電阻、半導體二極管等,使該元件在溫度變化時產生的零漂,能夠抵消放大三極管產生的零漂。如下圖,放大管VT1的基極引入了另一個接成二極管的三極管VT2當溫度升高時,放大管的集電極電流將增大,但與此同時,VT2的發射結電壓Ube2將減小,使VT1的基極電位Ubi降低,導致Ic1減小,從而補償了輸出端的零點漂移;將兩個參數對稱的單管放大電路接成差分放大電路的結構形式,使輸出端的零漂互相抵消。

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多級放大電路的電壓放大倍數:等於各級電壓放大倍數的乘積。


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