第四章放大電路性能的提高方法

放大電路性能的提高方法4.1多級(jí)放大電路將多個(gè)單級(jí)基本放大電路合理聯(lián)接，構(gòu)成多級(jí)放大電路組成多級(jí)放大電路的每一個(gè)基本電路稱為一級(jí)，級(jí)與級(jí)之間的連接稱為級(jí)間耦合。4.1.1多級(jí)放大電路的耦合方式常見(jiàn)的耦合方式：

直接耦合阻容耦合變壓器耦合4.1多級(jí)放大電路4.1.1多級(jí)放大電路的耦合方式阻容耦合特點(diǎn)：靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，在分立元件電路中廣泛使用。在集成電路中無(wú)法制造大容量電容，不便于集成化，盡量不用。C1RC1Rb1+VCCC2RL++T1++Rc2Rb2C3T2+第一級(jí)第二級(jí)4.1多級(jí)放大電路直接耦合特點(diǎn)：(1)

可以放大交流和緩慢變化及直流信號(hào)；

(2)

便于集成化。(3)各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響；基極和集電極電位會(huì)隨著級(jí)數(shù)增加而上升；

(4)零點(diǎn)漂移（如何克服）。Rc1Rb1+VCC+T1+Rc2Rb2T24.1多級(jí)放大電路變壓器耦合變壓器可以通過(guò)磁路的耦合把原邊的交流信號(hào)傳送到副邊，因此它可以作為耦合元件。圖中第一級(jí)晶體管V1的集電極電阻Rc1換成了變壓器T1的原邊繞組，變化的電壓或電流經(jīng)T1的副邊繞組加到晶體管V2的基極進(jìn)行第二次放大，而T2把放大了的交流電壓和電流加到負(fù)載RL上去。4.1多級(jí)放大電路特點(diǎn)：（1）前后綴靜態(tài)工作點(diǎn)也是相互獨(dú)立的，因?yàn)樽儔浩鞑荒軅魉椭绷餍盘?hào)。這樣，在電路的設(shè)計(jì)、計(jì)算和調(diào)試上都比較方便。（2）在傳送交流信號(hào)的同時(shí)，還可以進(jìn)行電壓、電流和阻抗的變換。一個(gè)阻值較小的負(fù)載，經(jīng)過(guò)變壓器的阻抗變換作用，可以變成放大器的最佳負(fù)載，使負(fù)載上得到最大輸出功率。由變壓器的工作原理可得

R'L為變壓器原邊的等效負(fù)載，RL為副邊的等效負(fù)載，n為變壓器原邊與副邊的匝數(shù)比?？梢?jiàn)只要適當(dāng)選擇匝數(shù)比n,就可以把副邊的負(fù)載RL變換成原邊所需要的數(shù)值R'L。

4.1多級(jí)放大電路變壓器耦合方式的缺點(diǎn)是：（1）高頻和低頻性能都比較差。很明顯，它不能傳送直流或變化緩慢的信號(hào),所以只能用于交流放大。（2）變壓器需要使用有色金屬和磁性材料，體積大、成本高，而且無(wú)法采用集成工藝。4.1多級(jí)放大電路4.1.2多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻電壓放大倍數(shù)總電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積，即其中，n為多級(jí)放大電路的級(jí)數(shù)。輸入電阻和輸出電阻通常，多級(jí)放大電路的輸入電阻就是輸入級(jí)的輸入電阻；輸出電阻就是輸出級(jí)的輸出電阻。4.2放大電路的頻率響應(yīng)4.2.1頻率響應(yīng)的基本概念在實(shí)際的放大電路中，由于耦合電容的存在，對(duì)信號(hào)構(gòu)成了高通電路，即對(duì)于頻率足夠高的信號(hào)電容相當(dāng)于短路，信號(hào)幾乎毫無(wú)損失地通過(guò)；而當(dāng)信號(hào)頻率低到一定的程度時(shí)，電容的容抗不可忽略，信號(hào)將在其上產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減小且產(chǎn)生相移。與耦合電容相反，由于半導(dǎo)體極間電容的存在，對(duì)信號(hào)構(gòu)成了低通電路，即對(duì)于頻率足夠低的信號(hào)相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)電路不產(chǎn)生影響；而當(dāng)信號(hào)頻率高到一定程度時(shí)，極間電容將分流，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)的數(shù)值減少且產(chǎn)生相移。4.2放大電路的頻率響應(yīng)Au和φu都是頻率的函數(shù)，分別稱為放大電路的幅頻特性和相頻特性。相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)0-90-180-270f0Au(倍數(shù))Au00.707Au0ffLfHBW4.2放大電路的頻率響應(yīng)2、頻率響應(yīng)及帶寬

(1)幅頻響應(yīng)及帶寬相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)0-90-180-270f0Au(dB)Au00.707Au0ffLfHBW(1)幅頻響應(yīng)及帶寬各種不同頻率的正弦波放大器放大器對(duì)不同頻率的放大量如圖所示此區(qū)域表示放大器對(duì)較低頻率的信號(hào)放大量較小,且隨著頻率的升高放大量逐漸增大。此區(qū)域表示放大器對(duì)較高頻率的信號(hào)放大量亦較小,且隨著頻率的升高放大量逐漸減小。此區(qū)域表示放大器對(duì)中頻段的信號(hào)放大量是最大的,并且對(duì)中頻率各成份放大量一樣。用倍數(shù)表示的放大增益上述放大器的性能隨輸入信號(hào)頻率的不同而變化的規(guī)律稱為頻率響應(yīng)。放大器的增益隨頻率變化的規(guī)律，叫做幅頻響應(yīng)。4.2放大電路的頻率響應(yīng)2、頻率響應(yīng)及帶寬(1)幅頻響應(yīng)及帶寬上限頻fH和下限頻fL在工程上,有一個(gè)很重要的量，稱為通頻帶BW。在幅頻響應(yīng)曲線(亦稱幅頻特性曲線)上找出放大量為最大值的0.707倍的點(diǎn)，然后作一條水平線。相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)0-90-180-270f0Au(dB)Au00.707Au0ffLfHBW用倍數(shù)表示的放大增益此線與曲線在高頻段上的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為上限頻率fH。此線與曲線在低頻段上的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為下限頻率fL。4.2放大電路的頻率響應(yīng)

通頻帶BW=fH-fL帶寬BW=fH-fL在工程設(shè)計(jì)上，處于通頻帶BW內(nèi)的各種頻率的信號(hào)可視為能通過(guò)放大器并得到同一放大量，在通頻帶以外的各種頻率的信號(hào)可視為得不到放大而受到衰減。通頻帶的名稱來(lái)由于此。相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)0-90-180-270f0Au(dB)Au00.707Au0ffLfHBW用倍數(shù)表示的放大增益上限頻率fH與下限頻率fL之差稱為通頻帶，簡(jiǎn)稱為帶寬BW。(1)幅頻響應(yīng)及帶寬4.2放大電路的頻率響應(yīng)由于放大電路的通頻帶有一定的限制，因此對(duì)不同頻率的信號(hào)，放大倍數(shù)的幅值不同，相位也不同。當(dāng)輸入信號(hào)包含多次諧波時(shí)，經(jīng)過(guò)放大電路以后，由于各次諧波被放大的倍數(shù)不同，輸出后總的波形必將產(chǎn)生失真，這種現(xiàn)象稱為放大電路的頻率失真。顯然，通頻帶越寬，頻率失真越小。4.2放大電路的頻率響應(yīng)4.2.2影響通頻帶寬度的主要因素影響下限頻率fl的因素在低頻范圍內(nèi)，級(jí)間耦合電容的容抗變大對(duì)電路的工作將產(chǎn)生明顯的影響。此外，電路的輸入電阻ri對(duì)下限頻率fl也有影響。影響上限頻率fh的因素在高頻范圍內(nèi)，耦合電容的作用顯然可以忽略不計(jì)，但此時(shí)晶體管的結(jié)電容（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的結(jié)電容）、電路的分布電容卻對(duì)電流有很強(qiáng)的分流作用，從而使放大倍數(shù)下降。此外，晶體三極管的β值在高頻時(shí)也會(huì)下降，這也將導(dǎo)致放大倍數(shù)下降?？傊?，為了提高上限頻率，必須選用結(jié)電容小、特征頻率fT高4.2放大電路的頻率響應(yīng)4.2.3多級(jí)放大電路的頻率響應(yīng)多級(jí)放大電路的幅頻特性和相頻特性曲線是各級(jí)頻率特性曲線的疊加，多級(jí)放大電路的頻率特性曲線如圖。多級(jí)放大電路的通頻帶要比組成它的每一級(jí)的通頻帶窄。4.3放大電路中的反饋4.3.1反饋的基本概念反饋概念的建立在基本放大器中，信號(hào)由輸入端加入，經(jīng)過(guò)放大電路放大后，從輸出端取出，這是信號(hào)的正向傳輸方向。“饋”是輸送的意思，反饋就是信號(hào)（部分或全部）從輸出端反向送回輸入端。用以實(shí)現(xiàn)反方向傳輸信號(hào)的電路稱為反饋電路，帶有反饋電路的放大器稱為反饋放大器反饋的一般表達(dá)式

反饋放大電路的方框圖AFXi'XiXfXo4.3放大電路中的反饋反饋放大電路的基本關(guān)系式有：（1）基本放大電路的放大倍數(shù)：即電路未引入負(fù)反饋時(shí)的放大倍數(shù)，也稱負(fù)反饋電路的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。（2）反饋系數(shù)：（3）反饋放大倍數(shù)：即電路引入負(fù)反饋后的放大倍數(shù)，也稱負(fù)反饋電路的閉環(huán)放大倍數(shù)。引入負(fù)反饋后的凈輸入信號(hào)為：整理后可得：式中，是一個(gè)描述負(fù)反饋量大小的物理量，稱為反饋深度。反饋深度越大，負(fù)反饋放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)Af與基本放大電路的放大倍數(shù)A相比，其減小的量也越大4.3放大電路中的反饋4.3.2反饋的分類和判別正反饋和負(fù)反饋根據(jù)反饋的極性的不同，可以分為正反饋和負(fù)反饋。若送回輸入回路的反饋信號(hào)使輸入信號(hào)減小，則稱為負(fù)反饋；反之，稱為正反饋。若AF為正，則Af<A,為負(fù)反饋；若AF為負(fù)，則Af>A,為正反饋。將與相乘，可得：可見(jiàn)Xf與Xi'相同時(shí)，AF為正，電路為負(fù)反饋；Xf與Xi'反相時(shí)，AF為負(fù)，電路為正反饋。因此，可根據(jù)Xf與Xi'的相位，用“瞬時(shí)極性法”來(lái)判斷反饋極性例題見(jiàn)書(shū)4.3放大電路中的反饋判斷圖中電路的反饋極性4.3放大電路中的反饋電壓反饋與電流反饋判斷是電壓反饋還是電流反饋時(shí)，常用“輸出短路法”，即假設(shè)負(fù)載短路（RL=0），使輸出電壓uo=0，看反饋信號(hào)是否還存在。若存在，則說(shuō)明反饋信號(hào)與輸出電壓成比例，是電壓負(fù)反饋；若反饋信號(hào)不存在了，則說(shuō)明反饋信號(hào)不是與輸出電壓成比例，而是和輸出電流成比例，是電流負(fù)反饋。

4.3放大電路中的反饋串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系，可以分成串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋兩類。判斷是串聯(lián)負(fù)反饋還是并聯(lián)負(fù)反饋主要是根據(jù)反饋信號(hào)、原輸入信號(hào)和凈輸入信號(hào)在電路輸入端的連接方式和特點(diǎn)，判斷方法有兩種：1.若反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是在輸入端以電流方式求和的，則為并聯(lián)負(fù)反饋；若反饋信號(hào)和輸入信號(hào)是在輸入端以電壓方式求和的，即為串聯(lián)負(fù)反饋。2.將輸入信號(hào)交流短路后，若反饋信號(hào)消失了，則為并聯(lián)反饋；否則為串聯(lián)反饋。

4.3放大電路中的反饋4.3.3反饋放大器的四種基本類型按照反饋網(wǎng)絡(luò)與基本放大電路在輸出、輸入端的連接方式不同，負(fù)反饋電路具有4種典型反饋形式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電流串聯(lián)負(fù)反饋；電流并聯(lián)負(fù)反饋。4.3放大電路中的反饋試判別圖中電路的反饋類型4.4負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響電路中引入負(fù)反饋后，一般造成電壓放大倍數(shù)的下降，反饋電壓IeRe越大，電壓放大倍數(shù)下降越多。雖然負(fù)反饋引起Au下降，但換來(lái)的卻是放大電路穩(wěn)定性的提高。提高放大電路的穩(wěn)定性，是放大電路中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大，并聯(lián)負(fù)反饋則使輸入電阻減小。電壓負(fù)反饋使輸出電阻減??；電流負(fù)反饋使輸出電阻增加。當(dāng)輸入正弦信號(hào)的幅度較大時(shí)，輸出波形引入負(fù)反饋后，將使放大電路的閉環(huán)電壓傳輸特性曲線變平緩，線性范圍明顯展寬。在深度負(fù)反饋條件下，若反饋網(wǎng)絡(luò)由純電阻構(gòu)成，則閉環(huán)電壓傳輸特性曲線在很寬的范圍內(nèi)接近于直線，即負(fù)反饋可減小放大電路的非線性失真。既然負(fù)反饋具有穩(wěn)定放大電路的作用，當(dāng)然信號(hào)頻率的變化引起的電壓放大倍數(shù)的變化