3.3 多级放大电路

由一只晶体管组成的基本组态放大器往往达不到所要求的放大倍数，或者其他指标如输入输出电阻、输出功率、通频带等达不到要求。这时，可以将基本组态放大器作为一级单元电路，将其一级一级地连接起来构成多级放大器，以实现所需的技术指标。多级放大器又称为级联放大器。

3.3.1 多级放大器耦合方式

多级放大器级与级之间，信号源与放大器之间，放大器与负载之间的连接方式，或者说信号传输方式，称为耦合方式。耦合方式有电容耦合（又称阻容耦合）、变压器耦合、直接耦合和光电耦合等类型。

1.电容耦合

如图3-48所示为一个电容耦合两级共射放大器。该电路依靠耦合电容C1、C2和C3来实现信号源—前级放大器—后级放大器—负载之间的连接和信号传输。

由于耦合电容的“隔直流”作用，使得各级放大器的直流通路是相互独立的，从而使各级工作点互不影响，独立计算十分方便。又因耦合电容的“通交流”作用，使得前级的输出电压就是后级的输入电压。但是，如果输入信号的频率很低，耦合电容对信号的容抗增大，电容不能再视为交流短路，这时电容上产生信号电压具有分压作用，从而造成信号电压的传输损失，使得输出电压减小，电压增益降低。因此，电容耦合放大器不能放大变化十分缓慢的直流信号。电容耦合放大器是一种交流放大电路。

图3-48中的电感Lc和电容Cc是实用电路中经常被采用的电源去耦电路，用来消除放大器各级之间的共电耦合。下面对共电耦合现象给予解释：由于实际的电源EC并非理想的恒压源，总存在着一定的内阻rC，如果没有电源去耦电路，后级的信号电流流入电源后，在rC上产生的电压会反馈（回送）到前级的输入端，这种反馈可能会造成放大器的自激。在音频放大电路中，这种自激会使得扬声器发出啸叫声。电感Lc和电容Cc接入后，使两级信号电流ic1和ic2被感抗很大的电感Lc“阻断”，又经容抗很小的电容Cc“旁路”到地，这样ic1和ic2就不会流入电源EC，流经电源的电流只有两级的直流电流IC1和IC2。从滤波器的观点来看，电源去耦电路就是一种低通滤波器。设计滤波器的截止频率时，应使其远低于放大器的信号频率，使信号电流无法经滤波器进入电源。

在低频放大电路中，如果要使感抗ωLc很大而容抗l/ωCc很小，电感Lc和电容Cc势必很大。大电感由于体积大且寄生参数复杂，用在电路中有时会适得其反。故在电源去耦电路中，也常常用电阻代替电感。当然，这种代替是有代价的，电阻要消耗能量，电阻上的直流压降会使放大器的供电电压降低。

2.变压器耦合

变压器耦合是利用电磁感应原理将变压器初级绕组上的交流电压传送到次级绕组。如图3-49所示，就是一个变压器耦合两级CE放大电路。

由于变压器不能传送直流电流、电压，所以变压器耦合放大器前后级工作点相互独立，工作点计算调整十分方便。变压器耦合最大的优点是可以用它来实现阻抗变换，把实际负载变换为我们所需的等效负载。在图3-49中，如果设变压器Tr3的初级与次级的匝数比为n（n=N1/N2）。由电路理论可知，对理想变压器而言，Tr3初级等效交流电阻R′L=n2RL。如果改变匝数比n，使R′L等于放大器所需的最佳输出电阻，负载RL上就可以获得最大输出功率。即通过变压器的阻抗变换实现了放大器与负载之间的功率匹配。但是，由于实际的低频变压器体积大、笨重、成本高且频率特性差，因此，变压器耦合放大器多用于射频（高频）放大电路，例如高频模拟电路中的小信号调谐放大器。

3.直接耦合

当需要传送和放大频率很低的直流信号时，电容耦合和变压器耦合方式都不能采用，而必须采用前级输出与后级输入直接连接的耦合方式。此外，在半导体集成电路中，由于大电容集成很困难，也无法集成电感，因此集成电路内部各级之间一定是直接耦合的电路设计。

由于省去了电抗元件做耦合，如果电路中也没有其他诸如旁路电容之类的电抗元件，则直接耦合放大器可以放大频率低到零的直流信号，即直接耦合放大器可以作为直流放大器。请注意：直流放大器并不是只能放大直流信号的放大器，而是指被放大信号的频率即使降低到零也能被正常放大。显然，直接耦合放大器电路更简洁。但是，直接耦合放大器也存在如下一些特殊问题。

（1）直接耦合放大器前后级直流电平必须正确配合

由于直接耦合造成放大器前后级工作点不再独立，而是互相影响，在设计电路时，必须使前后级电平正确配合才能保证各级的晶体管都工作在放大区。例如，在图3-48中，如果两级放大器之间无耦合电容（C2 短路），前级集电极输出与后级基极输入直接耦合，由于UCE1 =UBE2≈0.7 V，表明VT1的集电极电位被钳位在0.7 V，使得VT1的集电结无法得到反偏电压，VT1将工作在靠近饱和区；VT2 也会因电流过大而饱和。为了解决这一问题，可以用稳压管将VT2发射极的直流电位抬高，如图3-50所示，VT2 的基极电位也因此抬高，VT2的基极与VT1 的集电极直接相连时，就可以保证VT1 的集电结反偏，工作在放大区。图2.50中Rz是稳压管VDZ的限流电阻，为稳压管提供合适的偏置电流，使稳压管工作在稳压状态。

使前后级电位能正确配合的另一解决办法是将第二级改为PNP管，如图3-51所示。图中也使用了稳压管来降低VT2的基极电位，使其能与VT1的集电极电位配合。

这种使前后级电位正确配合的电路称为电平偏移电路，它是集成放大器设计中必须考虑的问题。

（2）直流放大器的零输入和零输出条件

在直流放大器中，如果在静态时输入口和输出口的直流电压不为零，那么接入信号源和负载后，就会有直流电流流过信号源和负载，同时工作点也会发生变化。为了解决这一问题，在设计直流放大器时，希望放大器输入口和输出口的静态直流电压为零。这就是直流放大器的零输入和零输出条件。如果放大器采用正负双电源供电，并合理设计电平偏移电路，就能使直流放大器实现零输入和零输出条件。

（3）零点漂移问题

直接耦合放大器在静态时，输出端直流电压会出现缓慢变化的现象，称为零点漂移，简称零漂。产生零漂的主要原因是环境温度的变化，此时零漂又称为温漂。当环境温度变化时，引起晶体管参数（β、ICBO和输入、输出特性曲线）的变化，使得前级工作点发生缓慢漂移。这种漂移电压会因为直接耦合传到后级，经过后级放大后在输出口出现更大的漂移电压。当放大器工作时，负载上的漂移电压与信号输出电压混在一起，对输出信号形成干扰。如果输出信号小于温漂电压，则有用的信号便会“淹没”在温漂电压中而无法识别。因此，温度漂移可能使直接耦合放大器失去放大微弱信号的能力。克服温漂的有效方法是采用差动放大电路（见第4章）。

对于电容耦合和变压器耦合放大器，由于电容和变压器具有“隔直流”的作用，所以前级缓变的温漂电压不能通过电容和互感传到下一级，因此负载上没有温漂电压干扰。

3.3.2 多级放大器性能指标的计算

如图3-52所示为多级放大器的通用模型。由该图可知，在多级放大器中，后级放大器的输入电阻是前级放大器的负载，而前级放大器的输出电路是后级放大器的信号源。另外，在图3-52中，Auo1 ～Auon分别表示各级放大器的开路增益。

多级放大器的输入电阻就是第一级放大器的输入电阻，而未级放大器的输出电阻就是多级放大器的输出电阻。因此，求解多级放大器输入电阻和输出电阻的方法与单级放大器相同。即

在计算多级放大器的电压增益时，方法之一是求出各级放大器电压增益，然后将其相乘。但必须注意：一定要将后级的输入电阻作为负载来求前级增益。对于图3-52的模型，可求得其电压增益为

源电压增益为

电流增益为

此外，多级放大器的电流增益Ai和Ais，也可以通过先求各级电流增益然后相乘求得。但必须注意，前级的输出电流一定是后级的输入电流。

3.3.3 组合放大器

组合放大器是一些常用的双管级联放大器，但这些级联放大器的目的并不是为了提高电压增益，而是为了改善放大器的其他指标，如展宽放大器的频率范围，防止自激等。本节主要讨论工程中常用的几种组合电路中频段指标的计算，以此学习多级放大器的分析计算方法。

1.共射-共基（CE-CB）组合放大器

图3-53是共射-共基组合放大器的一种电路结构。该电路前后级间采用直接耦合，信号由VT1 的基极输入、集电极输出，所以VT1构成共射电路。第一级VT1 集电极的输出信号直接输入第二级VT2的发射极，信号由VT2 的集电极输出，所以VT2构成共基电路。

（1）直流通路、静态工作点

该放大器的直流通路如图3-54所示。由直流通路，可以估算出该放大器的静态工作点：

（2）交流参数的分析

该放大器的交流通路如图3-55所示。由于Cb是VT2基极的旁路电容，所以画交流通路时VT2 的基极应对地短路。另外图中Rb=R2∥R3。如果设两管的β相等，且不计基区宽调效应（即rce=∞），该放大器的微变等效电路如图3-56所示。

根据CE和CB放大器输入电阻和输出电阻的求解方法，可分别求出该组合放大器的输入电阻和输出电阻为

第二级CB放大器的输入电阻Ri2 =rbe2/（1+β），Ri2就是第一级CE放大器的负载电阻。根据基本组态放大器的公式，很容易写出

将Ri2代入式（3-106）就可求得Au。如果两管的小信号参数相同，则

观察式（3-107）发现：CE-CB组合电路的Au与单级CE放大器相同，这说明该组合电路并非为了提高Au。其实，由于第一级的负载是CB放大器的输入电阻，因此第一级负载电阻极小，这使得Au1≈1。CE-CB组合电路的电压增益主要是第二级CB放大器贡献的。

但是，第一级CE放大器负载电阻的减小有利于该级输出回路时间常数的减小，可以使高频截止频率大大提高，从而展宽了放大器的通频带。另外，这种组合电路用做高频放大器时稳定性好，不易自激。这些才是该电路的优点。

2.共源-共栅（CS-CG）组合放大器

图3-57是共源-共栅组合放大器的一种电路结构。该电路前后级间采用直接耦合，信号由VT1的栅极输入，漏极输出，所以VT1 构成共源电路。第一级VT1 漏极的输出信号直接输入第二级VT2的源极，由VT2的漏极输出，所以VT2构成共栅电路。

（1）直流通路、静态工作点

该放大器的直流通路如图3-58所示。由直流通路，利用下面的公式，可以估算出该放大器的静态工作点：

（2）交流参数的分析

该放大器的交流通路如图3-59所示。由于CG为VT2栅极的旁路电容，所以画交流通路时VT2的栅极应对地短路。另外图中RG=R2∥R3。如果设两管的gm相等，且不计沟道宽调效应（即rds=∞），该放大器的微变等效电路如图3-60所示。

根据共源（CS）和共栅（CG）放大器输入电阻和输出电阻的求解方法，可分别求出该组合放大器的输入电阻和输出电阻为

第二级CG放大器的漏极电流id2 =gmugs2就等于第一级CS放大器的漏极电流id1 =gmugs1，即gmugs2 =gmugs1。而输入电压ui=ugs1，很容易写出

观察式（3-113）发现，CS-CG组合电路的Au与单级CS放大器相同，这说明该组合电路并非为了提高Au。其实，与CE-CB组合电路具有相同的特点，可以展宽放大器的通频带。这种组合电路用做高频放大器时稳定性好，不易自激。这些才是该电路的优点。

3.共射-共集（CE-CC）组合电路

图3-61是共射-共集组合放大器的一种电路结构。该电路前后级间采用电容耦合，即两级之间静态工作点相互独立。该放大器的直流通路如图3-62所示，该电路静态工作点的估算请读者自行完成。

该放大器的交流通路如图3-63所示，微变等效电路如图3-64所示。利用微变等效电路可分别求出该放大器的交流参数。

输入电阻

输出电阻

其中，R′s2 =Rc∥Rb3（忽略了BJT的基区宽调效应）。

电压增益

式中

由以上分析可以看出，尽管CE-CC组合放大电路的电压增益与单级CE放大电路的基本相同，但CE-CC组合电路的输出电阻很小，显然负载能力大大提高了。

4.共源-共漏（CS-CD）组合电路

图3-65是共源-共漏组合放大器的一种电路结构。该放大器的直流通路如图3-66所示，该电路静态工作点的估算请读者自行完成。

该放大器的交流通路如图3-67所示，微变等效电路如图3-68所示。如果设两管的gm相等，不计rds，利用微变等效电路可分别求出该放大器的交流参数。

输入电阻

输出电阻

电压增益

其中，R′L=RS2∥RL。

由以上分析可以看出，尽管CS-CD组合放大电路的电压增益与单级CS放大电路的基本相同，但CS-CD组合电路的输出电阻很小，显然负载能力大大提高了。