第5章〓多级放大电路与集成运算放大器







多级放大电路是把多个基本放大电路连接起来组成的电路。第一级放大电路一般要求有较高的输入电阻，以减小信号源电流，而末级放大电路通常要求较低的输出电阻，因此多级放大电路中通常在第一级采用场效应管放大电路或者射极跟随器得到高输入电阻，在最后一级采用射极跟随器得到低输出电阻，与低阻的负载相匹配。各级放大电路之间的连接方式则称为耦合，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。

5.1多级放大电路的耦合方式

5.1.1直接耦合

直接耦合是将后级电路直接通过导线与前级相连，如图5.1.1所示。

图5.1.1中电阻Rc1既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻。

上述电路存在以下两个问题： 

(1) 严重的零点漂移现象。当输入信号为零时，前级温度变化所引起的电流、电位变化会被逐级放大。

(2) 前后级的直流电平需要匹配。求解Q点应按照各回路列多元一次方程，然后解方程组。

改进方法是设置合适的Q点以提高T2管的基极电位，具体方法如下： 

(1) 在T2管的发射极加电阻Re，如图5.1.2所示。加电阻Re后，第二级的Au2下降，Au2为
Au2=－β2R′Lrbe2+(1+β2)Re
(2) 在T2管的发射极加二极管或者稳压管。

(3) NPN管和PNP管混合使用。



图5.1.1直接耦合




图5.1.2带发射极电阻Re直接耦合




若只用NPN管，有UCQ1=UBQ2>UBQ1，UCQ2>UBQ2=UCQ1。若N级共射放大电路全部用NPN管，因UCQi>UBQi，所以UCQi>UCQ(i－1)(i=1~N)，以至于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适。



图5.1.3NPN管和PNP
管混合使用


如图5.1.3所示，NPN管和PNP管混合使用，可得


UCQ1=UBQ2>UBQ1
UCQ2<UBQ2=UCQ1


直接耦合具有以下优点： 

(1) 电路中没有电容和变压器，易于集成； 

(2) 能放大交流信号，同时也能放大缓变信号甚至直流信号。

直接耦合具有以下缺点： 

(1) 各级静态工作点Q相互影响，分析、设计和调试困难； 

(2) 前后级的直流电平需匹配； 

(3) 存在着严重的零点漂移现象。

5.1.2阻容耦合


阻容耦合是将后级电路通过电容器与前级相连。图5.1.4为阻容耦合多级放大电路。



图5.1.4阻容耦合


利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。

阻容耦合具有以下优点： 

(1) 各级之间直流通路不相通，Q点相互独立； 

(2) 设计、应用便于高频交流信号的放大。

阻容耦合具有以下缺点： 

(1) 耦合电容隔断直流，不能放大直流信号，且当信号频率较低时，放大倍数下降。

(2) 耦合电容容量大，不便于电路的集成。

5.1.3变压器耦合


变压器耦合是将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上的连接方式。

变压器耦合具有以下优点： 

(1) 变压器不能传输直流信号，具有隔直流作用，因此各级静态工作点相互独立，互不影响； 

(2) 在传输信号的同时，可以进行阻抗、电压、电流的变换，因此在分立元件功率放大电路中得到广泛应用设计。

变压器耦合具有以下缺点： 

(1) 变压器耦合低频特性较差； 

(2) 体积较大、较为笨重，不利于电路集成化。

5.1.4光电耦合

光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递。图5.1.5为光电耦合多级放大电路。



图5.1.5光电耦合


光电耦合器是将发光元件(发光二极管)与光敏元件(光电三极管)相互绝缘地组合在一起： 发光元件为输入回路，将电能转化成光能，光敏元件为输出回路，将光能再转换成电能，实现输入与输出电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。

5.2阻容耦合多级放大电路

对于单级放大电路而言，在实际应用中常常会受到对电路多种要求的限制而无法进行选用，比如，实际所需的输出电压值可能超过一个单级放大电路所能达到的最大值，而此时可以对多个单级放大电路进行不同的组合，构成多级放大电路。通过对多级放大电路的设计，可以产生更高的增益和指定输入和输出电阻特性。常见的二级放大电路如图5.2.1所示。



图5.2.1常见的二级放大电路


多级放大电路也有着多种不同的耦合方式，常见的有阻容耦合、直接耦合、光电耦合和变压器耦合。

直接耦合是指将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端。直接耦合方式通常具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号，并且易于构成集成电路； 但是采用直接耦合方式时，各级之间的直流通路相连，因而静态工作点相互影响，存在零点漂移现象。阻容耦合方式是指将放大电路的前一级的输出端通过电容接到后一级的输入端。由于耦合电容的隔直流通交流作用，使得阻容耦合放大电路各级之间的直流通路不相通，各级的静态工作点相互独立，可以单独考虑各级放大器的静态工作点。对于交流输入信号，如果信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，但是阻容耦合放大电路不能对直流信号和超低频交流信号进行放大。变压器耦合方式是指将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上。变压器耦合方式如今已经基本上被集成功率放大电路取代。

本节主要探究阻容耦合方式连接的多级放大电路。图5.2.2为典型的两个N沟道增强型场效应管阻容耦合放大电路。



图5.2.2两个N沟道增强型场效应管阻容耦合放大电路


对多级放大电路进行分析时，通常将对多级电路的分析简化成对多个单级电路的分析，将前一级放大电路的输出电阻作为后一级放大电路的输入信号源内阻，或者将后一级放大电路的输入电阻作为前一级放大电路的负载电阻。由于多级放大电路中前一级放大电路的输出即为后一级电路的输入，因此多级放大电路的总放大倍数为各级电路放大倍数的乘积。

5.2.1静态工作点

阻容耦合电路中，前一级放大电路的输出端通过电容连接到后一级放大电路的输入端，适用于输入信号频率较高以及输出功率较大的情况。而由于耦合电容对直流电流的阻隔作用，使得阻容耦合电路的前一级放大电路与后一级放大电路之间的直流通路无法互通，各级放大电路的静态工作点可以当作相互独立，因此对各级放大电路的静态工作点的分析较为简单，只需对每一级电路进行单独分析。

当输入信号为零，直流电源单独作用时，放大电路的工作状态称为静态，而此时场效应管的栅极源极间电压UGSQ、漏极源极间电压UDSQ、漏极电流IDQ称为放大电路的静态工作点。静态工作点由直流通路所决定，通过设置合适的静态工作点，可以确保放大电路在不失真的前提下对信号进行放大。

对图5.2.3所示的N沟道增强型场效应管与晶体管阻容耦合放大电路进行分析。



图5.2.3N沟道增强型场效应管与晶体管阻容耦合放大电路


首先进行静态工作点的估算。只考虑直流分量的影响，将输入信号置为0，将电容视为开路。将电容视为开路后的等效电路如图5.2.4所示。



图5.2.4将电容视为开路后的等效电路


阻容耦合的连接方式下，由于电容的隔直流作用，各级放大电路的静态工作点相互独立，画出第一级放大电路的等效电路如图5.2.5所示。


图5.2.5第一级放大电路




UGS1Q=UG1=Rg11Rg11+Rg12UDD(5.2.1)
ID1Q=gm1(UGS1Q－UG′S1)(5.2.2)
UDS1Q=UDD－Rd1ID1Q(5.2.3)


式中


gm1=diD1duGS1Q=2IDO1UTN1UGS1QUTN1－1
UG′S1=UGS1Q+UTN12


第二级放大电路等效电路如图5.2.6所示。


图5.2.6第二级放大电路




UGS2Q=UG2=Rg21Rg21+Rg22UDD(5.2.4)
ID2Q=gm2UGS2Q－UG′S2(5.2.5)
UDS2Q=UDD－Rd2ID2Q(5.2.6)


式中


gm2=diD2duGS2Q=2IDO2UTN2UGS2QUTN2－1
UG′S2=UGS2Q+UTN22


第三级放大电路等效电路如图5.2.7所示。


IB3Q=UDD－Uon－UTRb3+rbe3+(1+β3)Re3(5.2.7)
rbe3=rbb′3+UTIB3Q(5.2.8)
IC3Q=β3IB3Q(5.2.9)
UCE3Q=UDD－Re3(IB3Q+IC3Q)≈UDD－Re3IC3Q(5.2.10)


式中： rbb′3为基极电阻。在常温下，UT≈26mV。



图5.2.7第三级放大电路


通过以上步骤对各级放大电路分别进行分析，即可求得静态工作点。

分析了增强型场效应管与晶体管阻容耦合放大电路之后，接下来进行对共源共源共漏放大电路的分析，如图5.2.8所示，对其静态工作点进行估算。



图5.2.8共源共源共漏放大电路



考虑直流通路，如图5.2.9所示，该电路由三级放大电路组成。



图5.2.9共源共源共漏放大电路的直流通路


共源共源共漏放大电路的第一级电路的小信号等效电路如图5.2.10所示。


UGS1Q=Rg11Rg11+Rg12UDD(5.2.11)
ID1Q=gm1(UGS1Q－UG′S1)(5.2.12)
UDS1Q=UDD－Rd1ID1Q(5.2.13)




图5.2.10共源共源共漏放大电路的第一级小信号等效电路


式中


gm1=diD1duGS1Q=2IDO1UTN1UGS1QUTN1－1
UG′S1=UGS1Q+UTN12


共源共源共漏放大电路的第二级电路的小信号等效电路如图5.2.11所示。


UGS2Q=Rg21Rg21+Rg22UDD(5.2.14)
ID2Q=gm2(UGS2Q－UG′S2)(5.2.15)
UDS2Q=UDD－Rd2ID2Q(5.2.16)




图5.2.11共源共源共漏放大电路的第二级小信号等效电路


式中


gm2=diD2duGS2Q=2IDO2UTN2UGS2QUTN2－1
UG′S2=UGS2Q+UTN22


共源共源共漏放大电路的第三级电路的小信号等效电路如图5.2.12所示。


UGS3Q=Rg31Rg31+Rg32UDD－Rs3ID3Q(5.2.17)
ID3Q=gm3(UGS3Q－UG′S3)=IDO3UGS3QUTN3－12(5.2.18)
gm3=diD3duGS3Q=2IDO3UTN3UGS3QUTN3－1(5.2.19)
UG′S3=UGS3Q+UTN32(5.2.20)
UDS3Q=UDD－Rs3ID3Q(5.2.21)




图5.2.12共源共源共漏放大电路的第三级小信号等效电路



5.2.2基本性能

在多级放大电路中，输入电阻基本上等于第一级放大电路的输入电阻，而输出电阻约等于末级放大电路的输出电阻。通常情况下，多级放大电路与单级放大电路相比，电压增益会变大，而通频带会变窄。

图5.2.13为三级放大电路的小信号等效模型。



图5.2.13三级放大电路的小信号等效模型


对于输入电阻Ri，如图5.2.14所示，有


ui=Ri1ii
Ri=uiii=Ri1iiii=Ri1(5.2.22)




图5.2.14三级放大电路的小信号等效模型(1)


对于空载电压放大倍数Auoc，如图5.1.15所示，有


uoc=Auoc3ui3=Auoc3uo2
=Auoc3Ri3Ro2+Ri3Auoc2ui2
=Auoc3Ri3Ro2+Ri3Auoc2uo1
=Auoc3Ri3Ro2+Ri3Auoc2Ri2Ro1+Ri2Auoc1ui
=Auoc3Au2Au1ui(5.2.23)

Auoc=uocui=Auoc3Ri3Ro2+Ri3Auoc2Ri2Ro1+Ri2Auoc1=Auoc3Au2Au1(5.2.24)




图5.2.15三级放大电路的小信号等效模型(2)


对于输出电阻Ro，如图5.2.16所示。



图5.2.16三级放大电路的小信号等效模型（3）


当uS=0时，ui=0，则有


Auoc1ui=0→ui2=0→Auoc2ui2=0→ui3=0→Auoc3ui3=0


所以根据uo=Ro3io，若在输出端加入测试信号，必然会产生相应的动态电流，则有


Ro=uoiouS=0=Ro3(5.2.25)


源电压倍数为


Aus=RLRo+RLRirS+Ri
=RLRo+RLAuoc3Ri3Ro2+Ri3Auoc2Ri2Ro1+Ri2Auoc1RirS+Ri
=Au3Au2Au1RirS+Ri
=Au3Au2Aus1
(5.2.26)

关于多级放大电路的一些基本性能指标，通过图5.2.8所示共源共源共漏放大电路来进一步分析。将原电路转化为图5.2.17所示等效电路。



图5.2.17多级放大电路的等效电路


图中： 


Rg1=(Rg11∥Rg12)+Rg13(5.2.27)
Rg2=(Rg21∥Rg22)+Rg23(5.2.28)
Rg3=(Rg31∥Rg32)+Rg33(5.2.29)


共源共源共漏放大电路的小信号等效电路如图5.2.18所示。



图5.2.18共源共源共漏放大电路的小信号等效电路


源漏电阻


rds1=UA1ID1Q→∞(5.2.30)
rds2=UA2ID2Q→∞(5.2.31)
rds3=UA3ID3Q→∞(5.2.32)


因此rds1、rds2、rds3可视为断路。


第一级小信号等效电路如图5.2.19所示。



图5.2.19第一级小信号等效电路





Ri=Ri1=Rg1(5.2.33)
Auoc1=－gm1Rd1(5.2.34)


令uS=0，所以ugs1=0，gm1ugs1=0，uo1=Rd1io1，可得




Ro1=uo1io1uS=0=Rd1(5.2.35)


第二级小信号等效电路如图5.2.20所示。


Ri2=Rg2(5.2.36)
Auoc2=－gm2Rd2(5.2.37)


令uS=0，所以ugs1=0，gm1ugs1=0，则ugs2=0，gm2ugs2=0，uo2=Rd2io2，可得


Ro2=uo2io2uS=0=Rd2(5.2.38)


第三级小信号等效电路如图5.2.21所示。



图5.2.20第二级小信号等效电路




图5.2.21第三级小信号等效电路




  Ri3=Rg3(5.2.39)

Auoc3=gm3Rs31+gm3Rs3(5.2.40)


令uS=0，得到ugs1=0→gm1ugs1=0→ugs2=0→gm2ugs2=0。

从图5.1.21中可以看出，ugs3=－uo，所以gm3ugs3=－gm3uo，则有


io=gm3uo+uoRs3(5.2.41)
Ro=Ro3=uoiouS=0=1gm3∥Rs3≈1gm3(5.2.42)


空载电压放大倍数为


Auoc=Auoc3Ri3Ro2+Ri3Auoc2Ri2Ro1+Ri2Auoc1
=Rg3Rd2+Rg3Rg2Rd1+Rg2gm3gm2gm1Rs3Rd2Rd11+gm3Rs3
(5.2.43)

源电压放大倍数为


Aus=RLRo+RLRiRs+RiAuoc
=RL1gm3+RLRg3Rd2+Rg3Rg2Rd1+Rg2Rg1Rs+Rg1gm3gm2gm1Rs3Rd2Rd11+gm3Rs3
(5.2.44)


例5.1在图5.2.22所示共源共源共漏放大电路中，UTN1=UTN2=UTN3=1V，IDO1=IDO2=IDO3=2mA，UA1=UA2=UA3→∞，Rs=0.2kΩ。试求： 

(1) 静态工作点Q1、Q2、Q3; 

(2) 输入电阻Ri、空载电压放大倍数Auoc、输出电阻Ro和源电压放大倍数Aus。



图5.2.22共源共源共漏放大电路举例


解： 画出等效电路图，首先进行静态工作点的分析，对多级放大电路进行逐级单独分析。第一级放大电路等效电路如图5.2.23所示。


UGS1Q=Rg11Rg11+Rg12UDD=11+5×12=2(V)
gm1=2IDO1UTN1UGS1QUTN1-1=2×2121－1=4(mS)
UG′S1=UGS1Q+UTN12=2+12=1.5(V)
ID1Q=gm(UGS1Q-UG′S1)=4×(2－1.5)=2(mA)
UDS1Q=UDD-Rd1ID1Q=12－5×2=2(V)
rds1=UA1ID1Q=UA12→∞




图5.2.23第一级放大电路等效电路


第二级放大电路等效电路如图5.2.24所示。


UGS2Q=Rg21Rg21+Rg22UDD=11+5×12=2(V)
gm2=2IDO2UTN2UGS2QUTN2-1=2×2121－1=4(mS)
UG′S2=UGS2Q+UTN22=2+12=1.5(V)
ID2Q=gm(UGS2Q-UG′S2)=4×(2－1.5)=2(mA)
UDS2Q=UDD-Rd2ID2Q=12－5×2=2(V)
rds2=UA2ID2Q=UA22→∞




图5.2.24第二级放大电路等效电路


第三级放大电路等效电路如图5.2.25所示。


UGS3Q=Rg31Rg31+Rg32UDD-RS3ID3Q=55+1×12－4ID3Q=10－4ID3Q
ID3Q=IDO3UGS3QUTN3-12=2UGS3Q1－12=2U2GS3Q－4UGS3Q+2




图5.2.25第三级放大电路等效电路


则有


8U2GS3Q－15UGS3Q－2=(UGS3Q－2)(8UGS3Q+1)=0
UGS3Q=2V
gm3=2IDO3UTN3UGS3QUTN3-1=2×2121－1=4(mS)
UG′S3=UGS3Q+UTN32=2+12=1.5(V)
ID3Q=gm3(UGS3Q-UG′S3)=4×(2－1.5)=2(mA)
UDS3Q=UDD-RS3ID3Q=12－4×2=4(V)
rds3=UA3IDO3=UA32→∞


图5.2.26为该共源共源共漏放大电路的小信号等效电路。


Rg1=(gg11∥Rg22)+Rg13=1000×51000+5+1000≈1000kΩ=1MΩ
Rg2=(gg21∥Rg22)+Rg23=1000×51000+5+1000≈1000kΩ=1MΩ
Rg3=(gg31∥Rg32)+Rg33=1000×51000+5+1000≈1000kΩ=1MΩ




图5.2.26共源共源共漏放大电路的小信号等效电路


第三级放大电路的小信号等效电路如图5.2.27所示。


图5.2.27第三级放大电路的小信号等效电路


Ri3=Rg3=1000kΩ
Auoc3=gm3Rs31+gm3Rs3=4×41+4×4≈0.94
Ro=Ro3≈1gm3=14=0.25(kΩ)
第二级放大电路的小信号等效电路如图5.2.28所示。


Ri2=Rg2=1000kΩ
Auo2=-gm2Rd2=－4×5=－20
Ro2=Rd2=5kΩ


第一级放大电路的小信号等效电路如图5.2.29所示。


Ri=Ri1=Rg1=1000kΩ
Auoc1=-gm1Rd1=－4×5=－20
Ro1=Rd1=5kΩ




图5.2.28第二级放大电路的小信号等效电路




图5.2.29第一级放大电路的小信号等效电路



所以该共源共源共漏放大电路的空载电压放大倍数为


Auoc=Auoc3Rg3Rd2+Rg3Auoc2Rg2Ro1+Ri1Auoc1
=0.94×10005+1000×－20×10005+1000×－20
≈372.3


源电压放大倍数为


Aus=RLRo+RLRiRs+RiAuoc=40.25+4×10000.2+1000×372.3≈350.3


对多级放大电路进行分析时，应先进行直流分析以求出静态工作点，再对电路进行交流分析以求出电路动态参数。只有各级电路都工作在合适的静态工作点时，才能对信号进行有效放大，并可求出相应的电路动态参数。


5.2.3频率特性

在实际应用中，多级放大电路所需要放大的信号往往不同于之前章节中所假定的输入信号Ui为单一频率的正弦波，由于电路中电抗元件的存在，放大电路对不同频率的输入信号也有着不同的放大能力，同时不同频率分量的信号通过放大电路的放大作用后还会产生不同程度的相移，因此还需要对放大电路的频率特性进行分析和讨论。

电路的频率特性包括幅频特性和相频特性两个部分： 幅频特性反映出信号放大倍数与频率之间的关系，通常用Au表示； 相频特性反映出输出信号与输入信号的相位差与频率的关系，通常用φ表示。

在多级阻容耦合放大电路中，多级放大电路的幅频特性等于各级放大电路幅频特性之积，即


Au=Au1×Au2×…×Aun(5.2.45)


相频特性等于各级放大电路相频特性之和，即


φ=φ1+φ2+…+φn(5.2.46)


多级阻容耦合放大电路的频率特性可综合表示为

20lgAu=20lgAu1+20lgAu2+…+20lgAun(5.2.47)


A·us=ZiZS+ZiZLZo+ZLA·uoc=ZiZS+ZiZLZo+ZLA·uoc3A·u2A·u1=A·u3A·u2A·us1(5.2.48)
A·u3=Au31－jfL3f1+jffH3，fL3=f2031+f2032
A·u2=Au21－jfL2f1+jffH2，fL2=f2021+f2022
A·u1=Aus11－jfL1f1+jffH1，fL1=f2011+f2012
A·us=A·u3A·u2A·us1
=Au31－jfL3f1+jffH3Au21－jfL2f1+jffH2Aus11－jfL1f1+jffH1
=Aus1－jfL1f1－jfL2f1－jfL3f1+jffH31+jffH21+jffH1
(5.2.49)


在多级放大电路中，由于电路中电容的存在，而对不同频率的信号产生不同的响应，对于高频信号的通过只会产生极少损失，对于低频信号则会表现出较大的容抗从而阻碍信号的通过。

对于任意一个放大电路，都可以找到一个确定的通频带，在通频带内放大电路对于信号的传输放大有着最好的表现。放大电路的通频带就是其上限截止频率fH和下限截止频率fL的差值。上限截止频率是指当频率等于fH时，|A·us|下降至0.707，并且当频率增大，幅值会继续下降，在上限截止频率fH处放大信号相移为-45°； 下限截止频率是指当频率等于fL时，|A·us|下降至0.707，并且当频率降低，幅值会继续下降，在下限截止频率fL处放大信号相移为+45°。

多级放大电路,增益等于各级放大电路增益之和，放大信号的相移也等于各级放大电路相移之和。

1. 高频特性

上限截止频率： 


A·us=Aus1+jffH31+jffH21+jffH1
A·us=Aus1+fHfH121+fHfH221+fHfH32
(5.2.50)


当f=fH时，|A·us|=|Aus|2，可得

1+fHfH121+fHfH221+fHfH32=2


1+fHfH121+fHfH221+fHfH32=1+fHfH12+fHfH22+fHfH32+…
≈1+fHfH12+fHfH22+fHfH32=2

fHfH12+fHfH22+fHfH32=f2H1f2H1+1f2H2+1f2H3=1

则fH=11f2H1+1f2H2+1f2H3


若fHifHj，则fH≈fHi； 若fHi=fHj，则fH=13fHi。其中： i,j=1,2,3； i≠j。

2. 低频特性

下限截止频率： 


A·us=Aus1－jfL1f1－jfL2f1－jfL3f


则|A·us|=|Aus|1+fL1f21+fL2f21+fL3f2
(5.2.51)


当f=fL时，|A·us|=|Aus|2，可得


1+fL1fL21+fL2fL21+fL3fL2=2


1+fL1fL21+fL2fL21+fL3fL2=1+fL1fL2+fL2fL2+fL3fL2+…
≈1+fL1fL2+fL2fL2+fL3fL2=2

fL1fL2+fL2fL2+fL3fL2=1f2L(f2L1+f2L2+f2L3)=1

则fL=f2L1+f2L2+f2L3


若fLifLj，则fL≈fLi； 若fLi=fLj，则fL=3fLi。其中： i,j=1,2,3； i≠j。

3. 全频率段频率特性


A·us=Aus1－jfL1f1－jfL2f1－jfL3f1+jffH31+jffH21+jffH1
=Aus1－jfL1f1－jfL2f1－jfL3f,f≤10max{fL1,fL2,fL3}min{fH1,fH2,fH3}
Aus，max{fL1,fL2,fL3}10max{fL1,fL2,fL3}≤f≤0.1min{fH1,fH2,fH3}min{fH1,fH2,fH3}
Aus1+jffH11+jffH21+jffH3，
f≥0.1min{fH1,fH2,fH3}max{fL1,fL2,fL3}(5.2.52)


上限截止频率： 


fH=11f2H1+1f2H2+1f2H3(5.2.53)


下限截止频率： 


fL=f2L1+f2L2+f2L3(5.2.54)


通频带： 


fBW=fH－fL≈fH(5.2.55)


阻容耦合场效应管共源共源晶体管共集放大电路： 


fH1=fH2，fH3→∞
fH=11f2H1+1f2H2=fH12(5.2.56)
fL1=fL2≈fL3
fL=f2L1+f2L2+f2L3≈3fL1(5.2.57)
fBW=fH－fL≈fH12－3fL1≈fH12(5.2.58)


对于多级放大电路，其下限截止频率比组成它的各单级放大电路都要高，上限截止频率比组成它的各单级放大电路都要低，而其通频带比组成它的各单级放大电路都要窄。

5.3多级放大电路仿真

5.3.1实验要求与目的

(1) 利用波特图仪测量单级放大电路的波特图。

(2) 利用波特图仪测量多级放大电路的波特图。

(3) 对比它们的不同。

5.3.2实验电路

单级放大电路和多级放大电路如图5.3.1和图5.3.2所示。



图5.3.1单级放大电路




图5.3.2多级放大电路

5.3.3实验步骤

(1) 测量单级放大电路。

如图5.3.3所示，中频放大倍数Au0=25dB。



图5.3.3测量单级放大电路(1)


如图5.3.4所示，上限截止频率fH=41.794MHz。



图5.3.4测量单级放大电路(2)


下限截止频率fL≈0Hz； 

通频带fBW=fH－fL≈fH=41.794(MHz)。

(2) 测量多级放大电路。

如图5.3.5所示，中频放大倍数Au0=50dB。



图5.3.5测量多级放大电路(1)


如图5.3.6所示，上限截止频率fH=4.209kHz。



图5.3.6图5.3.5测量多级放大电路(2)


如图5.3.7所示，下限截止频率fL≈0.1Hz。

通频带fBW=fH－fL≈fH=4.209(kHz)。



图5.3.7图5.3.5测量多级放大电路(2)



5.3.4结论

此处多级放大电路增益是单级放大电路增益的2倍，所以多级放大倍数是单级放大倍数的乘积，但多级放大电路频带会变窄。

习题

5.1多级放大电路的输入电阻基本上等于级的输入电阻，而多级放大电路的输出电阻约等于级的输出电阻。

5.2简述阻容耦合多级放大电路的优缺点。

5.3存在零点漂移现象的是哪一种常见耦合方式？

5.4为什么变压器耦合电路现在没能得到广泛应用？

5.5在光电耦合多级放大电路的传输过程中，经历了哪些形式的能量转换？

5.6在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于。

5.7在图P5.7中，用什么元件取代Re既可设置合适的静态工作点Q点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？



图P5.7


5.8二级放大电路如图P5.8所示，MOS管阈值电压为UTN，试求放大电路静态工作点。

5.9当M1和M2均工作在静态工作点时，画出如图P5.9所示放大电路的交流小信号等效模型。



图P5.8



图P5.9



5.10求出图P5.9所示放大电路的电压增益表达式。

5.11由场效应管和晶体管组成的电路如图P5.11所示，已知M1的gm和T1的β、rbe。当放大电路工作在合适的静态工作点时，试画出相应的交流等效模型，并写出电压放大倍数Au的表达式。

5.12多级放大电路如图P5.12所示，试求： 

(1) 在A点与地之间接入1kΩ电阻RL(T2断开)时的Au1;

(2) RL接在B点时的输入电阻Ri和输出电阻Ro，设rbe=1kΩ，β=100。假设C足够大。



图P5.11




图P5.12




5.13如图P5.13所示，放大电路工作在合适的静态工作点，试画出其交流等效模型，并求出放大电路增益以及输入输出电阻表达式。



图P5.13


5.14二级交流放大电路如图P5.14所示，已知场效应晶体管的gm=2mA/V，晶体管的β=50，rbe=600Ω。要求： 

(1) 画出放大电路的在合适工作点下的交流小信号等效模型； 

(2) 计算多级放大电路放大倍数； 

(3) 说明前级采用场效应晶体管、后级采用射极输出放大电路的作用。



图P5.14


5.15场效应管与晶体管组成的多级放大电路如图P5.15所示。已知场效应管的gm=0.8mS，晶体管的β=40，rbe=1kΩ。假设放大电路工作在合适的静态工作点试画出放大电路的交流小信号模型，并求出电压增益Au和输入电阻Ri。



图P5.15


5.16直接耦合放大电路如图P5.16所示，假设T1、T2、T3管特性相同，且有β=50，UBE=0.7V，电源电压UCC=12V，电阻Rs=62Ω，Re1=3kΩ，Rb11=3.6kΩ，Rb12=82kΩ，Rc1=3.9kΩ，Re2=15kΩ，Re3=2kΩ，电容器对交流信号均可视为短路。要求： 

(1) T1、T2、T3管分别组成哪种组态的放大电路？

(2) 估算静态工作点IEQ1、IEQ2、IEQ3、UCEQ1、UCEQ2、UCEQ3。

(3) 写出输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式。



图P5.16


5.17多级放大电路如图P5.17所示，试画出交流分析时该电路的小信号等效模型。



图P5.17


5.18根据如图P5.18所示电路，不考虑沟道调制长度，试说明图中7个MOSEFT在电路中的作用。



图P5.18


5.19多级放大电路的通频带宽度为什么比任意单级电路的通频带要窄？

5.20二级放大电路中各级放大电路的上、下限截止频率关系为fH1≈10fH2，fL2≈10fL1，试估计该多级放大电路总通频带fBW。

5.21二级放大电路中各级放大电路幅频特性分别如图P5.21(a)、(b)所示，试画出该多级放大电路总的幅频特性波特图。



图P5.21