多级放大器和负反馈放大器

第4章多级放大器和负反馈放大器
教学重点
1.了解多级放大器级间耦合方式、放大倍数及频率特性。

2.掌握反馈的概念和负反馈放大器的分类。

3.了解闭环放大倍数的一般表达式及反馈深度的概念。

4．了解负反馈对放大电路性能的影响。

5．掌握射极输出器的特点。

教学难点
1.多级放大器的放大倍数。

2.负反馈放大器反馈类型的判断。

3.射极输出器的特点。

学时分配
序号内容学时
１ 4.１多级放大器 2
2 4.2负反馈放大器６
3 4.3三种组态电路的比较 2
4 实验五两级阻容耦合放大器 2
5 实验六负反馈放大电路 2
6 本章小结与习题
7 本章总学时１４
4.1多级放大器
多级放大器:把多个单级放大电路串接起来，使输入信号v i经过多次放大的电路。

如图4．１.１所示。

特点：电压放大倍数高，通频带窄。

图4.1.1 多级放大器的框图
４.1.1 放大器的级间耦合方式
级间耦合：放大器级与级之间的连接，其方式有三种。

如图4.１.2所示。

图4．1.２ 多级放大器的三种耦合方式 图4.1.3 阻容耦合两级放大电路
1．阻容耦合：级间通过电容C ２和基极电阻)//(22b b12b R R R 连接。

如图４．1.２(ａ）所示。

由于电容C 2的“隔直通交”作用,使各级静态工作点独立;交流信号顺利通过C 2输送到下一级。

2.变压器耦合：级间通过变压器T 1连接。

如图4.１.2(b )所示。

由于T 1初次级之间具有“隔直通交”的性能,使各级静态工作点独立,而交流信号通过T 1互感耦合顺利输送到下一级。

3．直接耦合：级间通过导线(或电阻）直接连接。

如图4.1.2(c )所示。

前级输出信号直接输送到下一级；但各级静态工作点相互影响。

对耦合方式的基本要求： 一、信号传输无损失; 二、静态工作点正常；
三、信号失真小，传输效率高。

４.1．2 阻容耦合多级放大器
一、阻容耦合多级放大器的放大倍数
两级阻容耦合放大器如图4.1.３(ａ)所示，对应的交流通路如图4.1.3（ｂ)。

设
b2
b22
b12b22
b12b22
b12b1
b21
b111
b2b11b21b11////R R R R R R R R R R R R R R '=+⨯='=+⨯=
第一级的输入电阻为
ﻫ
第二级的输入电阻为
be1
be1b1
be1b1
be11b i1//r r R r R r R r =+'⨯'='=
be2be2b2
be2b2
be2b2
i2//r r R r R r R r =+'⨯'='=
第一级交流负载1L
R '为 i2
c1i2
c1L1r R r R R +⨯='
第二级交流负载L2
R '为 L
c2L
c2L2R R R R R +⨯='
由放大倍数的定义得
第一级电压放大倍数
be1
L1
1
1r R A v '-≈β (４.1．1)
第二级电压放大倍数
be2
L2
2
2r R A v '-≈β (４．1.2)
两级电压放大倍数应为 1
i i2
i2o2i1o2V V V V V V A v ⋅
==
因为 o1i2V V = 所以 12i1
o1
i2o2v v v A A V V V V A ⋅=⋅=
得 21v v v A A A ⋅= (４.1.3)
结论：两级放大器的电压放大倍数υA 等于单级电压放大倍数1υA 与2υA 的乘积。

同理，n 级放大器的放大倍数为
vn v v v v A A A A A ⋅⋅⋅⋅⋅=321
(4．1.4)
注意,分析多级放大器的放大倍数时要考虑后级对前级的影响。

即把后级的输入电阻作为前级负载来考虑。

[例４.１.1］ 图 4.1.3（a )两级阻容耦合放大器中，按给定的参数,并设两管的4021==ββ，r be1 = 1.3 ｋ,r be2 = １ ｋ，试估算：(1) 各级的电压放大倍数;(２) 总的电压放大倍数。

解 (1) 先估算有关参数
Ω=='Ω=Ω+⨯=='Ω≈=k 25.1//k 91.0k 1
101
10//k 1////L c2L2
i2c1L1
be2b22b12i2R R R r R R r R R r (2) 估算各级电压放大倍数
50
k 1k 25.14028k 3.1k 91.040be2L222be1L11-=Ω
Ω
⨯-='-=-=Ω
Ω⨯-='-=r R A r R A v v ββ
(3) 总的电压放大倍数
1400)50()28(21=-⨯-=⋅=v v v A A A
[例4．1.２] 某多级放大器其各级电压增益为:第一级是２0 d Ｂ、第二级是30 dB 、第三级为35 d Ｂ,求该放大器总的电压增益是多少分贝？
解 该多级放大器总电压增益应为各级电压增益之和。

d Β85d Β)353020(=++=v G
[例4.1.3] 有一收音机,其各级功率增益为：天线输入级 3 dB 、变频级２０ dB 、
第一中放级30 d Ｂ、第二中放级35 dB 、检波级 -1０ ｄB 、末前级4０ dB 、功放级20 dB,
求收音机的总功率增益。

解 总功率增益为各级功率增益之和。

d Β132d Β)2040103530203(=++-+++-=P G
二、阻容耦合放大器的频率特性 动画 阻容耦合放大器的频率特性 1.放大器的频率特性
理想放大器:对于不同频率的信号具有相同的放大倍数。

实际放大器：对不同频率的信号,放大倍数不一样。

频率特性:放大器的放大倍数与频率之间的关系,又叫频率响应。

单级放大器频响曲线如图4.1.4所示。

可分为三个频段：
(1) 中频段信号频率在L f 和H f 之间，放大倍数基本不随信号频率而变化。

中频放大倍数 |o v A |:中频段的放大倍数。

上限频率H f 和下限频率L f ：|Ａv | 下降到０．70７|Ａv o | 时所对应的两个频率。

通频带BW ：L H f f BW -=
(２) 低频段信号频率小于L f ，放大倍数随频率下降而减小。

在低频段，放大倍数下降的主要原因是耦合电容和射极旁路电容的容抗增大、分压作用增大。

(３) 高频段信号频率大于H f ，放大倍数随频率升高而减小。

在高频段，放大倍数下降的主要原因是晶体管结电容的容抗减小、分流作用增大;另外,随频率升高 β 值降
图4.1.4 放大器的频率响应曲线
低。

２.多级放大器的频率特性
两级放大器的通频带如图4.1．5所示。

两级放大器中频段的电压放大倍数为
2o 1o o v v v
A A A ⋅=' 在L f 和H f 处总电压放大倍数为
o 2o 1o 2o 1o 5.05.0
2
1
21v
v v v v A A A A A '==⋅⋅ 可见,两级放大器的L f '和H f '两点间的频率范围比L f 和H f 两点间的频率范围缩小了，如图4.1.5(c )所示。

结论，多级放大器的放大倍数提高了,但通频带比每个单级放大器的通频带窄。

级数越多,通频带越窄。

4．2 负反馈放大器
４．2.１ 反馈及其分类
动画 负反馈类型的判别
反馈:把放大器输出端或输出回路的输出信号通过反馈电路送到输入端或输入回路,与输入信号一起控制放大器的过程。

反馈电路:由电阻或电容等元件组成。

如图４.２．1所示。

图中v i 为输入信号,v o 为输出信号,ｖf 为反馈信号。

反馈的分类及判别方法： 一、正反馈和负反馈
正反馈：反馈信号起到增强输入信号的作用。

判断方法：若反馈信号与输入信号同相，则为正反馈。

负反馈：反馈信号起到削弱输入信号的作用。

判断方法：若反馈信号与输入信号反相，则为负反馈。

二、电压反馈和电流反馈
电压反馈：如图4.2.2(a )所示，反馈信号与输出电压成正比。

判断方法：把输出端短路，如果反馈信号为零，则为电压反馈。

电流反馈:如图4.2.2(b )所示，反馈信号与输出电流成正比。

判断方法：把输出端短路,如果反馈信号不为零,则为电流反馈。

图4.2．２ 电压反馈和电流反馈框图 图4.２.3 串联反馈和并联反馈框图
图4.2.1 反馈放大器框图
三、串联反馈和并联反馈
串联反馈:如图4.2．3（ａ）所示,净输入电压由输入信号和反馈信号串联而成。

判断方法：把输入端短路,如果反馈信号不为零，则为串联反馈。

并联反馈:如图4.2．３(b )所示,净输入电流由反馈电流与输入电流并联而成。

判断方法：把输入端短路,如果反馈信号为零，则为并联反馈。

[例４.2.1] 判别图4.2.４(ａ)和(b )电路中反馈元件引进的是何种反馈类型。

解 (1) 电压反馈和电流反馈的判别
当输出端分别短路后,图(a ）中v f 消失，而图(b )中,管子2V 的2E i 不消失，即ｖf 不等于零,所以图(a ）是电压反馈，图(b )是电流反馈。

(2） 串联反馈和并联反馈的判别
当输入端分别短路后,图(a )中v f 不消失，图(b )中的ｖf 消失,所以图（a )是串联反馈,图(b )是并联反馈。

(３) 正反馈和负反馈的判别
采用信号瞬时极性法判别，设某一瞬时,输入信号v i 极性为正“+”，并标注在输入端晶体管基极上,然后根据放大器的信号正向传输方向和反馈电路的信号反向传输方向,在晶体管的发射极、基极和集电极各点标注同一瞬时的信号的极性。

可见,图(ａ）中反馈到输入回路的v f 的极性是“+”,与输入电压v i 反相,削弱了v i 的作用，所以是负反馈;而图(b )中,反馈到输入端的f i 极性是“-”，它削弱了ｖi 的作用,所以也是负反馈。

４.2.2 负反馈对放大器性能的改善
一、提高了放大倍数的稳定性
以图４．2.5电压串联负反馈电路为例作简要说明。

由图可知, 反馈电压 o 2
12
f v R R R v +=
反馈系数
o
f
v v F =
(4.２．1）
设v A ——放大器无反馈时的放大倍数；
Ｖｉ ——净输入电压；
f v A ——加入负反馈后的放大倍数，则
'
i o i o f v v A v v A v v ==
； 因为 ''i o f f i i v FA Fv v v v v v ==+=；
所以 ''i i i v FA v v v += 于是有
v v
v v v A FA v FA v A A ⋅+=+⋅=
11
')1('i i f
(4.2．2）
即 v v A A <f
可见，v A 是f v A 的 )1(v FA +倍，)1(v FA +愈大,f v A 比v A 就愈小。

)1(v FA +:放大器的反馈深度。

如果负反馈很深，即1)1(>>+v FA 时，则
F
FA A FA A A v v v v v 1
1f =≈+=
(4.2．3)
可见,在深度负反馈条件下，反馈放大器的放大倍数A v f 仅取决于反馈系数F ,而与A v
无关。

当晶体管参数、电源电压、环境温度及元件参数发生变化时，负反馈放大器的放大倍数受其影响很小，基本不变,从而使放大倍数稳定性获得了提高。

结论:负反馈使放大器放大倍数减小(１ + F
Ａv ）倍;在深度负反馈条件下负反馈放大器的放
大倍数很稳定。

二、改善了放大器的频率特性
由图４.2.6可见,无反馈时，中频段的电压放大倍数为o v A ,其上、下限频率分别为H f 和L f 。

加入负反馈后，中频段的电压放大倍数下降到
o v
A '。

而高频段和低频段由于原放大倍数较小其反馈量相对于中频段要小，因此放大倍数的下降量相对中频段要少,使放大器的频率特性变得平坦。

即通频带展宽了，使放大器的频率特性得到改善。

三、减小了放大器的波形失真 动画 负反馈对放大器波形的改善 在图４.2．7中。

设无反馈时，输入信号v i 为正弦波(Ａ半周与B 半周一样大),由于晶体管特性曲线的非线性，放大器输出信号v ｏ发生了失真，出现了A 半周大、B 半周小的波形。

加入负反馈后，反馈信号v f 与输入信号v i 进行叠加产生一个A
半周小、B
半周大的预
图4.2.7 负反馈改善波形失真
图4.2.6 负反馈对频响的改善
失真信号v i，再经放大器放大，由于放大器对Ａ半周放大能力较大,从而使输出信号v o 中Ａ半周与B半周的差异缩小了,因此放大器的输出波形得到了改善。

四、改变了放大器的输入电阻、输出电阻
放大器引入负反馈后，输入电阻的改变取决于反馈电路与输入端的联接方式;输出电阻的改变取决于反馈量的性质。

1．输入电阻的改变
对于串联负反馈，在输入电压v i不变时，反馈电压ｖｆ削减了输入电压v i对输入回路的作用,使净输入电压ｖi减小,致使输入电流
i减小，相当于输入电阻增大。

即串联
i
负反馈增大输入电阻。

对于并联负反馈，在输入电压v i不变时，反馈电流
i的分流作用致使输入电流i i增
f
加,相当于输入电阻减小。

即并联负反馈减小输入电阻。

2.输出电阻的改变
电压负反馈维持输出电压不受负载电阻变动的影响而趋于恒定,说明输出电阻比无反馈时输出电阻要小;而电流负反馈维持输出电流不受负载电阻变动的影响而趋于恒定，说明输出电阻比无反馈时输出电阻要大。

即电压负反馈使输出电阻减小;电流负反馈使输出电阻增大。

结论，放大器引入负反馈后,使放大倍数下降;但提高了放大倍数的稳定性；扩展了通频带;减小了非线性失真;改变了输入、输出电阻。

4．2．3射极输出器
一、反馈类型
电路如图4．2．8所示。

其反馈信号v f取自发射极,若输出端短路，则v f = 0,所以是电压反馈。

用瞬时极性法判别,可得v b和vｅ(即v f）极性相同，反馈信号削弱了输入信号的作用,所以是负反馈。

在输入回路中v i= v be + v f ,所以是串联反馈。

综合看来，电路的反馈类型为电压串联负反馈放大器。

由于信号是从晶体管基极输入、发射极输出，集电极作为输入、输出公共端,故为共集电极电路，又称为射极输出器。

图４.2.8 射极输出器 图4．2.9 交流通路
二、性能分析
交流通路如图4.2．9所示。

1.电压放大倍数 由图4.２.9可知，
o i be v v v -=
Ｖｂe 一般很小，则
i o v v ≈
于是电压放大倍数为
1i
o
≈=
v v A v （４.２.4)
可见，射极输出器的输出电压近似等于输入电压，电压放大倍数约等于1，而且输出电压的相位与输入电压相同，故又称射极跟随器。

2.输入电阻和输出电阻
（1) 输入电阻
设L e L
//R R R =',忽略b R 的分流作用，则输入电阻为 L
be b
L
b be b b
L
e e b b b i i )1()1(R r i R i r i i R i r i i v r '++='++=
'+=='ββ
由于L
be )1(R r '+<<β，于是L i R r '≈'β,如果考虑b R 的分流作用,则实际的输入电阻为 b L
i //R R r '=β （４．2.６)
由此可见,与共射极放大电路相比，射极输出器的输入电阻高得多。

为了充分利用输
入电阻高的特点,射极输出器一般不采用分压式偏置电路。

(2） 输出电阻
电路如图4.2.1０所示,设v s = ０，令b s s
//R R R =',不计e R ，则输出端外加交流电压ｖo 产生的电流i ｅ为
s be o
b b b e )
1()1(R r v i i i i '
++=+=+=βββ
于是得该支路的输出电阻为
β
+'
+=
=
'1s be e o o R r i v r 考虑R e 时，射极输出器的输出电阻为
e s
be e o o //1//R R r R r r β
+'+='= （４.2.7)
如果信号源内阻很小0s =R ，则0s ≈'R ;若β
+>>
1be
e r R ，则射极输出器的输出电阻近似为 β
+≈1be o r
r
（４.2.8)
上式表明,输出电阻r ｏ比r ｂe 还要小几十倍。

所以射极输出器的输出电阻是很小的。

三、结论
射极输出器具有输入电阻大，输出电阻小；电压放大倍数略小于但近似等于1;输出电压的相位与输入电压相同的特点。

输出电流是输入电流的)1(β+倍,所以具有电流放大和功率放大能力。

四、应用
利用输入电阻大的特点，作为多级放大器的输入级,以减小对信号源的影响；利用输出电阻小的特点，作为多级放大器的输出级,以提高带负载的能力;还可用作阻抗变换器,以实现级间阻抗匹配;作为隔离级,减少后级对前级的影响。

４．３ 三种组态电路性能比较
４.3.１ 共基极电路
电路如图4.3.１(b )所示。

信号通过C 1从发射极输入、放大后从集电极通过C 2输出,基极通过C ｂ交流接地。

故称为共基极电路。

该电路的直流电路采用分压式偏置电路。

因此，静态工作点比较稳定。

图4.3.1 共基极放大电路
理论和实验证明，共基极电路具有下列特点：
(1)输入电阻低、输出电阻高;(2) 电流放大倍数接近于１、并小于1；(3)输出电压与输入电压同相位;(4)较好的高频特性和工作稳定性。

根据其特点，共基极电路广泛应用在高频、宽带放大或对稳定性要求较高的电子线路中。

４．３.２三种组态电路性能比较
晶体管的三种组态基本放大电路性能特点不同，可根据需要选择采用。

性能比较可参考表４.3.1。

表4.3.1三种组态性能比较表
本章小结
1．多级放大器有三种级间耦合方式,阻容耦合是利用耦合电容隔直通交作用，较好地解决了前后级直流工作点的相互影响问题，但低频特性差。

变压器耦合虽然低频性能差,但能够实现阻抗变换。

直接耦合方式低频特性好,但前后级直流工作点相互影响。

2.多级放大器的电压放大倍数是各级电压放大倍数之积；输入电阻是第一级的输入电阻，输出电阻是未级的输出电阻。

计算时要考虑后级对前级的影响。

3.放大器的频率特性反映了放大倍数和频率的关系。

低端频率特性由耦合电容和射极旁路电容决定,高端频率特性受晶体管的电流放大系数和结电容的影响。

４.反馈分正反馈和负反馈，根据反馈信号的性质有直流反馈和交流反馈。

交流负反馈有电压串联、电压并联、电流串联、电流并联四种反馈类型。

5．负反馈是改善放大器性能的主要方法。

它可以提高放大倍数的稳定性，减小非线性失真,展宽通频带，改变输入电阻、输出电阻。

6．射极输出器的工作特点是输入阻抗高,输出阻抗小，电压放大倍数略小于1，输出电压与输入电压同相。

7．基本放大器有三种组态，即共发射极、共基极、共集电极放大电路,其特点各不
相同。