淺談多級放大器設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題

陳 偉

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川廣元,628017)

0 概述

在一些電子設(shè)備中，常常要求放大電路的輸出級能夠帶動一定的負(fù)載。因而要求放大電路有足夠大的輸出功率，因此對功率放大電路有以下幾個(gè)要求：（1）根據(jù)負(fù)載要求，提供足夠的輸出功率；（2）具有較高的效率；（3）盡量減小非線性失真。一個(gè)多級放大器,無論如何復(fù)雜,總是由各種單級放大器組成的。要設(shè)計(jì)一個(gè)晶體三極管多級放大器，一般采用定性分析、定量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)整三者結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。沒有理論上的定性分析與定量估算，將是盲目的實(shí)踐；但是，由于晶體管參數(shù)分散性大的特點(diǎn)，分析和計(jì)算不可能十分精確，只有通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整才能使之完善起來。所謂定性分析，就是根據(jù)對放大器提出的技術(shù)要求（如放大倍數(shù)、工作頻率范圍、輸出功率、輸入阻抗、輸出阻抗、工作作條件及其他特殊要求等），大致確定電路方案，其中包括級數(shù)，各單元電路的型式，耦合方式，是否需要負(fù)反饋或溫度補(bǔ)償電路等，并初步繪出電路原理圖。定量估算，就是運(yùn)用所介紹的分析計(jì)算方法，作初步估算，確定晶體管型號，電源電壓，電路元件（如電阻、電容、變壓器等）的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)調(diào)整，就是根據(jù)電路方案與分析計(jì)算的結(jié)果，裝制樣機(jī)，進(jìn)行測試調(diào)整，使各項(xiàng)指標(biāo)合乎要求。

1 設(shè)計(jì)中的幾個(gè)具體問題

1.1 放大器級數(shù)的確定

放大器的級數(shù)要根據(jù)總放大倍數(shù)來考慮，總放大倍數(shù)等于各級放大倍數(shù)的乘積。一般說來，放大器的電壓放大倍數(shù)可達(dá)幾十倍，兩級可達(dá)幾百倍，三級可達(dá)數(shù)千倍。當(dāng)然，不能單純?yōu)榱俗非竺考壏糯蟊稊?shù)高，而盡量減少級數(shù)，因?yàn)椋糯笃鞯牧己眯阅埽且誀奚糯蟊稊?shù)為代價(jià)的。例如，為了保證工作點(diǎn)穩(wěn)定，各級的基極電阻就不能選得太大，結(jié)果造成放大倍數(shù)的下降；又如，為了改善頻率特性及提高穩(wěn)定性而加入負(fù)反饋電路，也會使放大倍數(shù)降低。因此，必須全面考慮，留有充分余地。有的放大器雖然要求的放大倍數(shù)不高，但級數(shù)卻不少，這是有一定道理的。

1.2 各級的電路型式

（1）輸入級：如果信號源不允許輸出較大的電流，放大器第一級的輸入電阻太低，就會影響信號源的正常工作，這時(shí)，射極輸出器是最理想的輸入級，因?yàn)樗哂懈叩妮斎胱杩埂Ｈ绻盘栐磧?nèi)阻雖然較高，但輸出較大的電流并不影響其正常工作，或?yàn)榱耸馆斎爰壟c信號源阻抗匹配，也可采用具有負(fù)反饋偏置電路的共發(fā)射極電路。那一種情況放大倍數(shù)更大一些，要根據(jù)具體電路和參數(shù)來確定。

（2）輸出級：如果末級要求有高的電壓輸出，對于共發(fā)射極電路，集電極電阻的數(shù)值應(yīng)取得大一些，以便提高放大器的電壓放大倍數(shù)。如果末級要求有大的電流輸出，那么，最好在末級加一個(gè)射極輸出器，以降低放大器的輸出阻抗，提高其帶動負(fù)載的能力。如果末級要求有大功率輸出，則要采用軸功率放大器電路，至于是用甲類單管還是能乙類的甲乙推挽放大電路，因?yàn)椋诠β瘦敵觥⑿始笆д娣矫婢色@得滿意的結(jié)果。

（3）末前級：在要求給末級提供較大功率的情況下，可采用甲類單管或甲乙推挽功率放大器電路。一般情況下，可采用共發(fā)射極放大電路。

（4）中間級： 中間級的任務(wù)是得到較大的電壓和電流放大倍數(shù)。一般多用共發(fā)射極電路圖，因?yàn)椋鼘﹄妷汉碗娏鞫加蟹糯笞饔茫遥斎胱杩古c輸出阻抗適中。前一個(gè)特點(diǎn)是有可能以最少的級數(shù)來獲得所需要的總的放大倍數(shù)；后一個(gè)特點(diǎn)便于采用阻容耦合電路。根據(jù)對整個(gè)放大器放大倍數(shù)的要求，中間級可由幾級阻容耦合共發(fā)射極放大電路組成，也可用一級，甚至不用。通常，在中間級中，為了改善頻率特性和提高穩(wěn)定度，可在各級加適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋。

1.3 級間耦合方式

放大器各級間耦合方式分為：阻容耦合、變壓器耦合和直接耦合。不論采用何種耦合方式，必須滿足兩個(gè)要求：（1）信號暢通，即保證被放大信號順利地由前級送到后級。（2）保證各級放大器具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，即保證各級的正常放大作用。三種耦合方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，簡單介紹如下：

（1）阻容耦合 優(yōu)點(diǎn)：A、比變壓器耦合體積小，重量輕，價(jià)格便宜。B、和變壓器耦合相比，頻率特性單純，既易分析研究又能計(jì)算，特別是高頻端的特性更簡單。缺點(diǎn)：輸入端與輸出端都難以完全實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，加上偏置電路的損耗，因此，信號傳輸效率低。

（2）變壓器耦合 優(yōu)點(diǎn)：A、能夠把直流通路和交流通路完全分開，因此，偏置電路和交流放大倍數(shù)的計(jì)算可以完全獨(dú)立進(jìn)行。

B、輸入端和輸出端能按照信號源或負(fù)載的阻抗實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，因而能獲得較大的放大倍數(shù)。C、利用變壓器能夠把不對稱輸入（或輸出）變成對地為對稱的輸入（或輸出）。缺點(diǎn)：A、與阻容耦合相比，頻率特性差。B、造價(jià)高，體積大，而且比較重。同時(shí)，變壓器耦合放大器的電特性在很大程度上與變壓器繞組的繞制工藝有關(guān)，因而對繞制工藝提出了較嚴(yán)格要求。

（3）直接耦合 與變壓器相比，直接耦合具有同阻容耦合一樣的優(yōu)缺點(diǎn)。而其突出的優(yōu)點(diǎn)是耦合電路簡單，用元件少，不存在耦合電路損耗問題，而且低音頻特性好，穩(wěn)定度高。因此，這種耦方式用得也很普遍。根據(jù)三種耦合電路的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)際情況，就可在選擇電路方案中確定各級間的耦合方式。

2 晶體管與電源電壓的選用

2.1 晶體管選用的一般原則

（1）三極管的擊穿電壓 在電源電壓EC為已知的情況下，阻容耦合和直接耦合放大器所選晶體管的最大反向擊穿電壓BVceo應(yīng)大于EC，變壓器耦合放大器所選晶體管的BVceo應(yīng)大于2EC。

（2）三極管的最大允許集電極功耗 作為功率放大的晶體管，主要是考慮在一定非線性失真范圍內(nèi)能輸出多大的功率。所以，主要是三極管的集電極最大允許耗散功率PCM應(yīng)滿足要求。

在用作甲類單管功率放大時(shí)，如只考慮在室溫時(shí)工作，一般選用的三極管的集電極最大允許耗散功率PCM應(yīng)為需要輸出的交流功率PSC的（2—3）倍。在用作甲乙類推挽功率放大時(shí)，每個(gè)三極管的最大允許集電極功耗PCM應(yīng)大于推挽級兩管輸出交流功率的PSC（1/3—1/2）倍。此外，作為推挽電路的兩個(gè)三極管，其參數(shù)和特性必須很拉近，值要相等，否則，會因推挽兩臂不平衡，產(chǎn)生較大的非線性失真。

2.2 電源EC

一種情況是，在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，對電源電壓提出了指標(biāo)，這時(shí)，可按給定的數(shù)據(jù)選擇晶體管和進(jìn)行電路元件的計(jì)算。有時(shí)沒有給出電源電壓的指標(biāo)，這時(shí)，就要根據(jù)放大器的放大倍數(shù)及輸出功率，確定晶體管，然后，再根據(jù)晶體管的耐壓選用電源電壓，以保證晶體管既能安全工作，又能輸出額定功率。有些性能及穩(wěn)定性要求較高的放大器，對電源電壓的穩(wěn)定性要求比較高，應(yīng)采用晶體管穩(wěn)壓電源供電。

3 各級工作點(diǎn)的確定

多級放大器中各級的工作點(diǎn)往往有不同的要求。一般說來，前而幾級的信號小（如為微伏或毫伏數(shù)量級），不存在非線性失真問題，為了節(jié)省電流，減小晶體管的噪聲，常將放大器的工作點(diǎn)設(shè)置得很低，ICO和UCeO都很小，如ICO可低到0.2—0.5毫安，UCeO可低到1—2伏。多級放大器的工作點(diǎn)一般是從前到后，逐級提高的。對于輸出級，如果是甲類單管功率放大器，考慮到是大信號工作，非線性失真較大，工作點(diǎn)應(yīng)選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。如果輸出級是小功率推挽功率放大器，為了減小交越失真，兩管總的靜態(tài)工作電流一般選1—5毫安。各級的偏置電路一般常用電流負(fù)反饋偏置電路。在末級功率放大器中，由于管子功耗較大，溫度較高，而且電流負(fù)反饋電阻一般都很小，為了進(jìn)一步提高工作點(diǎn)的穩(wěn)定性，還常用熱敏電阻或二極管等溫度補(bǔ)償元件。如果某兩級間是采用直接耦合方式，在計(jì)算直流偏置電路時(shí)，必須注意到兩級之間的相互影響。