淺談多級放大器設計中的幾個問題

陳 偉

(四川信息職業技術學院,四川廣元,628017)

0 概述

在一些電子設備中，常常要求放大電路的輸出級能夠帶動一定的負載。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要求：（1）根據負載要求，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。一個多級放大器,無論如何復雜,總是由各種單級放大器組成的。要設計一個晶體三極管多級放大器，一般采用定性分析、定量計算和實驗調整三者結合的設計方法。沒有理論上的定性分析與定量估算，將是盲目的實踐；但是，由于晶體管參數分散性大的特點，分析和計算不可能十分精確，只有通過實驗調整才能使之完善起來。所謂定性分析，就是根據對放大器提出的技術要求（如放大倍數、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，各單元電路的型式，耦合方式，是否需要負反饋或溫度補償電路等，并初步繪出電路原理圖。定量估算，就是運用所介紹的分析計算方法，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）的數值。實驗調整，就是根據電路方案與分析計算的結果，裝制樣機，進行測試調整，使各項指標合乎要求。

1 設計中的幾個具體問題

1.1 放大器級數的確定

放大器的級數要根據總放大倍數來考慮，總放大倍數等于各級放大倍數的乘積。一般說來，放大器的電壓放大倍數可達幾十倍，兩級可達幾百倍，三級可達數千倍。當然，不能單純為了追求每級放大倍數高，而盡量減少級數，因為，放大器的良好性能，是以犧牲放大倍數為代價的。例如，為了保證工作點穩定，各級的基極電阻就不能選得太大，結果造成放大倍數的下降；又如，為了改善頻率特性及提高穩定性而加入負反饋電路，也會使放大倍數降低。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不高，但級數卻不少，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，射極輸出器是最理想的輸入級，因為它具有高的輸入阻抗。如果信號源內阻雖然較高，但輸出較大的電流并不影響其正常工作，或為了使輸入級與信號源阻抗匹配，也可采用具有負反饋偏置電路的共發射極電路。那一種情況放大倍數更大一些，要根據具體電路和參數來確定。

（2）輸出級：如果末級要求有高的電壓輸出，對于共發射極電路，集電極電阻的數值應取得大一些，以便提高放大器的電壓放大倍數。如果末級要求有大的電流輸出，那么，最好在末級加一個射極輸出器，以降低放大器的輸出阻抗，提高其帶動負載的能力。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，因為，它在功率輸出、效率及失真方面均可獲得滿意的結果。

（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，可采用共發射極放大電路。

（4）中間級： 中間級的任務是得到較大的電壓和電流放大倍數。一般多用共發射極電路圖，因為，它對電壓和電流都有放大作用，而且，輸入阻抗與輸出阻抗適中。前一個特點是有可能以最少的級數來獲得所需要的總的放大倍數；后一個特點便于采用阻容耦合電路。根據對整個放大器放大倍數的要求，中間級可由幾級阻容耦合共發射極放大電路組成，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定度，可在各級加適當的負反饋。

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工作點，即保證各級的正常放大作用。三種耦合方式各有優缺點，簡單介紹如下：

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

（2）變壓器耦合 優點：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的計算可以完全獨立進行。

B、輸入端和輸出端能按照信號源或負載的阻抗實現阻抗匹配，因而能獲得較大的放大倍數。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：A、與阻容耦合相比，頻率特性差。B、造價高，體積大，而且比較重。同時，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，因而對繞制工藝提出了較嚴格要求。

（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缺點。而其突出的優點是耦合電路簡單，用元件少，不存在耦合電路損耗問題，而且低音頻特性好，穩定度高。因此，這種耦方式用得也很普遍。根據三種耦合電路的優缺點及實際情況，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應大于EC，變壓器耦合放大器所選晶體管的BVceo應大于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應滿足要求。

在用作甲類單管功率放大時，如只考慮在室溫時工作，一般選用的三極管的集電極最大允許耗散功率PCM應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，每個三極管的最大允許集電極功耗PCM應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三極管，其參數和特性必須很拉近，值要相等，否則，會因推挽兩臂不平衡，產生較大的非線性失真。

2.2 電源EC

一種情況是，在設計放大器時，對電源電壓提出了指標，這時，可按給定的數據選擇晶體管和進行電路元件的計算。有時沒有給出電源電壓的指標，這時，就要根據放大器的放大倍數及輸出功率，確定晶體管，然后，再根據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。有些性能及穩定性要求較高的放大器，對電源電壓的穩定性要求比較高，應采用晶體管穩壓電源供電。

3 各級工作點的確定

多級放大器中各級的工作點往往有不同的要求。一般說來，前而幾級的信號小（如為微伏或毫伏數量級），不存在非線性失真問題，為了節省電流，減小晶體管的噪聲，常將放大器的工作點設置得很低，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，工作點應選在交流負載線的中點。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，而且電流負反饋電阻一般都很小，為了進一步提高工作點的穩定性，還常用熱敏電阻或二極管等溫度補償元件。如果某兩級間是采用直接耦合方式，在計算直流偏置電路時，必須注意到兩級之間的相互影響。