《多级放大电路》教学课件

多级放大电路教学课件——本课程为电子技术基础重要组成部分，适用于本科及高职教材学习多级放大电路是现代电子系统中信号处理的核心技术，广泛应用于通信、音频、测量仪器等领域什么是多级放大电路多个放大级串联构成实现高增益宽频带将多个单级放大器按照一定顺通过多级级联，可以获得单级序连接，形成级联放大系统，放大器无法达到的高电压增益每一级都对信号进行进一步放和优化的频率响应特性大处理广泛用于信号处理单级放大电路的局限增益有限阻抗匹配困难单级放大器的电压增益通常只有单级电路很难同时实现高输入阻几十倍，难以满足现代电子系统抗和低输出阻抗的要求，在级联对高增益的需求，特别是在微弱应用中容易产生信号传输损耗和信号检测和处理应用中匹配问题稳定性差容易受到温度变化、元件参数漂移的影响，导致放大倍数和工作点不稳定，影响整体电路性能多级放大为何必要阻抗优化通过合理的级间配置，可以实现高输入阻抗、低输出阻抗的理想特性，提高信号传输质量和驱动能力高增益实现多级级联可以实现超过倍的电压增益，满足微弱信号放大和高精度测量的严格要求2000抗干扰增强通过合理的电路设计和级间隔离，有效提高信号完整性，增强系统对外界干扰的抵抗能力多级放大电路的基本结构前级放大中间级后级输出注重高输入阻抗和低噪声特性提供主要的电压增益关注驱动能力和低输出阻抗多级放大电路采用分级处理的思想，前级负责信号的初步放大和噪声控制，中间级提供主要的增益贡献，后级则专注于输出驱动能力的提升这种结构化设计使得每一级都能发挥其最优特性，整体性能得到显著提升放大器级联原理阻抗配合增益叠加通过合理设计各级的输入和输出阻抗，实信号传递总的电压增益等于各级增益的乘积，数学现级间的最佳匹配，最大化信号传输效率第一级的输出信号直接作为下一级的输入表达式为总×××，和整体性能Av=Av1Av

2...Avn信号，实现信号的逐级传递和放大，保证实现增益的指数级提升信号链路的连续性常见多级放大拓扑共集共射-射极跟随器与共射级组合•高输入阻抗共射共射共基共集--•电压增益适中两级共射放大器级联共基放大与射极跟随器•缓冲作用明显•高电压增益•宽频带特性•相位反转度•低输出阻抗180•中等输入阻抗•无相位反转主要耦合方式概述直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合前后级直接连接，无中间元利用电容隔离直流，传递交使用变压器实现级间信号传通过光信号实现电气隔离件适用于直流和超低频信流信号是最常用的耦合方递能提供阻抗变换功能，主要用于高压隔离和强干扰号放大，电路简洁但易受温式，电路稳定可靠，成本较适合大功率输出应用环境下的信号传输度漂移影响低直接耦合详解直接连接特点前后级晶体管直接相连，无隔离元件，信号无损耗传递，适合直流和极低频信号放大应用温漂问题容易受温度影响导致工作点漂移，需要采用互补对称结构或温度补偿措施来改善稳定性交替NPN/PNP采用和晶体管交替使用的互补结构，可以有效抵消温度漂NPN PNP移，提高电路稳定性阻容耦合详解音频应用广泛最适合音频信号放大电容隔离直流传递交流信号，阻断直流成分电路稳定可靠各级工作点独立，互不影响阻容耦合是多级放大电路中应用最广泛的耦合方式耦合电容既能有效传递交流信号，又能隔断各级之间的直流通路，使各级的静态工作点相互独立这种方式结构简单、调试方便、工作稳定，特别适用于音频放大器设计变压器耦合重点信号传递利用磁耦合传递交流信号阻抗变换实现最佳阻抗匹配功率放大适合大功率输出级设计变压器耦合通过电磁感应原理传递信号，能够实现阻抗变换功能，特别适用于音频功率放大器的输出级和无线电频率放大器虽然体积较大、成本较高，但在需要阻抗匹配和功率传输的场合具有独特优势光电耦合简介发光光信号传递LED输入信号驱动发出光信号通过光学介质传递信号信息LED电气隔离光敏检测实现输入输出的完全电气隔离光敏器件接收光信号并转换为电信号常用多级放大电路原理图24放大级数主要元件类型标准两级阻容耦合结构晶体管、电阻、电容、电源180°相位关系两级共射放大总相位差两级阻容耦合放大电路是最经典的多级放大结构第一级采用共射极放大配置，提供初级信号放大；阻容耦合网络隔离直流成分；第二级继续放大信号并提供输出驱动能力各元器件功能明确偏置电阻设定工作点，耦合电容传递信号，负载电阻提供合适的负载条件典型信号路径分析信号输入微弱交流信号进入前级放大器前级放大第一级提供初始增益和阻抗变换级间耦合耦合网络传递信号并隔离直流后级放大进一步放大并提供输出驱动信号输出获得高增益、低失真的输出信号负载匹配与级间阻抗阻抗关系匹配原理优化效果后级的输入阻抗实际上构成了前级的负理想情况下，前级输出阻抗应远小于后良好的阻抗匹配不仅能提高整体增益，载阻抗这种级联关系要求我们在设计级输入阻抗，这样可以减少信号传输损还能改善频率响应特性，减少信号失时必须综合考虑各级的阻抗特性，以确耗，同时避免前级工作点受后级影响真，提升系统的整体性能和稳定性保信号传输的最大效率各级放大器参数解析输入阻抗特性决定了放大器对信号源的负载效应，高输入阻抗有利于减少信号源的功率损耗和信号衰减输出阻抗特性影响放大器的驱动能力和与后级的匹配程度，低输出阻抗能提供更好的驱动能力电压增益系数表征放大器的放大能力，通过小信号等效电路分析可以准确计算各级的增益贡献动态响应参数包括频率响应、转换速率等动态特性，决定了放大器在实际工作中的性能表现电压增益推导增益计算公式输入阻抗特性总电压增益×多级放大器的总输入阻抗主要取Av=Av1Av2××这是多级放大器决于第一级的输入阻抗，后续各...Avn最基本的增益关系，各级增益相级对总输入阻抗的影响可以忽乘得到总增益略输出阻抗特性总输出阻抗由最后一级的输出阻抗决定，前面各级的输出阻抗对总输出阻抗影响很小多级增益的影响因素级间耦合损耗耦合网络会引入一定的信号损耗，特别是在频率响应的边界区域，损耗会更加明显，需要在设计中予以考虑元件参数偏差实际元器件的参数与标称值存在偏差，这些偏差在多级级联中会累积放大，影响整体性能的一致性温度漂移效应温度变化会影响晶体管的参数，多级电路中温度漂移的累积效应可能导致工作点偏移和增益变化多级放大电路性能指标电压增益输入阻抗输出阻抗AV RinRout衡量放大器信号放大能力表征放大器对信号源的负反映放大器的驱动能力，的核心指标，通常以分贝载效应，高输入阻抗意味低输出阻抗能够驱动更多或倍数表示，决定了放大着对信号源的影响更小，类型的负载，提供更稳定器的基本功能信号传输更完整的输出电压信号带宽定义放大器能够有效放大的频率范围，带宽越宽，放大器的适用范围越广，信号保真度越高典型性能参数举例2M输入阻抗欧姆以上，提供优良的输入特性2000电压增益倍以上，满足高增益需求100输出阻抗欧姆以下，确保良好驱动能力100K工作带宽赫兹，覆盖音频全频段这些典型参数代表了优质多级放大器应该达到的性能水平高输入阻抗确保信号源不受影响，高电压增益满足微弱信号放大需求，低输出阻抗提供强驱动能力，宽工作带宽保证频率响应的完整性带宽特性分析各级频响影响每一级放大器都有自己的频率响应特性，包括上限截止频率和下限截止频率，这些特性决定了该级的有效工作频带级联带宽折减多级级联时，总的频率响应是各级频率响应的乘积，这通常导致整体带宽比单级带宽更窄，需要合理设计补偿关键频率点系统的上下限截止频率由各级截止频率和耦合网络共同决定，设计时需要综合考虑各个频率折转点的影响高频特性与补偿耦合电容影响容性负载特性•相频特性变化高频失真来源补偿网络设计•幅频响应下降晶体管极间电容效应频率响应优化方法•相位滞后增加•密勒电容影响•峰化网络•载流子渡越时间•负反馈补偿•寄生电容耦合•有源滤波器3低频特性影响因素电源纹波影响低频噪声和干扰耦合电容作用形成高通滤波特性，决定低频截止偏置网络影响时间常数决定低频响应，电阻电容参数选择关键低频特性主要受耦合电容和偏置网络的时间常数影响耦合电容与电路阻抗构成高通滤波器，其截止频率决定了放大器的低频响应下限合理选择耦合电容值可以扩展低频响应范围，但同时要考虑成本和体积因素多级放大中的反馈正反馈应用负反馈优势反馈网络设计正反馈可以用于增加放大器的增益或产负反馈是多级放大器中最常用的反馈形反馈网络的设计需要综合考虑反馈深生振荡在多级放大器中，适度的正反式，能够显著改善放大器的线性度、稳度、稳定性裕量和频率补偿，确保在整馈可以补偿某些频段的增益下降，但必定性和频率响应，虽然会牺牲一部分增个工作频段内都能保持稳定工作须控制在稳定范围内益负反馈类型简介电压串联反馈反馈信号与输入信号串联，反馈量取自输出电压，能稳定输出电压，提高输入阻抗，降低输出阻抗电流并联反馈反馈信号与输入信号并联，反馈量取自输出电流，能稳定输出电流，降低输入阻抗，提高输出阻抗混合反馈形式电压电流混合反馈和串联并联混合反馈，根据具体应用需求选择最适合的反馈拓扑结构反馈对增益的影响闭环增益公式增益稳定性改善×，其中引入负反馈后，闭环增益对开环Avf=Av/1+Av F是开环增益，是反馈系数增益变化的敏感性大大降低，使Av F这个公式表明负反馈会降低增益放大器在元件参数变化时仍能保但提高稳定性持稳定的性能失真减少机制负反馈能够自动纠正输出信号的失真，通过反馈回路将失真信息反馈到输入端，实现失真的自动补偿和校正测量与参数提取方法1设备准备双通道示波器校准，函数发生器设置，确保测试设备精度和稳定性，为准确测量做好基础准备信号连接输入端连接标准测试信号，输出端连接示波器通道，注意阻抗匹配和信号完整性，避免测试误差同步测量同时观测输入输出波形，记录幅值和相位关系，通过多点测量获得完整的频率响应特性曲线典型波形展示与分析

0.1V2V输入信号幅值输出信号幅值毫伏级微弱信号测试放大后的信号强度180°20相位差电压增益两级共射放大的相位关系倍数，符合理论计算值通过示波器可以清晰观察到输入输出波形的幅值和相位关系输入信号为的正弦波，经过两级放大后输出，增益为倍相位差为度，符合两级共射放大的理论100mV2V20180预期波形保持良好的正弦特性，说明放大器工作在线性区域，失真很小电路输出失真的成因输入过载非线性特性输入信号幅度过大，超出放大器的线性晶体管的非线性特性在大信号工作时表工作范围，导致输出波形削波失真2现明显，产生谐波失真电源限制偏置点偏移电源电压不足或内阻过大，限制了输出静态工作点设置不当，使晶体管工作在信号的动态范围非线性区域多级放大器实际设计流程需求分析与指标确定明确放大器的技术指标要求，包括增益、带宽、输入输出阻抗、失真度等关键参数，制定详细的设计规范和验收标准系统架构设计绘制系统方框图，确定级数分配和各级功能，选择合适的放大器拓扑结构，进行初步的增益分配和阻抗设计详细电路设计选择具体元器件，计算偏置电路参数，确定耦合方式，进行电路仿真验证，优化电路参数以达到设计指标要求参数与频率响应测试S输入回损输出回损传输参数S11S22S21反映放大器输入端的阻表征输出端的阻抗匹配直接反映放大器的增益抗匹配程度，理想情况特性，良好的输出匹配特性和频率响应，是评下应该在工作频段内保能够最大化功率传输效估放大器性能的最重要持较低的数值，确保信率，减少反射损耗参数之一号有效传输隔离度S12衡量反向传输特性，优秀的放大器应该具有良好的单向性，避免输出对输入产生不良影响高频小信号等效电路型等效模型参数频率依赖性密勒效应影响π晶体管的高频小信号等效电路采用型模随着频率升高，晶体管的各项参数都会基极集电极间电容在共射极放大器中会π-型，包含输入电阻、输出电阻、跨导和发生变化特别是极间电容的容抗减产生密勒效应，等效输入电容大幅增各极间电容这个模型能准确描述晶体小，会显著影响放大器的频率响应和稳加，这是限制高频性能的主要因素之管在高频时的行为特性定性一共射多级放大典型应用音频前置放大无线信号接收用于放大来自麦克风或其他微在无线通信系统中用于放大天弱音频信号源的信号，提供足线接收到的微弱射频信号，提够的增益使信号达到后级处理高信噪比，为后续的解调处理所需的电平做准备传感器信号调理用于放大各种传感器输出的微弱信号，如温度、压力、位移等物理量传感器的输出信号调理共集共射组合的优劣-输入阻抗提升共集级提供极高输入阻抗阻抗变换缓冲实现高阻到低阻的平滑过渡后级增益优化共射级获得理想的驱动条件失真显著降低整体线性度和动态范围改善共集共射组合充分发挥了两种基本放大电路的优势共集级作为前级，提供接近单位-增益但极高的输入阻抗，有效隔离信号源；共射级作为后级，在获得理想驱动条件下提供高电压增益这种组合特别适用于需要高输入阻抗和中等增益的应用场合互补对称结构温度补偿效果和特性互补抵消NPN PNP工作点稳定2减少温度漂移对电路的影响集电极电位分析动态工作点跟踪和静态偏置设计互补对称结构利用和晶体管的互补特性，有效抵消温度变化对电路性能的影响在温度升高时，一种类型晶体管的某个参数NPN PNP增加，另一种类型的对应参数减少，两者相互抵消，使整体电路保持稳定的工作状态有源负载多级放大电流源负载提供恒定偏置电流和高动态阻抗增益显著提升相比电阻负载增益提高数倍集成电路优势工艺实现高性能模拟电路CMOS有源负载技术在现代集成电路设计中广泛应用电流源负载相比传统电阻负载具有更高的动态阻抗，能够显著提升放大器的电压增益在工艺中，利用管构成的电流镜作为有源负载，不仅节省芯片面积，还能提供优良的温度稳定性和工艺匹配特性CMOS MOS变压器耦合放大实用场景扬声器驱动专业音响系统•多阻抗输出选择音响功放末级•负载保护功能大功率音频输出•音质优化设计•阻抗匹配优化广播发射机•功率传输效率高射频功率放大•隔离直流成分•天线阻抗匹配•谐波抑制滤波•宽带频率响应阻容变压器耦合对比/阻容耦合特点变压器耦合特点选择决策因素成本低廉，制造简单，频带相对较宽，能够实现阻抗变换，功率传输效率高，根据具体应用需求选择耦合方式小信特别适合音频频段应用电路调试方特别适合大功率输出级设计可以提供号放大优选阻容耦合，大功率输出场合便，各级工作点独立，维护成本低但多种输出阻抗选择，负载适应性强但选择变压器耦合成本敏感应用倾向阻无法提供阻抗变换功能，功率传输效率成本较高，体积较大，频带相对较窄容耦合，性能优先场合考虑变压器耦一般合光电耦合多级放大的创新方向数据隔离传输在工业控制系统中实现信号的电气隔离传输，有效防止地回路干扰和高压串扰，保护敏感的控制电路安全安防设备接口用于安防监控设备的信号接口设计，实现前端传感器与后端处理单元的隔离，提高系统的抗干扰能力和可靠性医疗设备应用在医疗电子设备中提供患者安全隔离，确保医疗设备符合严格的安全标准，防止漏电流对患者造成伤害多级放大电路在无线电中的应用射频前置放大选择性放大放大天线接收到的微弱射频信号，提供足够的信号强度供后结合带通滤波器实现对特定频段信号的选择性放大，抑制干级混频和检波处理，是无线电接收机的关键组成部分扰信号，提高接收机的选择性和灵敏度中频放大链音频输出驱动在超外差接收机中，多级中频放大器提供主要的增益和选择将检波后的音频信号进行多级放大，驱动扬声器或耳机，为性，确保信号有足够的强度进行有效解调用户提供清晰的音频输出多级放大在仪表放大器中的应用医疗信号放大精密测量前端ECG心电图信号通常只有几毫伏的幅在工业测量和科研仪器中，多级度，需要高增益、低噪声的多级仪表放大器用于放大来自各种传放大器进行处理要求极高的共感器的微弱信号，如应变计、热模抑制比和输入阻抗，确保信号电偶、压力传感器等的输出的准确采集数据采集系统作为模数转换器的前端，多级放大器将微弱的模拟信号放大到的满ADC量程范围，提高数据采集系统的分辨率和精度电源管理与滤波在多级放大中的作用电源噪声抑制去耦电容配置电压调节器多级放大器对电源质量要求在每一级放大器附近配置适使用线性或开关式电压调节很高，电源噪声会被逐级放当的去耦电容，抑制高频噪器提供稳定的供电电压，特大必须采用有效的滤波和声和开关干扰，保持电源电别是对于高精度应用，需要稳压措施，确保清洁的供电压的稳定性低压差、低噪声的调节器环境接地系统设计合理的接地系统设计对多级放大器至关重要，避免地回路干扰，采用星型接地或分层接地方式常见故障与调试技巧信号链路检查使用示波器逐级检查信号传输路径，从输入到输出依次测量每一级的信号波形，快速定位故障点和异常级别元件失效诊断检查常见失效模式电解电容老化、焊点虚焊、电阻值漂移、晶体管参数退化使用万用表和晶体管测试仪进行元件级检测工作点验证测量各级晶体管的静态工作点，包括基极电压、发射极电压、集电极电压，确保工作在合适的线性区域常见元件参数选择频率响应优化合理选择耦合电容值差分级匹配要求晶体管参数配对和温度系数匹配稳定性保证3偏置电阻选择和反馈网络参数确定元件参数选择直接影响多级放大器的性能耦合电容值决定低频截止频率，通常选择使时间常数比信号周期大倍以上差分级要求10晶体管参数严格匹配，特别是和的匹配偏置电阻的选择需要平衡稳定性和功耗，一般选择使基极电流约为集电极电流的hFE VBE1/10电路仿真验证流程电路建模在或中建立完整的电路模型，包括所有元器件的精确Multisim SPICE参数和寄生特性仿真分析进行直流工作点分析、交流小信号分析、瞬态分析和频率响应分析，验证电路设计的正确性实物搭建根据仿真验证的电路在面包板或上搭建实际电路，注意布线和接地PCB的合理性实测验证使用仪器设备测量实际电路的性能参数，与仿真结果进行对比分析，找出差异原因。