浅谈多级放大器设计中的几个问题

陈 伟

(四川信息职业技术学院,四川广元,628017)

0 概述

在一些电子设备中，常常要求放大电路的输出级能够带动一定的负载。因而要求放大电路有足够大的输出功率，因此对功率放大电路有以下几个要求：（1）根据负载要求，提供足够的输出功率；（2）具有较高的效率；（3）尽量减小非线性失真。一个多级放大器,无论如何复杂,总是由各种单级放大器组成的。要设计一个晶体三极管多级放大器，一般采用定性分析、定量计算和实验调整三者结合的设计方法。没有理论上的定性分析与定量估算，将是盲目的实践；但是，由于晶体管参数分散性大的特点，分析和计算不可能十分精确，只有通过实验调整才能使之完善起来。所谓定性分析，就是根据对放大器提出的技术要求（如放大倍数、工作频率范围、输出功率、输入阻抗、输出阻抗、工作作条件及其他特殊要求等），大致确定电路方案，其中包括级数，各单元电路的型式，耦合方式，是否需要负反馈或温度补偿电路等，并初步绘出电路原理图。定量估算，就是运用所介绍的分析计算方法，作初步估算，确定晶体管型号，电源电压，电路元件（如电阻、电容、变压器等）的数值。实验调整，就是根据电路方案与分析计算的结果，装制样机，进行测试调整，使各项指标合乎要求。

1 设计中的几个具体问题

1.1 放大器级数的确定

放大器的级数要根据总放大倍数来考虑，总放大倍数等于各级放大倍数的乘积。一般说来，放大器的电压放大倍数可达几十倍，两级可达几百倍，三级可达数千倍。当然，不能单纯为了追求每级放大倍数高，而尽量减少级数，因为，放大器的良好性能，是以牺牲放大倍数为代价的。例如，为了保证工作点稳定，各级的基极电阻就不能选得太大，结果造成放大倍数的下降；又如，为了改善频率特性及提高稳定性而加入负反馈电路，也会使放大倍数降低。因此，必须全面考虑，留有充分余地。有的放大器虽然要求的放大倍数不高，但级数却不少，这是有一定道理的。

1.2 各级的电路型式

（1）输入级：如果信号源不允许输出较大的电流，放大器第一级的输入电阻太低，就会影响信号源的正常工作，这时，射极输出器是最理想的输入级，因为它具有高的输入阻抗。如果信号源内阻虽然较高，但输出较大的电流并不影响其正常工作，或为了使输入级与信号源阻抗匹配，也可采用具有负反馈偏置电路的共发射极电路。那一种情况放大倍数更大一些，要根据具体电路和参数来确定。

（2）输出级：如果末级要求有高的电压输出，对于共发射极电路，集电极电阻的数值应取得大一些，以便提高放大器的电压放大倍数。如果末级要求有大的电流输出，那么，最好在末级加一个射极输出器，以降低放大器的输出阻抗，提高其带动负载的能力。如果末级要求有大功率输出，则要采用轴功率放大器电路，至于是用甲类单管还是能乙类的甲乙推挽放大电路，因为，它在功率输出、效率及失真方面均可获得满意的结果。

（3）末前级：在要求给末级提供较大功率的情况下，可采用甲类单管或甲乙推挽功率放大器电路。一般情况下，可采用共发射极放大电路。

（4）中间级： 中间级的任务是得到较大的电压和电流放大倍数。一般多用共发射极电路图，因为，它对电压和电流都有放大作用，而且，输入阻抗与输出阻抗适中。前一个特点是有可能以最少的级数来获得所需要的总的放大倍数；后一个特点便于采用阻容耦合电路。根据对整个放大器放大倍数的要求，中间级可由几级阻容耦合共发射极放大电路组成，也可用一级，甚至不用。通常，在中间级中，为了改善频率特性和提高稳定度，可在各级加适当的负反馈。

1.3 级间耦合方式

放大器各级间耦合方式分为：阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。不论采用何种耦合方式，必须满足两个要求：（1）信号畅通，即保证被放大信号顺利地由前级送到后级。（2）保证各级放大器具有合适的静态工作点，即保证各级的正常放大作用。三种耦合方式各有优缺点，简单介绍如下：

（1）阻容耦合 优点：A、比变压器耦合体积小，重量轻，价格便宜。B、和变压器耦合相比，频率特性单纯，既易分析研究又能计算，特别是高频端的特性更简单。缺点：输入端与输出端都难以完全实现阻抗匹配，加上偏置电路的损耗，因此，信号传输效率低。

（2）变压器耦合 优点：A、能够把直流通路和交流通路完全分开，因此，偏置电路和交流放大倍数的计算可以完全独立进行。

B、输入端和输出端能按照信号源或负载的阻抗实现阻抗匹配，因而能获得较大的放大倍数。C、利用变压器能够把不对称输入（或输出）变成对地为对称的输入（或输出）。缺点：A、与阻容耦合相比，频率特性差。B、造价高，体积大，而且比较重。同时，变压器耦合放大器的电特性在很大程度上与变压器绕组的绕制工艺有关，因而对绕制工艺提出了较严格要求。

（3）直接耦合 与变压器相比，直接耦合具有同阻容耦合一样的优缺点。而其突出的优点是耦合电路简单，用元件少，不存在耦合电路损耗问题，而且低音频特性好，稳定度高。因此，这种耦方式用得也很普遍。根据三种耦合电路的优缺点及实际情况，就可在选择电路方案中确定各级间的耦合方式。

2 晶体管与电源电压的选用

2.1 晶体管选用的一般原则

（1）三极管的击穿电压 在电源电压EC为已知的情况下，阻容耦合和直接耦合放大器所选晶体管的最大反向击穿电压BVceo应大于EC，变压器耦合放大器所选晶体管的BVceo应大于2EC。

（2）三极管的最大允许集电极功耗 作为功率放大的晶体管，主要是考虑在一定非线性失真范围内能输出多大的功率。所以，主要是三极管的集电极最大允许耗散功率PCM应满足要求。

在用作甲类单管功率放大时，如只考虑在室温时工作，一般选用的三极管的集电极最大允许耗散功率PCM应为需要输出的交流功率PSC的（2—3）倍。在用作甲乙类推挽功率放大时，每个三极管的最大允许集电极功耗PCM应大于推挽级两管输出交流功率的PSC（1/3—1/2）倍。此外，作为推挽电路的两个三极管，其参数和特性必须很拉近，值要相等，否则，会因推挽两臂不平衡，产生较大的非线性失真。

2.2 电源EC

一种情况是，在设计放大器时，对电源电压提出了指标，这时，可按给定的数据选择晶体管和进行电路元件的计算。有时没有给出电源电压的指标，这时，就要根据放大器的放大倍数及输出功率，确定晶体管，然后，再根据晶体管的耐压选用电源电压，以保证晶体管既能安全工作，又能输出额定功率。有些性能及稳定性要求较高的放大器，对电源电压的稳定性要求比较高，应采用晶体管稳压电源供电。

3 各级工作点的确定

多级放大器中各级的工作点往往有不同的要求。一般说来，前而几级的信号小（如为微伏或毫伏数量级），不存在非线性失真问题，为了节省电流，减小晶体管的噪声，常将放大器的工作点设置得很低，ICO和UCeO都很小，如ICO可低到0.2—0.5毫安，UCeO可低到1—2伏。多级放大器的工作点一般是从前到后，逐级提高的。对于输出级，如果是甲类单管功率放大器，考虑到是大信号工作，非线性失真较大，工作点应选在交流负载线的中点。如果输出级是小功率推挽功率放大器，为了减小交越失真，两管总的静态工作电流一般选1—5毫安。各级的偏置电路一般常用电流负反馈偏置电路。在末级功率放大器中，由于管子功耗较大，温度较高，而且电流负反馈电阻一般都很小，为了进一步提高工作点的稳定性，还常用热敏电阻或二极管等温度补偿元件。如果某两级间是采用直接耦合方式，在计算直流偏置电路时，必须注意到两级之间的相互影响。