多级、RF和功率放大器

本章总结

关键术语

A类：在所有时间内都工作在线性区的放大器。

AB类：偏置成微导通状态的放大器，Q点稍高于截止区。

B类：一种放大器。它的Q值处于截止区，使得输出电流只在输入信号的半个周期内变化。

C类：一种放大器。它偏置在低于截止区，并有调谐电路负载。

D类：一种非线性开关放大器。它使用脉冲宽度调制、推挽开关放大器和低通滤波器。

闭环电压增益：包含负反馈的放大器的净电压增益。

镜像电流源：一种运用匹配二极管结组成电流源的电路。二极管中的电流是另一个匹配的二极管(一般为晶体管的发射结)中电流的镜像。镜像电流通常用于偏置推挽放大器。

效率(功率)：提供给负载的信号功率与直流电源功率之比。

中频：一个低于无线电频率的固定频率，通过RF信号频率与振荡器频率混合来产生。

混频器：一种将两种信号混合并产生频率和或频率差的非线性电路。

开环电压增益：没有外部反馈时放大器的电压增益。

功率增益：放大器提供给负载的功率与放大器的输入功率的比值。

脉冲宽度调制：将输入信号转换成一系列脉冲的过程，而且脉冲宽度与信号幅度成比例。

推挽：一种由两个晶体管组成的B类放大器。一个晶体管在半个周期导通，另一个晶体管在另外半个周期导通。

品质因数(Q)：一种无量纲的数值，它是一个周期内存储的最大能量与一个周期内损失掉的能量的比值。

重要公式

5.1 电容耦合放大器

两个或多个晶体管可以连接在一起组成一个放大器，该放大器称为多级放大器。

本节将学习电容耦合放大器，也称为RC(阻容)耦合放大器。

本节问题

1. 为了求多级放大器的总增益，每一级都需要知道哪三个参数?

3．作为多级放大器的输入级，FET有什么优点?

低噪声和高输入电阻

4．为什么多级放大器的第一级对于减少噪声来说最重要?

信号很弱很容易被噪声湮没

5.2 RF放大器

一般来说，射频(RF)是指用来进行无线传输的频率，范围包括从大约10kHz的实际低频到300GHz 以上。

在100kHz以上，放大器经常在输入端、输出端或负载端采用调谐电路，因此很多人喜欢将工作在100kHz以上的放大器称作RF放大器。

5.2.1 传输线

当高频信号或者快速上升的数字信号从某一点传输到另一点时，传输线将会产生很多不利的影响，比如信号的衰减、高频响应的下降和噪声的增加。

考虑由两条电线组成传输线，用它来将一个高频信号从一个点发送到另一个点。

电线会有一个电感L，它沿着电线方向为串联形式，同时也会有一个电容C，它在两个传导线之间以并联方式存在。(两个导体用一个绝缘体来分隔形成一个电容。)

在高频时，串联的电感上升，而并联的电容下降。

当段数大于10后，再继续增加段数，传输线的阻抗几乎不变。也就是说，阻抗不取决于传输线的长度。这个固定的阻抗值称为传输线的特征阻抗。

5.2.2 终止传输线

在高频下，即使一小段传输线相对于信号波长来说也可能是很长的。当来自信号源的信号(入射波)到达传输线终端时，它会被反射回到信号源(反射波)。

入射波和反射波沿着线长互相作用，在线上形成驻波。

驻波会对电视信号产生诸如叠影之类的不期望影响而且会增加噪声。为了防止驻波，需要在终端加上一个和传输线特征阻抗相同的电阻负载。当传输线以该方式终止时，整个传输线对于信号源而言呈现电阻特性。

5.2.3 高频考虑

电感效应：在高频(大约10MHz 以上)时，传输线不再是一条简单的导电通路，而成为一个有效的电感。这是由于趋肤效应造成的，趋肤效应会导致电流移动到导体的外表面。

为了避免电感的不利影响，高频电路中的电线应该尽可能的短。

电容效应：在高频的时候，由于电容效应不断增加，晶体管放大器可能会越来越无效。所有有源器件在它们的各极之间都有内部电容。这些内部电容对于高频模拟信号而言相当于低阻抗通路，因此降低了这些器件的有效性。

在数字电路中，内部电容限制了脉冲从一个电平变化到另一个电平的速度。因此专门设计了高频晶体管来减小内部电容。

5.2.4 调谐放大器

带谐振电路的放大器在通信系统中很常见，因为通信系统采用很高的频率。大于100kHz的频率通常称为射频或RF。工作在这些频段的放大器被称为射频(RF)放大器。

谐振电路的中心频率(假设Q很大)可利用基本的谐振频率方程计算得到。

调谐放大器的带宽是由谐振电路的Q(品质因数)决定的。品质因数(Q)是一个无量纲的数值，它是一个周期内储存的最大能量和一个周期内损耗的能量的比值。

中和是加入相同量的负反馈(反相)来抵消放大器中由于内部电容所产生的正反馈(同相)的过程。

本节问题

1. 同轴电缆对于传输RF信号有何优势?

同轴电缆是高频电缆，阻抗为常数且与其长度无关。外部导体帮助屏蔽信号并阻止干扰。

2. 中和是什么意思?

通过增加负反馈消除由放大器内部电容产生的正反馈从而阻止不必要的振荡的方法叫中和。

3. AGC是什么?

自动增益控制

4. Q的定义是什么?

Q是一个无量纲的值，是一个周期内存储的最大能量与一个周期内损失的能量之比。

5.3 变压器耦合放大器

变压器可以用来将信号从一级耦合到另一极。虽然主要用于高频设计中，但它也可用于低频功率放大器中。

5.3.1 低频应用

大多数放大器要求直流信号应该与交流信号隔离。已经提及电容具有隔直流通交流的作用。变压器也具有隔直流(没有提供直接的通路)通交流的性能。

虽然变压器耦合比RC耦合具有更高的效率，但由于存在两个缺点，变压器耦合不能广泛应用于低频电路。

首先，与电容相比，变压器价格比较昂贵，并且比较笨重；其次，由于绕组电抗的作用而使其高频响应变差。由于上述原因，低频变压器耦合并不常用，但在某些A类功率放大器中会有使用。

5.3.2 高频应用

在高频段，变压器会比较小，并且也相对便宜。对于在一定带宽范围内耦合信号而言具有重要的优势。正如在上一节中所看到的，在高频段，变压器初级可以接上一个并联电容来形成一个高Q值的谐振电路。

在信号处理中，通常要通过将RF和振荡器混合来将无线频率转换成较低的频率。得到的这个新低频称为中频(IF)。调谐变压器耦合在RF和IF放大器中都很重要。

使用IF的主要优点是它是一个固定频率，并且对于任何给定的RF信号(在设计范围内)，调谐电路无需改变。这可以通过让振荡器跟踪RF信号来完成。因为IF固定，所以用固定的调谐电路来进行放大就很简单，无须用户进行任何调整。

本节问题

1. RF和IF信号有何不同?

RF表示无线电频率，是任何能用于无线电传输的频率。IF表示中频，它表示被转换成易于处理的频率。

2. 混频器的功能是什么?

混频器将非线性电路中的两个信号进行混合，产生频率和或频率差。频率差就是中频。

3. 在混频器中，混合的两个信号是什么?

射频信号和来自于本地振荡器的信号

4. 调谐变压器二次侧的负载电阻会对调谐电路的Q值产生什么影响?

通过将电阻反射回一次性，负载电阻影响Q值。由于Q是X_L和R的比值，因此R增大时Q变小。

5. 为什么在测试IF级时，要使用高阻抗、低电容的仪器?

任何接入电路的仪器都能改变电路的Q值，因为电阻的负载效应，同时由于电容的负载效应会改变频率。

5.4 直接耦合放大器

另一种耦合信号的重要方式是直接耦合。采用直接耦合，级间没有耦合电容和变压器。根据输入和输出信号的耦合方式，某些放大器可以放大低至直流的任何频率的信号。

图5-17是一个直接耦合放大器。信号从Q1的集电极直接耦合到Q2的基极。

由于是直接耦合，Q2的基极电流是由Q1提供，因此对于Q2不需要任何偏置电阻，以及级间不需要耦合电容。

虽然级间是直接耦合，但在这个放大电路中，为了避免外部信号源和负载干扰直流电压，有必要在输入、输出端对交流信号进行耦合(通过电容)。

5.4.1 负反馈增强偏置稳定性

它能够大大改善偏置稳定性。为了避免对偏置电压造成干扰**，输入和输出信号采用电容耦合**。

因为电路中有两个晶体管，所以红色显示的反馈网络利用了相对于单个晶体管产生的额外增益，使电路相对于β的变化和温度的变化非常稳定。

5.4.2 负反馈增强增益稳定性

负反馈提高了偏置稳定性，使其与β无关。

那么，将负反馈用于交流信号是否也能提高增益稳定性，并且与β无关?

将会看到，负反馈会产生自校正行为来稳定电压增益。修改后的电路如图5-20所示，并说明如何达到稳定电压增益的目的。

本节问题

1. 直接耦合放大器的主要优点是什么?

直接耦合可以减少器件数量，允许一直到直流的频率通过。

2. 负反馈如何稳定偏置和增益?

负反馈将输出的一部分返回到输入，从而消除偏置电路或增益上的变化。

3. 为什么在CE放大器的发射极上加上旁路电容可以提高增益稳定性而不能提高偏置的稳定性?

电容对直流电路没有影响，但是它提高了开环增益。较高的开环增益意味着电路参数的微小变化产生的影响也很小。

4. 图5-20中的电路增益如何计算?

增益由反馈系数的倒数决定。

5.5 A类功率放大器

当放大器所加的偏置始终使它工作在线性区，即输出信号是输入信号的放大复制时，它就是A类放大器。前面章节的讨论和式子都适用于A类工作状态。

功率放大器是指将功率传送给负载的放大器。这意味着必须考虑到这些元件的散热能力。

5.5.1 散热

功率晶体管(和其他功率器件)必须驱散内部产生的过量热量。对于双极型功率晶体管，集电极是最关键的部位，所以晶体管外壳始终与集电极相连。所有功率晶体管的外壳都在管子和散热槽之间设计有一个较大的接触面积。

很多系统需要功率放大器或者其他电路，但是会产生不需要的热量。这正是A类放大器低效的一个原因，这也限制了它们在低功率应用的使用。

5.5.2 中心Q点

直流负载线和交流负载线在Q点相交。当Q点位于交流负载线的中点时，就能得到A类信号的最大值。

如果Q点不在交流负载线的中心，输出信号就会受到限制。

本节问题

1. 散热器的作用是什么?

耗散过大的热量

2. 双极晶体管的哪个电极连接到外壳?

集电极

3. A类放大器的两类削波失真是什么?

截止和饱和削波

4. A类放大器的最大理论效率是多少?

25%

5. CC放大器的功率增益如何表示成电阻的比值?

它是输入电阻与输出电阻之比。

5.6 B类功率放大器

当放大器的偏置使其在输入信号的半个周期内处于线性工作区域，而在另外半个周期内处于截止状态时，该放大器就属于B类放大器。

相比于A类放大器，B类放大器的优势是它的效率更高。在给定大小的输入功率下，B类放大器能获得更多的输出功率。

一般来说，B类放大器至少需要两个有源器件，它们交替来放大输入波形中正的部分和负的部分。这种方式称为推挽。

5.6.1 Q点放大器偏置在截止区

B类放大器偏置在截止区，因此I_CQ=0，V_CEQ= V_CE(cutoff)。这样，当没有信号时，就没有直流电流或者功率损耗。当某信号驱动B类放大器进入导通后，它运行在线性区域。

5.6.2 推挽工作

可以看到图5-27中的电路只在正半周期导通。为了放大整个周期信号，必须增加第二个B类放大器，并使它在负半周期工作。将两个B类放大器组合在一起工作称为推挽工作。

变压器耦合：变压器耦合如图5-28所示。输入端变压器的二次绕组是中间抽头的，中间抽头接地，因此二次侧两端的信号互为反相。这样输入端变压器将输入信号转变成两路反相的输出信号后传输给晶体管。

互补对称晶体管：图5-29给出了一个最常用的推挽B类功率放大器，它使用两个射极跟随器，以及两个正负电源供电。这是互补放大器，因为一个射极跟随器使用npn晶体管，而另一个使用pnp，分别在输入信号的两个半周期内交替导通。

5.6.3 交越失真

当基极直流电压为0时，输入信号电压必须大于V_BE才能使晶体管导通。结果是在输入信号正负交替的一个时间间隔内，两个晶体管都不导通。此时在输出波形上产生的失真叫作交越失真。

5.6.4 推挽放大器的偏置

为了克服交越失真，将偏置调整到恰好克服晶体管的V_BE，这样修改后的工作方式称为AB类。在AB类的工作状态下，即使在没有信号输入的情况下，推挽级被偏置在微导通状态。这可以通过分压器和二极管来完成，如图5-31所示。

当二极管D1和D2的特性与晶体管发射结的特性相匹配时，二极管中的电流与晶体管的电流相同，这称为镜像电流。这个镜像电流使放大器工作在AB类并消除了交越失真。

在必定会产生低失真的系统(比如音频系统)中，会使用AB类功率放大器。通常情况下，一块含有多个晶体管的集成电路可以用于产生镜像电流。

5.6.6 单电源工作

互补对称推挽放大器可以组成单电源工作方式，如图5-35所示。电路工作原理与前面描述的相同，只是此偏置方式会使得发射极输出电压为Vcc/2，而不是双电源时的0V。

因为输出不是偏置在0V，所以必须在输入和输出采用电容耦合来将偏置电压与信号源和负载电阻相隔离。理想情况下，输出电压可以从О变到Vcc，但实际上达不到这个理想值。

5.6.7 MOSFET推挽放大器

当MOSFET刚开始进入商业领域时，不能处理功率器件所需的大电流。近年来，随着MOSFET技术的不断提高，出现了高功率的MOSFET，它们在数字电路和模拟电路的功率放大器的设计中表现出了很多优点。MOSFET非常可靠，只要不超过明确的额定电压、额定电流，以及额定温度。

与BJT相比较，MOSFET有很多优点但是同时也有一些缺点。与BJT相比，MOSFET主要的优点是偏置电路更加简单，驱动要求更加简单，并且可以通过并联来增加电路的驱动能力。除此之外，MOSFET一般不容易出现热不稳定性。

本节问题

1. 双电源的B类互补对称放大器的优势是什么?

信号可以在输入或者输出端直接耦合；元件数量会减少。

2. 什么是交越失真?如何避免它?

当输入信号小于推挽放大器的发射结压降时，就会产生交越失真。通过将B类放大器偏置在微导通使得其为AB类放大器，可以避免交越失真。

3. B类放大器理论上最大效率为多少?

79%

4. 应该如何偏置E-MOSFET使之以AB类放大器方式工作?

在阈值电压处

5. 图SE5-2中的电路为什么只有三个二极管?

由二极管对三个发射结带来的影响进行补偿。

5.7 C类和D类功率放大器

C类放大器主要应用于射频电路，比如FM发射器。它们一般都是围绕BJT和JEFT来搭建。

D类放大器是非线性开关放大器，主要利用MOSFET来搭建电路。在过去某一段时间，D类放大器主要用于开关应用，例如电机控制。

5.7.1 C类放大器的基本工作原理

C类放大器工作原理的基本概念如图5-40所示。图5-41a给出了一个具有电阻性负载的共发射极C类放大器。C类放大器一般和谐振电路负载一起工作，因此使用的电阻性负载只为了来说明概念。利用负的V_BB电源使放大器偏置在截止电压以下。

5.7.2 功耗

C类放大器中晶体管的功耗很低，因为在整个输入周期中，晶体管只在一个很小的时间段内导通。

图5-42a给出了集电极电流脉冲。两个脉冲之间的时间为交流输入电压的周期(T)。在晶体管导通期间，集电极电流和集电极电压如图5-42b所示。

为了避免复杂的数学运算，假设了理想的脉冲近似。通过这个简化，如果输出在整个负载线上波动，那么在晶体管导通期间，最大电流幅值为I，最小电压幅值为V。因此，导通期间的功耗P

5.7.3 调谐工作原理

因为集电极电压(输出)不是输入的复制，所以电阻性负载C类放大器本身在线性应用中是没有价值的。因此必须采用一个具有并联谐振电路(储能电路)的C类放大器。

储能电路只有在谐振频率附近有很高的阻抗，因此只有在谐振频率处的增益很高。

5.7.5 C类放大器的钳位偏置

图5-46所示电路是一个带有基极偏置钳位电路的C类放大器。发射结相当于二极管。

5.7.6 D类放大器的基本工作原理

在D类放大器中，输出晶体管作为开关工作，而不是像A、B、AB中那样线性工作。D类放大器在音频应用中一个优势是它的工作效率可以达到理论上的100%，而A类放大器只有25%，B/AB类放大器只有79%。实际中，D类放大器可以实现大于90%的效率。

5.7.7 PWM

脉宽调制(PWM)是将输入信号转换为一系列脉冲的过程，脉冲宽度与输入信号的幅度成比例变化。图5-50 以一个周期的正弦波为例给出了解释。注意，当幅度为正时，脉冲宽度较宽；而幅度为负时，脉冲宽度较窄。如果输入为0，则输出是一个方波。

介绍一下比较器最基本的工作原理。比较器有两个输入端，一个输出端，如图5-51所示。标有“+”的输人端称为同相输人端，标有“一”的输入端为反相输入端。

当反相输入端电压大于同相输入端电压时，比较器切换到负饱和输出状态。如果同相输入端电压大于反相输入端电压，则比较器切换至正饱和输出状态。

5.7.8 互补MOSFET

将MOSFET设置成在一个共源互补组态来提供功率增益。每个晶体管在导通和截止状态之间切换，并且当一个晶体管导通时，另一个截止，如图5-53所示。

当一个晶体管导通时，它两端的电压非常小，因此它的功耗也很小，即使它上面流过很大的电流。记住，MOSFET的导通电阻非常小。当晶体管处于截止状态时，没有电流通过，因此就没有功率损耗。晶体管里功耗只发生在很短的切换时间里。传输给负载的功率可以非常高，

5.7.9 低通滤波器

低通滤波器除去调制频率和谐波，只传递原始信号到输出端。滤波器具有仅允许通过输入信号频率的带宽，如图5-54所示。

5.7.10 信号流

图5-55给出了D类放大器中每个点的信号。一个小的音频信号被加入到系统中并进行脉宽调制后在调制器输出端生成一个PWM信号。

其中调制器也实现了电压增益。PWM驱动互补MOSFET级实现功率放大。PWM信号经过滤波，在输出端产生一个放大的音频信号，它拥有足够的功率来驱动扬声器。

本节问题

1. 一个C类放大器一般如何偏置?

偏置在低于截止区。

2. 在C类放大器中调谐电路的作用是什么?

调谐电路只对接近谐振频率的一个很小的带宽内的频率具有很高的增益。

3. 说出D类放大器的三级电路。

三级分别是脉宽调制器、开关放大器、低通滤波器。

4. 在脉冲宽度调制中，脉冲宽度与什么成比例?

与输入信号的振幅成比例。

5. D类放大器中低通滤波器的作用是什么?

低通滤波器移除调制频率和谐波，只容许输入信号通过。

5.8 IC功率放大器

集成电路(IC)是在单个硅片上由许多互联的电路元器件(电阻、二极管、晶体管)组成的具有一定功能的电路。对于模拟电子来说，第6章介绍的运算放大器是最常见的IC。

本节问题

1. IC功率放大器有哪些应用?

消费类产品中的小放大器(电视机、收音机、免提电话)、警报器、对讲机、小型电动机控制器等。

2. IC功率放大器相对于分立电路有什么优点?

简化应用，可靠，成本较低

3. LM384 的电压增益是多少?

50

4. LM384 的两个输入叫什么?

反相端和同相端