摘要
电子设备中，往往需要放大微弱的信号，这主要是通过放大电路实现的。基本放大电路由单个晶体管或场效应管构成，为单级放大电路，其电压放大倍数可以达到几十倍。而当信号非常微弱时，单级放大电路无法满足放大需求，此时我们把若干个单级放大电路串接在一起，级联组成多级放大电路。
本文主要研究多级放大电路的分析与设计，根据各级电路级间耦合方式的不同，分别设计了直接耦合放大电路、阻容耦合放大电路和光耦合放大电路，分析了电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等指标特性。在此基础上，讨论了差分放大电路以及消除互补输出级交越失真的方法。
最后，以前面的讨论为基础，设计了一款具有差分输入的多级放大电路，对电路性能指标进行了设定，并分析了各部分的作用。
2.1直接耦合多级放大电路的设计 2.1.1 设计原理
根据设计要求，本设计主要采用两级放大，为了传递变化缓慢的直流信号，可以把前级的输出端直接接到后级的输入端。这种连接方式称为直接耦合。如图2.1所示。直接耦合式放大电路有很多优点，它既可以放大和传递交流信号，也可以放大和传递变化缓慢的信号或者是直流信号，且便于集成。实际的集成 运算放大器其内部就是一个高增益的直接耦合多级放大电路。直接耦合放大电路，由于前后级之间存在着直流通路，使得各级静态工作点互相制约、互相影响。因此，在设计时必须采取一定的措施，以保证既能有效地传递信号，又要使各级有合适的工作点。
图2.1 直接耦合两级放大电路
通常在第二级的发射极接入稳压二极管，这样既提高了第二级的基级电位，也使第一级的集电极静态电位抬高，脱离饱和工作区，可以使整个电路稳定正常的工作，稳定三极管的静态工作点。
但是在一个多级放大电路的输入端短路时，输出电压并非始终不变，而是会出现电压的随机漂动，这种现象叫做零点漂移，简称零漂。产生零漂的原因有很多，主要是以下两点：一方面，由于元器件参数，特别是晶体管的参数会随温度的变化而变化；另一方面，即使温度不变化，元器件长期使用也会使远见老化，参数就会发生变化，由温度引起的叫做温漂，由元器件老化引起的叫做零漂，在多级放大电路中，第一级的影响尤为严重，它将被逐级放
大，以至影响整个电路的工作，所以零漂问题是直接耦合放大电路的特殊问题。
解决零漂的方法有很多种，例如引入直流负反馈来稳定静态工作点，以减小零漂；利用温度补偿元件补偿放大管的零点漂移，利用热敏电阻或二极管来与工作管的温度特性相补偿； 利用工作特性相同的管子构成对称的一种电路—差动放大电路，这是最为行之有效的方法，故本次设计采用差动放大电路来设计实现。 2.1.2 设计电路与仿真
仿真电路如图2.2所示，第一级为差分输入电路，第二季为放大电路，第一级的两个差分对管由两个特性相同的管子构成，属于双端输入单端输出电路。
图2.2 仿真电路图
为了电路处在正常的工作范围内，需要在零输入的情况下，是系统的输出尽可能的小，所以在测试过程中，需要校准调零，除此之外，在第一级采用射级差动电路，共射级输出接三极管，该三极管的基级利用3.7V的稳压管来实现供电，使得差分管的集电极电位保持稳定电位，减小集电极电流的变化，使得管子正常工作，提高稳定性。如图2.3所示，万用表显示调零示数
图2.3 调零示数显示
调零过程中，电位的变化如表2.1所示
表2.1
由于整个输入级采取差分输入的电路，因此在测量的过程中，测出的电压放大倍数就是差模电压放大倍数，整个电压的测量结果利用示波器显示，示波器显示结果如图2.4所示，测量结果表格如表2.2所示
图2.4 示波器测量结果图
表2.2 电压放大倍数的测试
为了更好完善电路的功能，电路的设计的过程中考虑到共模抑制比的问题，在测量的过程中考虑到，工模电压放大倍数的测量，整个测量电路图与整个仿真电路图相同，测量数据的表格如表2.3所示
表2.3 共模电压倍数的测量
具有理想对称的差分放大电路抑制共模信号的能力很强，因此以它作直接耦合多级放大电路的输入级可提高整个电路的的共模抑制比. 2.2 阻容耦合多级放大电路 2.2.1 设计原理
图2.5 阻容耦合多级放大电路
通过电阻和电容将前级输出接下一级的输入，相当于只接入了一个电容，但考虑到输入电阻，则每个电容都与电阻相连，故称这种连接为阻容耦合。
前后级电路通过前一级的电容与后一级的电阻相连，实现前后级耦合，耦合电容起隔直流通交流的作用，因此，各级静态工作点彼此独立，互不影响。只要耦合电容足够大，前级信号就能在一定的频率范围内几乎无衰减的通过。
阻容耦合电路具有交流信号传输损失小，放大倍数高，电路的温漂小，体积小，成本低等优点而被广泛的应用。 2.2.2 设计电路及仿真
仿真电路如图2.5所示，前一级为共集电极放大电路，前一级的带负载能力比较强，后一级为共射级放大电路，电流与电压的放大倍数比较大。
图 2.5 阻容耦合多级仿真电路
如图所示，经过计算电路的输入电阻为82KΩ，输出电阻10KΩ，第一级的放大倍数为0.968，第二级的放大倍数为-147，从而得到整个电路的放大倍数为-114，下面就瞬态响应，直流分析，交流分析对电路进行讲解。
瞬态分析的过程主要是对针对电路的时域响应进行分析，本次设计主要针对电路的设计，将电路的几个节点的电压情况进行分析，第一级的输入节点1，第一级的输出节点3，第二级的输出节点8，瞬态分析的波形图如图2.6,2.7,2.8所示，分别为节点1,3,8的波形图
图
2.6
图
2.7
图2.8
根据仿真的波形图，观察输出电压的幅值，可知第一级的放大倍数约为0.968左右，总的放大倍数约为114左右，满足理论计算的要求，同时输出波形的失真比较小，满足放大电路的设计要求。
交流分析，交流分析主要是对频率，幅度的分析，仿真过程如图2.9,2.10所示
图2.9 交流分析参数设置
图2.10 交流仿真结果
交流仿真的过程主要是对节点8的输出电压信号进行仿真观察，由上述的波形图可
知，电路的放大倍数约为110左右，与理论计算结果相符合，同时可以看到幅度和相位对于频率的响应，电路在频率为100Hz-1MHz之间可以保证信号几乎无失真的通过，放大电路对于频率在这一范围内的信号的放大能力最强，由于电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号较低或较高时，放出倍数的数值会下降并产生相移。
直流分析，直流分析主要是用来实现对于直流信号扫描过程中的响应，仿真的过程如图2.11，2.12所示
图2.11
直流参数设置
2.12 直流仿真结果
扫面过程中的信号源为VCC，电路的扫描范围设置为0-12V，观察节点6的电压变化情况，输出变量V相对于输入变量的小信号转移特性分析。在线性扫描的情况下，当VCC在
0-12V变化时，V6在0-19V内线性变化。
在进行电路的仿真和测试中，明显的看到两级阻容耦合放大电路的放大能力比单管的放大电路的放大能力强，在交流分析、直流分析、瞬态分析、温度分析中看到：两级阻容耦合放大电路的放大能力很强，由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻抗耦合放大电路各级之间的直流通路各不相同，各级的静态工作点相互独立。而且只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级电容容量较大，前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，但只是在一定频率范围内具有这样的放大能力，对于低频和高频的放大能力较弱。
摘要
电子设备中，往往需要放大微弱的信号，这主要是通过放大电路实现的。基本放大电路由单个晶体管或场效应管构成，为单级放大电路，其电压放大倍数可以达到几十倍。而当信号非常微弱时，单级放大电路无法满足放大需求，此时我们把若干个单级放大电路串接在一起，级联组成多级放大电路。
本文主要研究多级放大电路的分析与设计，根据各级电路级间耦合方式的不同，分别设计了直接耦合放大电路、阻容耦合放大电路和光耦合放大电路，分析了电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等指标特性。在此基础上，讨论了差分放大电路以及消除互补输出级交越失真的方法。
最后，以前面的讨论为基础，设计了一款具有差分输入的多级放大电路，对电路性能指标进行了设定，并分析了各部分的作用。
2.1直接耦合多级放大电路的设计 2.1.1 设计原理
根据设计要求，本设计主要采用两级放大，为了传递变化缓慢的直流信号，可以把前级的输出端直接接到后级的输入端。这种连接方式称为直接耦合。如图2.1所示。直接耦合式放大电路有很多优点，它既可以放大和传递交流信号，也可以放大和传递变化缓慢的信号或者是直流信号，且便于集成。实际的集成 运算放大器其内部就是一个高增益的直接耦合多级放大电路。直接耦合放大电路，由于前后级之间存在着直流通路，使得各级静态工作点互相制约、互相影响。因此，在设计时必须采取一定的措施，以保证既能有效地传递信号，又要使各级有合适的工作点。
图2.1 直接耦合两级放大电路
通常在第二级的发射极接入稳压二极管，这样既提高了第二级的基级电位，也使第一级的集电极静态电位抬高，脱离饱和工作区，可以使整个电路稳定正常的工作，稳定三极管的静态工作点。
但是在一个多级放大电路的输入端短路时，输出电压并非始终不变，而是会出现电压的随机漂动，这种现象叫做零点漂移，简称零漂。产生零漂的原因有很多，主要是以下两点：一方面，由于元器件参数，特别是晶体管的参数会随温度的变化而变化；另一方面，即使温度不变化，元器件长期使用也会使远见老化，参数就会发生变化，由温度引起的叫做温漂，由元器件老化引起的叫做零漂，在多级放大电路中，第一级的影响尤为严重，它将被逐级放
大，以至影响整个电路的工作，所以零漂问题是直接耦合放大电路的特殊问题。
解决零漂的方法有很多种，例如引入直流负反馈来稳定静态工作点，以减小零漂；利用温度补偿元件补偿放大管的零点漂移，利用热敏电阻或二极管来与工作管的温度特性相补偿； 利用工作特性相同的管子构成对称的一种电路—差动放大电路，这是最为行之有效的方法，故本次设计采用差动放大电路来设计实现。 2.1.2 设计电路与仿真
仿真电路如图2.2所示，第一级为差分输入电路，第二季为放大电路，第一级的两个差分对管由两个特性相同的管子构成，属于双端输入单端输出电路。
图2.2 仿真电路图
为了电路处在正常的工作范围内，需要在零输入的情况下，是系统的输出尽可能的小，所以在测试过程中，需要校准调零，除此之外，在第一级采用射级差动电路，共射级输出接三极管，该三极管的基级利用3.7V的稳压管来实现供电，使得差分管的集电极电位保持稳定电位，减小集电极电流的变化，使得管子正常工作，提高稳定性。如图2.3所示，万用表显示调零示数
图2.3 调零示数显示
调零过程中，电位的变化如表2.1所示
表2.1
由于整个输入级采取差分输入的电路，因此在测量的过程中，测出的电压放大倍数就是差模电压放大倍数，整个电压的测量结果利用示波器显示，示波器显示结果如图2.4所示，测量结果表格如表2.2所示
图2.4 示波器测量结果图
表2.2 电压放大倍数的测试
为了更好完善电路的功能，电路的设计的过程中考虑到共模抑制比的问题，在测量的过程中考虑到，工模电压放大倍数的测量，整个测量电路图与整个仿真电路图相同，测量数据的表格如表2.3所示
表2.3 共模电压倍数的测量
具有理想对称的差分放大电路抑制共模信号的能力很强，因此以它作直接耦合多级放大电路的输入级可提高整个电路的的共模抑制比. 2.2 阻容耦合多级放大电路 2.2.1 设计原理
图2.5 阻容耦合多级放大电路
通过电阻和电容将前级输出接下一级的输入，相当于只接入了一个电容，但考虑到输入电阻，则每个电容都与电阻相连，故称这种连接为阻容耦合。
前后级电路通过前一级的电容与后一级的电阻相连，实现前后级耦合，耦合电容起隔直流通交流的作用，因此，各级静态工作点彼此独立，互不影响。只要耦合电容足够大，前级信号就能在一定的频率范围内几乎无衰减的通过。
阻容耦合电路具有交流信号传输损失小，放大倍数高，电路的温漂小，体积小，成本低等优点而被广泛的应用。 2.2.2 设计电路及仿真
仿真电路如图2.5所示，前一级为共集电极放大电路，前一级的带负载能力比较强，后一级为共射级放大电路，电流与电压的放大倍数比较大。
图 2.5 阻容耦合多级仿真电路
如图所示，经过计算电路的输入电阻为82KΩ，输出电阻10KΩ，第一级的放大倍数为0.968，第二级的放大倍数为-147，从而得到整个电路的放大倍数为-114，下面就瞬态响应，直流分析，交流分析对电路进行讲解。
瞬态分析的过程主要是对针对电路的时域响应进行分析，本次设计主要针对电路的设计，将电路的几个节点的电压情况进行分析，第一级的输入节点1，第一级的输出节点3，第二级的输出节点8，瞬态分析的波形图如图2.6,2.7,2.8所示，分别为节点1,3,8的波形图
图
2.6
图
2.7
图2.8
根据仿真的波形图，观察输出电压的幅值，可知第一级的放大倍数约为0.968左右，总的放大倍数约为114左右，满足理论计算的要求，同时输出波形的失真比较小，满足放大电路的设计要求。
交流分析，交流分析主要是对频率，幅度的分析，仿真过程如图2.9,2.10所示
图2.9 交流分析参数设置
图2.10 交流仿真结果
交流仿真的过程主要是对节点8的输出电压信号进行仿真观察，由上述的波形图可
知，电路的放大倍数约为110左右，与理论计算结果相符合，同时可以看到幅度和相位对于频率的响应，电路在频率为100Hz-1MHz之间可以保证信号几乎无失真的通过，放大电路对于频率在这一范围内的信号的放大能力最强，由于电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号较低或较高时，放出倍数的数值会下降并产生相移。
直流分析，直流分析主要是用来实现对于直流信号扫描过程中的响应，仿真的过程如图2.11，2.12所示
图2.11
直流参数设置
2.12 直流仿真结果
扫面过程中的信号源为VCC，电路的扫描范围设置为0-12V，观察节点6的电压变化情况，输出变量V相对于输入变量的小信号转移特性分析。在线性扫描的情况下，当VCC在
0-12V变化时，V6在0-19V内线性变化。
在进行电路的仿真和测试中，明显的看到两级阻容耦合放大电路的放大能力比单管的放大电路的放大能力强，在交流分析、直流分析、瞬态分析、温度分析中看到：两级阻容耦合放大电路的放大能力很强，由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻抗耦合放大电路各级之间的直流通路各不相同，各级的静态工作点相互独立。而且只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级电容容量较大，前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，但只是在一定频率范围内具有这样的放大能力，对于低频和高频的放大能力较弱。