阻容耦合放大器

在实际应用中，放大器的输入信号功率往往很小，只有几微瓦，而输出功率有时却需要几百毫瓦到几十瓦，相差几十万到几千万倍，单靠一级放大器显然是不够的。必须把两个以上的单级放大器连接起来，将信号一级一级地连续放大，这就是多级放大器。多级放大器的总放大倍数等于各级放大倍数的连乘，即K＝K\(_{1}\)K2K\(_{3}\)……。

毛主席教导我们说：“任何运动形式，其内部都包含着本身特殊的矛盾。这种特殊的矛盾，就构成一事物区别于他事物的特殊的本质。”多级放大器的特殊矛盾是什么呢？就是放大器各级之间的连接问题，即耦合问题。

最常见的级间耦合方式有阻容耦合和变压器耦合。这一讲介绍阻容耦合。

图1为两级阻容耦合电路。信号V\(_{s}\)从C1送入第一级，放大后又通过C\(_{2}\)送到第二级。这里电容器C1、C\(_{2}\)和C3不但隔断直流，使前后两级的直流工作点不致互相影响，而且传递了信号，所以通常称它们为耦合电容。这种通过电阻电容将放大级连接起来的多级放大器，就叫做阻容耦合放大器。下面分四个方面来谈。

在谈放大器的输入、输出阻抗以前，先介绍一下晶体管的输入、输出电阻。

对于单级放大器来说（例如图1电路中的第一级），若送入信号V\(_{s}\)，则耦合电容C1和发射极旁路电容C\(_{e1}\)对信号可看作是短路的，所以输入端的情况可等效地画成图2。信号Vs等于直接加到了晶体管e－b间。这样，晶体管e－b间的电压V\(_{eb}\)就随信号Vs而变。根据晶体管输入特性可知，基极电流i\(_{b}\)随Veb而变。因此，可认为晶体管。e－b间存在一个电阻r\(_{eb}\)，根据欧姆定律，reb=\(\frac{V}{_{eb}}\)ib=V\(_{s}\);ib。r\(_{eb}\)就是晶体管的输入电阻。由于放大电路中，发射结总处于正向电压工作状态，所以共发射极电路晶体管输入电阻的数值较小，低频小功率管一般只有1千欧左右，大功率管只有几十欧。

同样，晶体管输出端c－e间的电压V\(_{ce}\)和电流ic亦会随i\(_{b}\)而变，所以也可以认为输出端c－e间有一个电阻rce存在，叫做输出电阻。因为集电极总是加的反向电压，所以r\(_{ce}\)较大，小功率管约几十千欧，大功率管约几千欧。

上面讲的输入电阻和输出电阻都是指有信号输入时的情况，即指的是动态电阻。严格说来，晶体管的发射结和集电结都存在着电容，所以r\(_{be}\)和rce实质上是随信号频率而变化的阻抗，通常，由于结电容很小，在低频时可以忽略不计，只考虑电阻部分，不作严格区分。

放大器的输入阻抗，从图1电路的第一级来看，就是从AE两点向右看进去的阻抗。我们可以将放大器输入端等效画成图3。由于C\(_{1}\)和Ce1对交流信号来说可看成短路，晶体管部分用它的输入电阻代替，电源E\(_{c}\)的内阻忽略不计，所以图3中就剩下R1R\(_{2}\)rbe三个电阻并联。从图3可以看出，放大器的输入电阻就是R\(_{1}\)R2r\(_{be}\)三个电阻并联后的数值。由于R1和R\(_{2}\)都比rbe大很多，所以R\(_{1}\)R2r\(_{be}\)的并联值近似等于rbe。

放大器的输出阻抗R\(_{0}\)，从图1电路第一级来看，就是从输出端BE两点向左看进去的阻抗。BE左边，CeC\(_{2}\)对交流信号可看成短路，晶体管部分可用输出电阻rce代替，电源E的内阻可忽略不计，这样就可画成图4等效电路。图4中还画了一个信号源V\(_{s1}\)，代表被放大了的交流信号。从图4可看出，输出阻抗就是rbe与R\(_{c1}\)的并联值。由于rce较大，所以r\(_{ce}\)与Rc1的并联值差不多等于R\(_{c1}\)。

总之，共发射极放大电路的输入阻抗很低，而输出阻抗较高，这是研究耦合问题时必须考虑的一个特点。

以C\(_{2}\)为例。第一级的输出，通过C2加到第二级。放大器第二级的输入阻抗，上面已谈到，近似等于r\(_{be}\)，因此可作出图5等效电路。从图5可看出，C2和r\(_{be}\)组成Vs1的分压器。要使信号V\(_{s1}\)绝大部分加到rbe上，必须使C\(_{2}\)的阻抗尽量小。要C2阻抗小，必须使C\(_{2}\)的电容数值尽可能大。此外，C2的阻抗随频率变化，频率愈低，阻抗愈大。要使较低频率的信号通过C\(_{2}\)，也要求C2的电容数值足够大才行。

一般，C\(_{2}\)选用10～50μf的电解电容器。例如，取10μf的电容器，对频率为500赫的音频信号，其阻抗为31.8欧，比rbe小很多，可以完成耦合任务。C\(_{2}\)的耐压，不能小于电源电压Ec。

什么叫做阻抗匹配呢？举例说明。假设第一级输出的信号电压为V\(_{s1}\)=5伏，第一级的输出阻抗为rce1＝50千欧，第二级的输入阻抗为r\(_{be2}\)＝1千欧。那么在rbe2上获得的功率为P\(_{r}\)=(Vs1r\(_{ce1}\)+rbe2)\(^{2}\)r\(_{be2}\)≈0.01毫瓦。如果rbe2=50千欧，则P\(_{r}\)=0.125毫瓦。如果rbe2=500千欧，则P\(_{r}\)≈0.041毫瓦。由此可见只有rbe2=r\(_{ce1}\)时，即上一级输出阻抗与下一级输入阻抗相等时，才能输送出最大功率，这时叫做阻抗匹配。

从上面对图1电路输入阻抗和输出阻抗的分析可知，输入阻抗是不等于输出阻抗的，而且相差很大，所以不能匹配，这是阻容耦合的主要缺点。

放大器的频率特性是指放大器的放大倍数随频率变化的特性，如图6所示。

从图中可以看出：放大器在中间这一段频率范围内的放大倍数K\(_{vo}\)最大，而且较平坦。在频率的低端和高端放大倍数都有所下降。我们规定当放大倍数下降到最大值Kvo的1\(\sqrt{2}\)倍时，即降到0.707K\(_{vo}\)时，这时的频率点叫做半功率点。图6中f低为低半功率点，f\(_{高}\)为高半功率点。f低至f\(_{高}\)这段频带，叫做放大器的通频带。

放大倍数在低频段降低的原因，是由于耦合电容在低频时阻抗增大。上面说过，C\(_{2}\)阻抗增加时，加在第二级输入端上的信号电压就降低，因而降低输出。在低频时，Ce的阻抗也增加。C\(_{e}\)阻抗增加，相当于负反馈增加，因而也降低放大倍数。因此，Ce的电容数值要取大些，一般选用30～50μf的电容器。

放大倍数在高频端下降的原因，是由于晶体管的结电容和电路的布线电容，在高额时阻抗变小，起分路作用，降低了输出。(金编)