硬件面试经典 100 题(31~40 题)

31、多级放大电路的级间耦合方式有哪几种？哪种耦合方式的电路零点偏移最严重？哪种耦合方式可以实现阻抗变换？

有三种耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合。直接耦合的电路零点漂移最严重，变压器耦合的电路可以实现阻抗变换。

陈氏理解

一、多级放大电路的引入

在实际应用中，常常会对放大电路的性能提出多方面的要求，就比如同时满足以下要求：

电压放大倍数 $\left | \dot{A_{u}} \right |> 2000$
输入电阻 $R_{i}> 2M\Omega$
输出电阻 $R_{o}< 100\Omega$

下表是实用基本放大电路动态参数的数量级（在空载时）：

观察上表后，不难发现单个基本放大电路均无法同时满足上述要求，因此就需要将基本放大电路组合到一起，共同实现放大电路性能的要求。

针对上述的要求，就可以采用以下的方法：

“共源（输入）+共射（中间）+共集（输出）”，这样

放大倍数：共源（几~几十）×共射（＞100）×共集（＜1），是很有可能超过2000的。
共源作为输入端，输入电阻可以达到 1MΩ 以上，也是可以满足大于 2MΩ 的要求。
共集作为输出端，输出电阻最小到几十，可以满足小于 100Ω 的要求。

这 3 个基本放大电路的组合，可以同时满足上述要求，这就引出了多级放大电路。

二、多级放大电路的相关概念和耦合方式

2.1相关概念

多级放大电路：将多个基本放大电路进行级联，构成的放大电路称为多级放大电路。

级：组成多级放大电路中的每一个基本放大电路称为一级。

级间耦合：级与级之间的连接方式称为级间耦合。

2.2常见的耦合方式

直接耦合：前一级的输出端直接接到后一级的输入端。

阻容耦合：前一级的输出端通过耦合电容接到后一级的输入端。

变压器耦合：前级的输出信号通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上。

光电耦合：以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递。

三、直接耦合

（通用的判断为共什么极放大电路的方式：既不做输入，也不做输出的那一极就是被共用的那一极）

前一级放大电路：基极输入，集电极输出，故为共射极放大电路
后一级放大电路：同上

上图中 T1 管输出端和 T2 管的输入端直接相连，故为直接耦合方式。在静态时存在：

T1 管的管压降 $U_{CEQ1}$ 就应该等于 T2 管 BE 两端的电压 $U_{BEQ2}$ ，即 $U_{CEQ1}=U_{BEQ2}$
如果是硅管的话，则T1 管的管压降 $U_{CEQ1}=U_{BEQ2}\approx 0.7V$
T1 管在静态工作时管压降非常小，靠近饱和区，因此在动态信号作用时很容易出现饱和失真。

为了解决 T1 管容易出现饱和失真的问题，需要做的就是增大 T1 管的管压降，使它远离饱和区。由于 $U_{BEQ2}$ 是恒定不变的，故只有可能是增大发射级的电位 $U_{E2}$ 来增大 T1 管的管压降。所以在 T2 管的发射级加了一个发射级电阻 $R_{E2}$ ，则有：

$U_{CEQ1}=U_{BEQ2}+I_{EQ2}R_{e2}$

那么 T1 管压降就增大了，就能够离饱和区远一点。只需要参数选择合适，那么T1、 T2 两个放大电路就都会有一个合适的静态工作点了，从而解决了之前静态工作点不合适的问题。

但是 $R_{e2}$ 实际上是一个负反馈电阻， $R_{e2}$ 的存在会使得第二级放大电路的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力。

我相信很多人不能理解为什么说 $R_{e2}$ 实际上是一个负反馈电阻，我的理解如下：

首先明确一点就是输出电压 $U_{O}$ 其中一部分其实就是 $R_{e2}$ 两端的电压。

引入负反馈： 当 T2T2T2 放大时，输出电压 uou_ouo 的变化会通过 Re2R_{e2}Re2 反馈到 T2 的发射极。因为发射极电流 IE2I_{E2}IE2 的变化将导致发射极电压 e2e_2e2 变化，从而影响基极-发射极电压 VBE2V_{BE2}VBE2。在一个 NPN 晶体管中，基极-发射极电压 VBE2V_{BE2}VBE2 控制了集电极电流 ICI_CIC，所以发射极电阻引入了一个电压负反馈。
降低电压增益： 电压增益 AVA_VAV 是输出电压和输入电压之比，通常 AVA_VAV 可以表示为：
AV≈RCRE+reA_V \approx \frac{R_C}{R_E + r_e}AV≈RE+reRC
其中 RCR_CRC 是集电极电阻，RER_ERE 是发射极电阻，而 rer_ere 是小信号等效电阻。在此公式中，增大 Re2R_{e2}Re2 会减小电压增益，因为 Re2R_{e2}Re2 作为负反馈的一部分，导致总的增益下降。
稳定电路： 虽然引入负反馈会降低增益，但它也能使放大电路更稳定。电路中的温度变化或者其他元件的漂移将不会显著影响输出，因为负反馈可以自动调节这些变化，保持输出稳定。

我们希望达到的状态：对于直流来说，希望提高 $R_{e2}$ 电压（直流就是更好的静态工作点）；对于交流来说，希望这个 $R_{e2}$ 尽可能小。

我们需要采用一种针对直流量和交流量呈现不同特性的元件来取代发射级电阻RER，从而实现直流交流性能的都比较良好的一个功能。而对于直流量和交流量呈现不同特性的元件，主要有二极管和稳压管。首先我们来看用二极管来代替发射级电阻R12。此时我们用的是一个正向偏置的二极管，也就是说在静态的时候，二极管处于正向导通的状态。在静态的时候，我们的二极管正向导通压降为 u on，忽略它的静态电阻，于是的话就可以算出 T1 管的静态管压降 UCE Q1 等于B2、 E2 间的电压 UBE Q2，再加上二极管的正向导通压降U2，它也能够离我们的饱和区比较远，从而的话使得 TE 管的静态工作点比较合适。

在动态的时候，二极管它的等效的动态电阻RD，它的数值是比较小的，一般来说几欧到几十欧。由于该动态电阻值比较小，那么它对我们的第二级放大电路的电压放大能力影响是比较小的，从而的话我们利用二极管对直流量和交流量呈现不同特性的特点，使得电路既具有合适的静态工作点，同时又不影响原本电路的放大能力。

除了用二极管以外，我们还可以用反向处于稳压状态的稳压管来代替发射级电阻R12。比如说在这个地方我们加了一个反向的稳压管，同时为了使得稳压管处于稳压状态，我们又加了一个电阻r，通过它的 IR 这个电流来调整稳压管的反向电流，使该电流大于我们的稳定电流 IZ 或者 IZ 密，使得稳压管工作在反向的稳压状态。

我们假设稳压管处于反向击穿区的时候，它的稳定电压为 u 类，这时候相当于 T2 管发射级的电位就变成了 u 类了。因此的话， TE 管在静态时候的管压降 UCE Q1 就等于 UBE Q2 再加上UZ，于是的话我们使得 TE 管静态管压降就增大了，从而的话使得它的静态工作点会比较合适。

而在动态情况下，稳压管的动态电阻 RZ 是很小的，一般十几欧到几十欧动态电阻小，那么它对于我们第二级放大电路的电压放大倍数影响也就比较小，也就是说我们采用稳压管使得静态工作点比较合适，同时又对我们的动态性能没有造成太大的影响。我们在使用直接耦合放大电路中可以采用全维 NPN 型管的共设放大电路来组合，比如说在这个地方 T1 管是一个 NPN 型的， T2 管也是 NPN 型的。由于我们的放大电路在正常工作的时候，T1、 T2 都必须处于放大区，而处于放大区要求的就是极电节要反偏也就是说对于 T2 管来说， C2 的电位要大于积极电位。 UB 二， UB 2 又等于 UC 1， UC 1 又要大于 UB 1。于是的话，如果我们的放大电路它的极速比较多，那么它的极电位就会依次递增，最终使得我们的极电位逐渐接近于电源电压，而一旦接近于电源电压之后，我们的极电位就没有办法继续上升了，从而使得后边的极速的电路静态工作点不合适，也就是说我们的电路不可能急速太多，否则的话就会出现静态工作点不合适的问题。

为了解决这个问题，我们在实际的直接耦合放大电路中常常会采用 NPN 型和 PNP 型管混合使用的情况。比如说我们在下边这个电路中， T1 和 T2 就是两种不同类型的晶体管。为了使得晶体管工作在放大区， TE 管及电解反篇是 UCE 大于UBE。但是对于 T2 管来说，它的极电节要反篇则是 UCR 要小于UBR。

可以看到这边是 NPN 型管 CE 是增加的，但是 PNP 型管 c 是减小的，这样子的话就是极电极电位增一下减一下，最终使得整体的极电压都是在某一个数值附近波动，而不会出现逐渐递增的情况，从而的话使得我们前边这个静态工作点不合适的问题就得到了解决。那么我们的电路急速就可以多一点了。

最后我们来看一下直接耦合放大电路它的优缺点。首先是优点，直接耦合放大电路各级之间是直接相连的关系，因此的话输出信号可以无损失的直接传递到下一级的输入端，那么它具有一个比较良好的低频特性，可以用来放大变化缓慢的信号。由于直接耦合放大电路中没有大容量的电容，而在集成电路中很难制作大容量电容，所以说直接耦合放大电路比较容易把全部电路集成在同一片硅片上，构成集成放大电路。我们的集成放大电路基本上都采用的是直接耦合的方式。但是直接耦合放大电路也有它的缺点，第一个缺点就是直接耦合放大电路各级之间它的直流通路是相互关联的，静态工作点是相互影响的，我们在电路的分析设计、调试的时候会比较困难，同时直接耦合放大电路还存在一个零点漂移的现象。

所谓的零点漂移现象指的是输入电压德尔塔 UI 为 0 的时候，输出电压的变化量德尔塔 UO 不为 0 的现象。也就是说我在直接耦合放大电路的输入端并没有加入输入信号，但是在输出端却输出了一个上下波动的输出信号啊。零点漂移，在很多时候我们也称为温漂，也就是说主要是由温度来造成的，在实际中我们常常会采用差分放大电路来克服零点漂移现象，这也是我们后边差分放大电路的一个来源，主要就是用来解决零点漂移的。下边我们来看第二种耦合方式，称为主容耦合。我们看 TE 管，它的输入信号是通过耦合电容作用于积极的输出信号，从极电极引出共用发射节，所以是一个共射放大电路，输入信号为UI，经过放大电路一放大之后输出UOE。后边输入信号作用于积极输出信号从发射及经过耦合电容 C4 接到负载上。

大家共用极电极，所以说输第二个放大电路是一个共极放大电路，它的输入信号为UI2，经过放大之后产生 UO 的输出信号。我们把放大电路一的输出信号 UOE 直接接到放大电路 2 的输入端，于是的话用耦合电容接到一起，于是的话就构成了主容耦合的放大电路。

在静态的时候耦合电容是断开的状态，相当于开路，那么我们就会发现放大电路一和放大电路 2 之间没有任何关联，他们的直流通路是相互独立的，互不影响的。而在动态信号作用的时候，我们的耦合电容则相当于短路， U O 1 和 U O 二是相等的关系。也就是说我们的交流信号可以无损失的从上一级电路传递到下一级电路。

耦合放大电路的优点是第一个主流耦合放大电路各级之间直流通路是各不相通的，各级的静态工作点之间相互独立。我们在求解或者调试的时候，可以按照单级放大电路去处理电路的分析设计，调试都是比较简单易行的。第二个就是耦合电容的容量是比较大的，当输入信号频率比较高的时候，前一级的输出信号可以几乎没有衰减的传递到后极输入端。但是主人耦合放大电路也有它的缺点，第一个就是低频特性差，它不能够放大变化缓慢的信号。第二个就是我们在集成电路中很难制作出大容量的电容。因此的话我们的主容耦合方式的放大电路不利于集成化，一般情况下只有在信号频率很高、输出功率很大等特殊情况下，我们会才会采用主容耦合方式的分力元件的放大电路。接下来看第三种耦合方式，变压器耦合。放大电路左侧是一个放大电路，输入信号作用于 g 极，输出信号是从极电极引出的，所以说它是一个共设放大电路输入信号， UI 经过放大之后产生 UOE 的输出信号。另外一个则是输入为UIRRL，既可以是负载，也可以是后级放大电路，如果它是一个放大电路的话，它会将输入信号 URR 放大之后产生一个输出电压UO，从而作用于负载。

我们如果把放大电路一和放大电路 2 之间用变压器耦合到一起，连接到一起，就会构成变压器耦合放大电路这边的 UOE 通过变压器传输到另外一端的 UIR 上。在静态的时候变压器相当于开路，这两个放大电路之间是断开的状态，因此的话，各级放大电路它们的直流通路之间就是相互独立的关系，互不影响。而在动态的时候，如果我们忽略变压器的耗损，那么 U O 1 产生的功率就等于 U O 二这边的功率。两者之间是没有损耗的，也就是说第一级放大电路的输出信号可以无损失地传递到第二级的输入端。

变压汽釉和放大电路最大的特点是可以实现主抗变换，我们来看一下什么是主抗变换啊。上边则是一个通过变压器耦合的电路，一自测电流为I1。变压器的扎数分别是 N1 和N2，二次测电流为I2，负载为RL。我们在这个虚线框里边可以把它等效成一个负载电阻，RL，一条做电路等效之后，我们的等效前和等效后，对于一次测来说他们的功率应该是不变的。也就是下方的 P1 撇 r 应该等于上方的一次测功率P1。

而对于上边这个电路来说，我们忽略变压器自身的耗损，一次测的功率和二次测的功率应该是相等的，也就是 P1 等于P2，这两个方程一连立我们就可以得到下边的等效电路的一自测功率， P1 撇就等于上边的二次车的功率P2，那么功率可以写成 i 方 r 的形式，于是的话就得到了下边的功率 I1 方， RL EPR 等于上边的二次测功率 IR 方 RRL 经过整理可以得到 RL 一撇就等于 I1 分。之 I2 的平方乘以 r l。

对于一个变压器来说，变压器的二次电流与一次电流之比就等于一次线圈扎数与二次线圈扎数之比，也就是 I2 比 I1 等于 N1 比N2，我们可以把这个方程带到上边的电阻的表达式中。最后就可以得到等效之后的等效电阻 RL 1 撇等于 N 二分之 N1 的平方乘以RL。也就是说我们只要选择合适的加速比，就可以使得我们的负载电阻等效成不同组织的电阻，从而实现了阻抗变换。

那主抗变换有什么用处呢？我们来看一下下边的例子，如果我们是用直接耦合或者主容耦合共设放大电路来直接一个 RL 的电阻，它的电压放大倍数应该是负的 RBE 分之贝塔倍的 RC 并上RL。上边 UI 等于 IBR BEUO 等于负的贝塔贝的 IBR CBRL 我们就不去详细的推导了，我们只看最终的电压放大倍数的结论。

一般来说，在实际的放大电路中，负载电阻它的数值往往都会比较小，比如说扩音系统中的扬声器，它的组织一般是3O、4O、8O、 16O 几种，可以看到负载 RL 组值是很小的，换句话说， RC 远大于RL。 RC 和 RL 是并联的关系， RC 又远大于RL，那么并联的电阻取决于小的那个，所以说 RC 并 RL 就约等于 RL 了。因此的话，我们的电压放大倍数就写成AU，约等于负的 RBE 分支，贝塔倍的RL。也就是说电压放大倍数由负载电阻来决定了。我们前面已经讲到了负载电阻一般都很小，带到该式子中算出来的电压放大倍数，它的数值也会很小。这样子就使得我们在负载上没有办法获得比较大的功率了，这时候我们就需要用到主抗变换。比如说我们前边的变压器耦合的共设放大电路，这个地方是通过变压器来耦合与负载相连的。我们把这个电路画出它的交流等效电路。

左边 R B 1、R2、 B2 并联，中间是一个共设放大电路的等效 B1 间接电阻 RBE c e 间接受控电流源贝塔贝的 I b 上边是没有极电阻， r seed 只有一个变压器。所以说后边没有RC，只有变压器这一块，通过变压器与负载相接。我们通过主抗变换把后边的变压器和负载等效为 RL 一撇的负载电阻，这个地方的 RL 一撇就等于 n 二分之 N1 的平方，再乘以RL。接下来我们再算一下这个电路它的电压，放大倍数输入电压 UI 等于IB， RBE 输出电压则是 RL 一撇两端的电压为负的贝塔贝的 IBRL 一撇，两者一比就可以得到最终的电压放大倍数 AU 等于负的 RBE 分支贝塔倍的 RL 1 撇。这个表达式与前边直接把负载接上去表达式是完全一样的，区别仅仅在于 RL 一撇，已经不是当初的 RL 了，而是通过主抗变换之后的负载了。

我们把 RLE 撇它的公式带到电压放大倍数中，最终得到的电压放大倍数为负的 RBE 分之贝塔倍的RL，再乘以 N 二分之 N1 的平方。可以看到当我们的负载组织一定的时候，可以通过调节变压器的加速比来改变电路的电压放大倍数。也就是说我们可以根据所需要的电压放大倍数来选择合适的加速比，这样子的话就可以在负载上获得足够大的电压和足够大的功率，这就是我们变压器实现主抗变换的一个最大的好处。

最后我们来总结一下变压器耦合放大电路，它的特点，首先仍然是优点，变压器耦合放大电路和主容耦合放大电路一样，在直流通路中它们都属于断开，因此的话，各放大电路各级之间静态工作点是相互独立的，在求解或者调试的时候都可以按照单级来进行处理，电路的分析、设计、调试都是简单易行的。

第二个优点就是变压器耦合放大电路能够实现主抗变化，因此的话在分离元件功率放大电路中得到了广泛的应用。接下来我们看缺点。第一个缺点就是低频特性差，它不能够放大变化缓慢的信号，因为变压器是靠电磁感应来实现的，信号变化缓慢，那么电池感应能力就比较差，那么电路就不能够很好的实现放大功能。第二个就是变压器耦合放大，电路是比较笨重的，更不能够实现集成化，因此的话目前只有在集成功率放大电路无法满足要求的情况下，比如说输出特大功率或者实现高频功率放大的时候，我们才会考虑分离元件构成的变压器耦合放大电路。我们来看最后一种耦合方式，光电耦合。首先来看光电耦合器，光电耦合指的是我们用光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递，而光电耦合器就是实现光电耦合的基本器件。下边就是一个光电耦合器。我们的光电耦合器左侧是用到了一个发光元件，比如说发光二极管，它作为了我们的输入回路。输入回路的主要作用就是把我们的输入端的电压、电流或者说电能转换为发光二极管的光线，或者说光能，这个光线或者光能则传递到右侧。我们的输出回路则采用的是光敏元件，比如说我们的光电三极管，它能够感光，他感受到前边输入回路发出的光线之后，就可以把对应的光能转换为电能。这样子的话经过输入和输出的共同作用，电能先变为光能，再转换为电能，于是的话就实现了输入和输出间的耦合。由于光电偶合器实现了两部分电路的电气隔离，除 2 的话，它可以有效的抑制电干扰，输入端的干扰信号是传不到输出端的。同样输出端的干扰信号也不会影响到输入端。因此的话光电耦合电路它的抗干扰能力会比较强。我们一般情况下用传输特性来描述光电耦合器它的性能。当发光二极管电流为常量 ID 的时候，对应的极电流 IC 和管央将之间的函数关系就是光电耦合器，它的传输特性，我们从传输特性曲线上去看，就会发现它与我们的晶体管的输出特性曲线是非常类似的。区别仅仅在于晶体管这个地方是积极电流 i b，而光电耦合器是二极管的电流ID，其他方面都是完全一样的。当我们的u、c、 e 足够大的时候，可以看到输出特性曲线是水平的。也就是说我们的极电流 IC 几乎仅仅取决于二极管的电流ID，于是的话我们就可以参照晶体管的电流放大倍数。

贝塔定义在 U c 一定的情况下， i seed 变化量与 id 的变化量之比称为传输比，就是 UCE 一定德尔塔 IC 比上德尔塔 ID 与我们晶体管的电流放大系数。贝塔的定义是非常类似的，只不过换了一个输入端的电流，换了一个名称。一般情况下我们的传输比 CTR 数值要比贝塔小得多，一只有 0.1- 1.5，所以说通过光电耦合器输出的电流电压都比较小，后边还需要再放大才能够使用。

采用光电耦合的方式来构成的放大电路，我们称之为光电耦合放大电路。主要的特点就是抗干扰能力比较强，比如说在这个地方，我们通过光电耦合器把信号源和输出回路之间耦合到了一起。在静态的时候输入端有一个静态的输入电流IDQ，在输出端则会有静态的极电流 ICQ 以及静态的管压将UCEQ。而在动态的时候我们的输入回路会产生一个动态的电流ID，通过光电耦合器就会在输出端产生一个动态的极电流IC，从而使得我们的管压降发生动态变化，产生动态的输出电压 u o。这样子的话使得我们的信号输入输出之间就能够传递起来，从而实现放大了功能。

如果我们采用信号源部分和输出回路部分都用独立的电源，并且分别接不同的地，那么即使是远距离的信号传输，也可以避免受到任何各种电干扰。上边这个电路途中就可以发现输入回路，用输入回路的电源和接地输出回路则是用另外一个电源和另外一个地，它们之间的干扰信号互不影响，从而的话实现了光电耦合放大电路抗干扰能力的一个功能。