3.1 多集放大电路的耦合方式

在实际应用中，常对放大电路的性能提出多方面的要求。所以，仅靠任何一种基本的放大电路并不能满足要求，此时可以选择多个基本放大电路级联在一起构成多级放大电路。
组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合。多级放大电路有四种常见的耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。

一、直接耦合

将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合，如图3.1.1(a)所示。图中所示电路省去了第二级的基极电阻，而使 $R_{c1}$ 既作为第一级的集电极电阻，又作为第二级的基极电阻，只要 $R_{c1}$ 取值合适，就可以提供合适的基极电流。

1、直接耦合放大电路静态工作点的设置

从图3.1.1(a)所示电路中可以看出，静态时，$T_1$ 管的管压降 $U_{CEQ1}$ 等于 $T_2$ 管的b - e间电压 $U_{BEQ2}$。通常情况下，若 $T_2$ 为硅管，$U_{BEQ2}$ 约为 0.7 V，则 $T_1$ 管的静态工作点将靠近饱和区，在动态信号作用时容易引起饱和失真。因此，为使第一级有合适的静态工作点，就要抬高 $T_2$ 管的基极电位。为此，可以在 $T_2$ 管的发射极加电阻 $R_{e2}$，如图3.1.1(b)所示。
然而，增加 $R_{e2}$ 后，虽然在参数取值得当时，两级均可有合适的静态工作点，但是，$R_{e2}$ 会使第二级的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力。因此，需要选择一种器件取代 $R_{e2}$，它应对直流量和交流量呈现出不同的特性；对直流量，他相当于一个电压源；而对交流量，它等效成一个小电阻；这样，既可以设置合适的静态工作点，又对放大电路的放大能力影响不大。二极管和稳压管都具有上述特性。
我们知道，当二极管流过直流电流时，在伏安特性上可以确定它的端电压 $U_D$；而在这个直流信号上叠加一个交流信号时，二极管的动态电阻为 $\text{d}{u}_D/\text{d}{i}_D$，对于小功率管，其值仅为几至几十欧。若要求 $T_1$ 管的管压降 $U_{CEQ}$ 的数值小于2 V，则可用一只或两只二极管取代 $R_{e2}$，如图(b)所示。
由稳压管的反向特性可知，当稳压管工作在击穿状态时，在一定的电流范围内，其端电压基本不变，并且动态电阻也仅为十几至几十欧，所以可用稳压管取代 $R_{e2}$，如图($c$)所示。为了保证稳压管工作在稳压状态，图($c$)中电阻 R 的电流 $I_R$ 流经稳压管，使得稳压管中的电流大于稳定电流（多为5 mA 或10 mA）。根据 $T_1$ 管管压降 $U_{CEQ}$ 所需的数值，选取稳压管的稳定电压 $U_Z$。
在图3.1.1(a)、(b)、©所示电路中，为使各级晶体管都工作在放大区，必然要求 $T_2$ 管的集电极电位高于其基极电位。可以设想，如果级数增多，且仍为 NPN 管构成的共射电路，则由于集电极电位逐级升高，以至于接近电源电压，势必使后级的静态工作点不合适。因此，直接耦合多级放大电路常采用NPN 型和PNP 型管混合使用的方法解决上述问题，如图(d)所示。在图(d)所示电路中，虽然 $T_1$ 管的集电极电位高于其基极电位；但是为使 $T_2$ 工作在放大区，$T_2$ 管的集电极电位应低于其基极电位（即$T_1$ 管的集电极电位）。

2、直接耦合方式的优缺点

从以上分析可知，采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而静态工作点相互影响，这样就给电路的分析、设计和调试带来一定的困难。在求解静态工作点时，应写出直流通路中各个回路的方程，然后求解多元一次方程。实际应用时，则应采用各种计算机软件辅助分析。
直接耦合放大电路的突出优点是具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；并且由于电路中没有大容量电容，所以易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成放大电路。由于电子工业的飞速发展，集成放大电路的性能越来越好，种类越来越多，价格也越来越便宜，所以凡能用集成放大电路的场合，均不再使用分立元件放大电路。
直接耦合放大电路有零点漂移现象，为了克服这种现象可采用差分放大电路。

二、阻容耦合

将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合方式，图3.1.2所示为两级阻容耦合放大电路，第一级为共射放大电路，第二级为共集放大电路。由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路各不相通，各级静态工作点相互独立，在求解或实际调试 $Q$ 点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行。而且，只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，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，因此，在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用。
阻容耦合放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。这是因为电容对这类信号呈现出很大的容抗，信号的一部分甚至全部都衰减在耦合电容上，而根本不能向后级传递。此外，在集成电路中制造大容量电容很困难，甚至不可能，所以这种耦合方式不便于集成化。
应当指出，通常，只有在信号频率很高、输出功率很大等特殊情况下，才采用阻容耦合方式的分立元件放大电路。

三、变压器耦合

将放大电路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，称为变压器耦合。图3.1.3(a)所示为变压器耦合共射放大电路，$R_L$ 既可以是实际的负载电阻，也可以代表后级放大电路，图(b)是它的交流等效电路。由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样，它的各级放大电路的静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试。而它的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且笨重，更不能集成化。与前两种耦合方式相比，其最大特点时可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。在实际系统中，负载电阻的数值往往很小。例如扩音系统中的扬声器，其阻值一般为3 Ω、4 Ω、8 Ω 和16 Ω等几种。把它们接到直接耦合或阻容耦合的任何一种放大电路的输出端，都将使其电压放大倍数的数值变得很小，从而使负载上无法获得大功率。采用变压器耦合时，若忽略变压器自身的损耗，则原边损耗的功率等于副边负载电阻所获得的功率，即 $P_1=P_2$。设原边电流为 $I_1(I_c)$，副边电流为 $I_2(I_L)$，将负载折合到原边的等效电阻为 $R_L^{\prime }$，如图3.1.4所示，则 $I_1^2{R}_L^{\prime }=I_2^2{R}_L$，即$$R_L^{\prime }={\left(\frac{I_2}{I_1}\right)}^2{R}_L$$因为变压器副边电流与原边电流之比等于原边线圈匝数 $N_1$ 与副边线圈匝数 $N_2$ 之比，所以$$R_L^{\prime }={\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2{R}_L(\mathrm{3.1.1})$$对于图3.1.3所示电路，可得电压放大倍数$${\dot{A}}_u=-\frac{\beta R_L^{\prime }}{r_{be}}[R_L^{\prime }={\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2{R}_L](\mathrm{3.1.2})$$根据所需的电压放大倍数，可以选择合适的匝数比，使负载电阻上获得足够大的电压。并且匹配得当时，负载可以获得足够大的功率。在集成功率放大电路产生前，几乎所有的功率放大电路都采用变压器耦合的形式。而目前，只有在集成功率放大电路无法满足需要的情况下，如需要输出特大功率，或实现高频功率放大时，才考虑用分立元件构成变压器耦合放大电路。

四、光电耦合

光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。

1、光电耦合器

光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如图3.1.5(a)所示。发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。在输出回路常采用复合管（也称达林顿结构）形式以增大放大倍数。
光电耦合器的传输特性如图3.1.5(b)所示，它描述当发光二极管的电流为一个常量 $I_D$ 时，集电极电流 $i_C$ 与管压降 $u_{CE}$ 之间的函数关系，即$$i_C=f(u_{CE}){|}_{I_D}(\mathrm{3.1.3})$$因此，与晶体管的输出特性一样，也是一族曲线。当管压降 $u_{CE}$ 足够大时，$i_C$ 几乎仅决定于 $i_D$。与晶体管的 $\beta$ 相类似，在 c - e 之间电压一定的情况下，$i_C$ 的变化量与 $i_D$ 的变化量之比称为传输比 CTR。$$CTR=\frac{\Delta i_C}{\Delta i_D}{|}_{U_{CE}}(\mathrm{3.1.4})$$不过 CTR 的数值比 β 小得多，只有0.1 ~ 1.5。

2、光电耦合放大电路

图3.1.6所示为光电耦合放大电路，信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路。当动态信号为 0 时，输入回路有静态电流 $I_{DQ}$，输出回路有静态电流 $I_{CQ}$，从而确定出静态管压降 $U_{CEQ}$。有动态信号时，随着 $i_D$ 的变化，$i_C$ 将产生线性变化。当然，$u_{CE}$ 也将产生相应的变化。由于传输比的数值较小，所以一般情况下，输出电压还需进一步放大。实际上，目前已有集成光电耦合放大电路，具有较强的放大能力。
在图3.1.6所示电路中，若信号源部分与输出回路部分采用独立电源且分别接不同的“地”，则即使是远距离信号传输，也可以避免收到各种电干扰。