耦合电路

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图 4 零点漂移现象
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耦合电路
变压器耦合：将放大电路前级的输 出端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。 如右图所示为变压器耦合共射放大 电路。 电路缺点：变压器耦合电路的前后 级靠磁路耦合，它的各级放大电路 的静态工作点相互独立。它的低频 特性差，不能放大变化缓慢的信号， 且非常笨重，不能集成化。 电路优点是可以实现阻抗变换，因 而在分立元件功率放大电路中得到 广泛应用。
耦合电路
如下图所示，设原边电流有效值 为I1，副边电流有效值为I2，将 负载折合到原边的等效电阻为
变压器原边线圈匝数N1，副边线 匝数N2，
根据所需的电压放大倍数，可选 择合适的匝数比，使负载电阻上 获得足够大的电压当匹配得当时， 负载可获得足够大的功率
耦合电路
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，如图所示 工作原理：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 传输比CTR：在c-e之间电压一定的情况下，iC 的变化量与iD的变化量之比称为传输比CTR， 即
如果在放大器的输入端不加输入信 号，输出端仍有一定的幅值和频率 的输出信号，这种现象叫做自激振 荡。
名词解释
谐振的现象是电流增大和电压减小，越接近谐振中心，电流表电压表功率表转动变化 快，但是和短路得区别是不会出现零序量。 在物理学里，有一个概念叫共振：当策动力的频率和系统的固有频率相等时，系 统受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思：当电路 的激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上， 共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同 的叫法而已。
＋UCC
＋ ＋ －
ui V2 uo
＋ －
ui
＋
uo
－
－
图 3直接耦合放大电路 直接耦合放大电路
耦合电路
1） 级间的匹配问题 在图3（a）中，V1管的集电极电位被V2管的基极限制在0.7 V左右，使V1管的Q 点接近于饱和区，因而不能正常放大。 为此，可以在V2管的发射极加发射极电阻Re2， 如图3（b）所示。由于Re2的接入，提高了第二级基极电位UB2，从而保证了V1管的集 电极得到较高的静态电位，使V1管不致工作在饱和区。 然而，Re2接入后，使后一级 的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力。 为了解决上述问题，在图3 （c）所示电路中用一只稳压管VDZ取代电阻Re2，对于直流量，稳压管相当于一个稳 压电源，限流电阻R的作用是保证稳压管工作在稳压状态；对于交流量， 稳压管等效 成一个动态电阻。由于稳压管的动态电阻很小，一般为十几至几十欧姆，因此几乎不 会影响到第二级的放大倍数。 为了使各级三极管都工作在放大区，必然要求V2的集电极电位高于基极电位，也 就是高于V1管的集电极电位，这样，当放大电路的级数增加时，势必使基极和集电极 电位逐级上升，最终接近电源电压，这样会使后级的静态工作点不合适。改进的方法 是将NPN管和PNP管组合，构成直接耦合放大电路，如图3（d）所示。由于后级采用 了PNP管，其集电极电位比基极电位低， 即使耦合级数较多，也可以使各级获得合适 的静态工作点。
多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻， 即
(3-1)
Ri=Ri1
(3-2)
耦合电路
多级放大电路的输出电阻就是最后一级的输出电阻， 即
Ro=Ron
(3-3)
需要注意，当共集电极电路作为多级放大电路的输入级时， 多级放大电路的输入电阻与其 负载，即后一级的输入电阻有关； 当共集电极电路作为输出级时，多级放大电路的输出电阻与 其信号源内阻， 即其前一级的输出电阻有关。 分贝表示的放大倍数－－ 分贝表示的放大倍数－－增益： 简单地说，分贝就是放大器增益的单位。放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是 “倍”，如10倍放大器，100倍放大器。当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这 是一个概念的两种称呼。电学中分贝与放大倍数的转换关系为：
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阻容耦合方式：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。 直流分析：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不 相通，各级的静态工作点相互独立。 交流分析：只要输入信号频率较高，耦合电容 容量较大，前级的输出信号可几乎没有衰减地 传递到后级的输入端。 阻容耦合电路的缺点：低频特性差，不能放大 直流及缓慢变化的信号,只能传递具有一定频率 的交流信号。 阻容耦合电路具有体积小、重量轻的优点，分 立元件电路中应用较多。但在集成电路中，不 易制作大容量的电容，因此阻容耦合放大电路 不便于做成集成电路。
ɺ AV(I)(dB) = 20lg[Vo/Vi(Io/Ii)] = 20lgAu
去耦电容，旁路电容
旁路（bypass）电容是把输入信号中的 高频噪声作为滤除对象，把前级携带的 高频杂波滤除， 去耦（decoupling）电容也称退耦电容， 是把输出信号的干扰作为滤除对象。 去耦电容用在放大电路中不需要交流的 地方，用来消除自激，使放大器稳定工 作。从电路来说，总是存在驱动的源和 被驱动的负载。如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放电，才能完 成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时 候，电流比较大，这样驱动的电流就会 吸收很大的电源电流，由于电路中的电 感，电阻（特别是芯片管脚上的电感， 会产生反弹），这种电流相对于正常情 况来说实际上就是一种噪声，会影响前 级的正常工作。
图2 直接耦合放大电路。
耦合电路
＋UCC
R b1 R c1 V1 Rb2 R c2 Rb1 R c1 V1 Re2 第一级 (b) 第二级 R c2
＋UCC ＋ ＋ －
ui V2 uo
＋ ＋ －
ui 第一级 (a) 第二级 V2 uo
－
－
＋UCC
R b1 R c1 V1 VDZ 第一级 (c) 第二级 R Rc2 Rb1 Rc1 V1 R c2 第一级 (d) 第二级 R e2 V2
去耦电容，旁路电容
去耦和旁路都可以看作滤波。去耦电容相当于电 池，避免由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹 波(ripple) 。具体容值可以根据电流的大小、期望的 纹波大小、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都 很大，对更高频率的噪声，基本无效。旁路电容就是 针对高频来的，也就是利用了电容的频率阻抗特性。 电容一般都可以看成一个RLC串联模型。在某个频率， 会发生谐振，此时电容的阻抗就等于其ESR(有效串 联电阻 )。如果看电容的频率阻抗曲线图，就会发现 一般都是一个V形的曲线。具体曲线与电容的介质有 关，所以选择旁路电容还要考虑电容的介质，一个比 较保险的方法就是多并几个电容。 去耦电容在集成电路电源和地之间的有两个作用： 一方面是集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器 件的高频噪声。
电解电容的频率阻抗曲线图
名词解释
晶体三极管静态工作点的设置 静态工作点是 指放大电路在没有信号输人的情况下，在直 流电源Vcc作用下，三极管处于直流工作状态。 其各极电压和电流都处于一个恒定值，即处 于相对“静止”的状态，故称为“静态”。 而各极对应的一组电流、电压值（用 IB,IC,UBE和UCE表示）代表在输人和输出特 性曲线上的一个点，所以称为“静态工作 点”，如图所示。
名词解释
零点漂移问题 人们在实验中发现，在直接耦合放大电路中， 若将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端， 有一个相当可观的、随时间缓慢变化的不规则信 号输出， 即输出电压在静态值上下随机偏离， 如图4所示。这种输入电压为零，输出电压不为 零且缓慢变化的现象称为零点漂移 零点漂移，简称零漂。 零点漂移 在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的 波动、元件的老化、器件参数随温度的变化等， 都会产生零点漂移。在阻容耦合的放大电路中， 这种缓慢变化的漂移电压被耦合电容阻隔， 不 会传送到下一级放大电路进一步放大。但是，在 直接耦合放大电路中，这种缓慢变化的漂移电压 会被毫无阻隔地传输到下一级， 并且被逐级放 大，以致于有时在输出端很难分辨出哪个是有用 信号，哪个是漂移电压。换句话说，有用信号被 漂移电压“淹没”了，放大电路不能正常工作。 一般来说，直接耦合放大电路的零点漂移主 要取决于第一级，而且级数越多，放大倍数越 大，零点漂移越严重。通常， 零点漂移的大 小不能以输出端漂移电压的绝对大小来衡量。 因为输出端的漂移电压与放大倍数成正比，所 以零漂一般都用输出的漂移电压折合到输入端 后来衡量。 对于电源电压的波动、元件的老化所引 起的零漂可采用高质量的稳压电源或经过老化 实验的元件来减小，因此温度变化所引起的半 导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原 因，故也将零点漂移称为温度漂移，简称温漂 温漂， 温漂 定义为温度每变化1℃所产生的折合到输入端 的等效零漂电压
耦合电路
多级放大电路的动态分析 多级放大电路的动态分析 在多级放大电路中，各级之间是相互串行连接的，前一级的输出信号就是后一级的输入信 号，后一级的输入电阻就是前一级的负载，因此多级放大电路的电压放大倍数等于各级电压放 大倍数的乘积，即
ɺ ɺ ɺ U o1 U o 2 Uo ɺ ɺ ɺ ɺ Au = ⋅ ⋅⋯ ⋅ = Au1 ⋅ Au 2 ⋅ ⋯ ⋅ Aun ɺ ɺ ɺ U i1 U i 2 U in
CTR的数值只有0.1~1.5 如下图所示为光电耦合放大电路当动态信号为 零时，输入回路有静态电流IDQ，输出回路有 静态电流ICQ，从而确定出静态管压降UCEQ当 有动态信号时，随着iD的变化，iC将产生线性 变化，电阻Rc将电流的变化转换成电压的变化 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。