模拟电子电路课件学chaper03

17 三、多级放大电路三、多级放大电路 ?实际应用中实际应用中,单管放大电路并不总能满足要求单管放大电路并不总能满足要求. 一般多由几 级基本电路及其改进型的组合而成 一般多由几 级基本电路及其改进型的组合而成 ?级与级之间存在一个连接问题级与级之间存在一个连接问题.这类问题统称为这类问题统称为耦合问题耦合问题 ?本章概述多级放大电路的连接方式与动态分析本章概述多级放大电路的连接方式与动态分析,并重点讨 论其中一种耦合方式 并重点讨 论其中一种耦合方式 3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式 常见耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合 1. 直接耦合直接耦合 (将前一级的输出端连接到后级的输入端) RC1是T1(T2)管的集电(基) 极电阻 ?存在问题：T1管UCEQ=0.7, Q点在饱和 区附近, 电路易出现饱和失真 ?解决方法：提高T2管的基极电位 ?方法一：T2管中加入电阻Re2 问题:T2管电压放大倍数下降(P104) 1. 直接耦合直接耦合 ?改进方法二: 用(稳压)二极管替换Re2 两种器件对直(交)流量呈现不同特性，分别等效电压源(小电阻) 新的问题：级数的增加将使后一级的UCEQ趋于VCC, 从而反过来 限制级数 ?改进方法三: 采用NPN型+PNP型管混合使用 ?直接耦合方式的特点 ?能放大对低频信号(包括直流信号), 电路没有大电容, 易于集成 ?各级静态工作点互相影响,给电路分析、设计及调试带来困难 ?受环境温度的影响，存在零点漂移现象(P145) 1. 直接耦合直接耦合 2. 阻容耦合阻容耦合 (将放大电路的前级输出端通过电容通过电容接到后级输入端) ?阻容耦合方式的特点 ?只能放大交流信号,不能放大变化缓慢的信号 ?各级Q点相互独立, 方便电路分析、设计及调试 ?不易于集成化, 该耦合方式只适用于分立元件电路 3. 变压器耦合变压器耦合 (将前级输出端通过变压器通过变压器接到后级输入端) ?变压器耦合方式的特点 ?各级Q点相互独立,只能放大交流信号 ?利用阻抗变换作用可实现负载阻抗的合理配合 ?用于分立元件功率放大电路和选频放大电路中 4. 光电耦合光电耦合 (以光信号为媒介来实现电路信号的耦合和传递) ?光电耦合特点：抗干扰能力强 3.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 12 2 ooo iiin U UU U UU = ? ? ? o u i U A U = ? ? ? i i i U R I = 0 s o o oU U R I = = ? 12uuum A AA=? ? ? ?多级放大电路的电压放大倍数等 于各级电压放大倍数之积 多级放大电路的电压放大倍数等 于各级电压放大倍数之积 (第一级输入电阻) 1 i R= 当第一级为共集电路时, 输入电 阻与负载(第二级输入电阻)有关 当第一级为共集电路时, 输入电 阻与负载(第二级输入电阻)有关 on R=(最后一级输出电阻) 最后一级为共集电路, 最后一级为共集电路, Ro与信号源 内阻(倒数第二级输出电阻)有关 与信号源 内阻(倒数第二级输出电阻)有关 多级电路动态分析时,一定要根据交流等效电路图进行计算多级电路动态分析时,一定要根据交流等效电路图进行计算 3.3 直接耦合放大电路直接耦合放大电路 ?直接耦合放大电路适于放大缓慢变化的信号.而这一类信 号在现实生活中是常见的.如温度,压力,长度,流量等信号 直接耦合放大电路适于放大缓慢变化的信号.而这一类信 号在现实生活中是常见的.如温度,压力,长度,流量等信号 ?但直接耦合电路存在温漂现象,从而可能导致电路性能变 差,本节主要讨论相关解决的方法 但直接耦合电路存在温漂现象,从而可能导致电路性能变 差,本节主要讨论相关解决的方法 ?3.3.1 零点漂移现象零点漂移现象 ?3.3.2 差分放大电路差分放大电路 ?3.3.3 直接耦合互补输出级直接耦合互补输出级 ?3.3.4 直接耦合多级放大电路直接耦合多级放大电路 18 3.3.1 零点漂移现象零点漂移现象 ?定义定义: 输入电压为0时,输出电压不为0且缓慢变化的现象， 其中温度变化是零点漂移是主因.故称也称之为温漂 ?抑制温漂的方法 ?电路中引入直流负反馈 (P101) ?温度补偿法，利用热敏元件抵消放大管的变化(P105) ?采用特性相同的管子,使其温漂相互低消,构成“”差分放大电路差分放大电路” ?差分放大电路又称差动放大电路(差放)。具有放大有用信号、 抑制零漂、利于集成等优点，被广泛应用于模拟集成电路中 3.3.2 差分放大电路差分放大电路 差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元 ?1 电路组成电路组成 ?2 电路的静电路的静(动动)态参数分析态参数分析 ?3 电路四种接法的性能分析电路四种接法的性能分析 ?4 改进的差分电路改进的差分电路 两式相减 1212OOOOO uuuuu= 相减后输出电压与温度无关.即采用特性相同的管子,使温漂低消采用特性相同的管子,使温漂低消 ?当输入信号uI1= uI2(共模信号共模信号)时, uO=0，即电路抑制共模信号 ?当输入信号uI1= - uI2(差模信号差模信号)时, uO=2uO1， ，即电路放大差模信号 ?抑制温漂实质就是抑制共模信号,放大有用信号就是放大差模信号 1. 电路的组成1. 电路的组成 设T1(T2)管的实际输出 等式右边第一项为理想输出, 第二项为温度引起的输出 111OOO uuu=+ 221OOO uuu=+ 1. 电路的组成1. 电路的组成 ?Re1 与Re1的存在,降低了电路对差 模信号的放大能力 ?为使电源与信号源“共地”, 进一步 简化电路,得到长尾式差分放大电路 ?解决方法：合并Re1 与Re1 ?对于差模信号，Re 交流短路 ?Q点分析( IBQIEQUCEQ) (通常Rb很小，其上的电压忽略不计) 2. 长尾式差分放大电路的静长尾式差分放大电路的静(动动)态参数分析态参数分析 0 ()2 e EEBEQReBEQBQbEQe VUI RUIRRI =+?输入回路 ?晶体管方程 ?输出回路 (1) EQBQ II=+ CEQCBQBEQCCCQcBEQ UUUVI RU=+ 2. 长尾式差分放大电路的静长尾式差分放大电路的静(动动)态参数分析态参数分析 ?动态分析 (分为共模信号与差模信号下的动态分析) ?输入为共模信号时的动态分析 （对共模信号起抑制作用对共模信号起抑制作用） 电路采用了两种抑制方法 温度补偿温度补偿(电路的对称性电路的对称性) 射极电阻的负反馈射极电阻的负反馈(交流负反馈交流负反馈) 为描述电路对共模信号的抑制能 力,引入新参数共模放大倍数 Oc c Ic u A u = 理想情况下理想情况下, Ac0 2. 长尾式差分放大电路的静长尾式差分放大电路的静(动动)态参数分析态参数分析 ?输入为差模信号时的动态分析 （对差模信号起放大作用对差模信号起放大作用） 分析电路动态时分析电路动态时, 要先画交流等效电路要先画交流等效电路. (要考虑电路的对称性要考虑电路的对称性) Od d Id u A u = 1 1 2(/) 2 2() L Cc Bbbe R iR iRr = + (/) 2 () L c bbe R R Rr = + 对差模信号的电压放大能力只相当于单管. 另一只用于补偿温漂对差模信号的电压放大能力只相当于单管. 另一只用于补偿温漂 2. 长尾式差分放大电路的静长尾式差分放大电路的静(动动)态参数分析态参数分析 ?输入为差模信号时的动态分析 （对差模信号起放大作用对差模信号起放大作用） 2() bbe Rr=+ 2 c R= 0 s i i i o o oU U R I U R I = = = ? 输入(出)电阻均是单管共射电路的两倍输入(出)电阻均是单管共射电路的两倍 为综合考察差分电路对差模信号的放大能力与共模信号的抑 制能力, 引入新指标:-共模抑制比 理想情况下理想情况下, 共模抑制比为共模抑制比为 d CMR c A K A = 2. 长尾式差分放大电路的静长尾式差分放大电路的静(动动)态参数分析态参数分析 ?差放的电压传输特性 ?前面讨论了差放在小信号线性工作状态下的放大作用 ?当其在大信号状态下工作时，差放放大作用的变化规律，则要由 输出/输入间的传输特性来描述 ?传输特性是指差放的差模输出uod随差模输入uid变化的曲线 改变输入电压的极性得到虚线 uid在一定范围内，与uod线性关系 uid过大时，与uod呈非线性关系 加入Re 可扩展线性范围 19 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?左图中输入(出)端均没有接“地” 点. 称为双端输入双端输出电路双端输入双端输出电路 ?为防止干扰, 常将信号源(或负载 电阻)的一端接地 ?根据输入(出)端接地情况的不同, 差分电路有四种接法 ?双端输入 ?单端输入 ?双端输出电路 ?单端输出电路 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?双端输入单端输出电路 ?Q点分析 0 ()2 (1) EEBEQEQe EQBQ VUI R II + =+ ?输入回路 ?晶体管方程 由于输出回路不再对称，UCEQ1与 UCEQ2计算公式不同 ?输出回路 2CBQBEQCCCQcBCQEEQ UUVIURU=+ 1111CBQBCEEQCQBEQQ UUUUU=+ 111 () CCCQcCQCQL VUR IUR=+ ?差模信号下的动态分析 交流等 效电路 Od d Id u A u = i i i U R I = 0 s o o oU U R I = = ? (/) 2() cL bbe RR Rr = + 2() bbe Rr=+ c R= 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?双端输入单端输出电路 ?共模信号下的动态分析 等效变换 Oc c Ic u A u = d CMR c A K A = (/) 2(1) cL bbee RR RrR = + 射极电阻 Re流过两个管子的电 流, 为方便计算将Re 等效变换 2(1) 2() bbe bb e e R r Rr R + = + Re与KCMR共AC有关. 增大Re可改善KCMR 交流等效电路 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?双端输入单端输出电路 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?单单端输入双双端输出电路 等效变换 分析方法:将单端输入等效变换为双端输入将单端输入等效变换为双端输入, 以利用先验知识以利用先验知识 做一变换: 22 III uuu=+ 022 II uu= 单端输入等效共模信号 与差模信号的迭加 单端输入等效共模信号 与差模信号的迭加 2 OdIcI uA uAu=+输出电压 理想情况下, Ac为0 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?单单端输入双双端输出电路 等效变 换 2 OdIcI uA uAu=+理想情况下, Ac为0 ?Q点与动态分析同双端输入双端输出电路完全相同 ?单端输入电路与双端输入电路的区别在于:在差模信号输入 的同时 在差模信号输入 的同时, 伴随着共模信号输入伴随着共模信号输入.此时输出电压为 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?单单端输入单单端输出电路 ?对于单端输出电路, 通常省略不输出信号一边的Rc ?分析方法:将单端输入等效为双端输入将单端输入等效为双端输入, 其余分析方法与双端 输入单端输出相同 其余分析方法与双端 输入单端输出相同 3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点 ?四种接法总结 ?AdACRo与输出方式有关,输出公式见P151-P152 ?单端输入时,若输入信号为uI ?差模信号的输入电阻均为2() ibbe RRr=+ 2 IdIicI uuuu= 输出信号 差模信号与共模信号 2 OdIcI uA uAu=+ 4. 改进型差分放大电路改进型差分放大电路 ?对射极电阻Re的改进-恒流源电路恒流源电路 ?增大Re 可抑制温漂, 提高KCMR ?Re的增大受VCC与集成电路限制 ?解决方法：恒流源电路恒流源电路 (交流等效电阻无穷大) ?恒流源电路一：Q点稳定电路 ?Rw 调零电位器: 保证uI1=uI2=0时, uO=0 (实际 电路参数不对称) 具有恒流源的差放 恒流源的简化画法 改进 20 ?恒流源电路二：镜像电流源(第四章) ?为获得高输入电阻, 可用场效应管代替晶体管, 分析方法类似 于晶体管差分放大电路 4. 改进型差分放大电路改进型差分放大电路 ?对射极电阻Re的改进-恒流源电路恒流源电路 3.3.3 直接耦合互补输出级直接耦合互补输出级 ?差分放大电路可抑制温漂差分放大电路可抑制温漂, 常用在多级放大电路的输入级常用在多级放大电路的输入级 ?多级放大电路通常分为三级多级放大电路通常分为三级: ?输入级输入级 (差分放大电路差分放大电路,抑制温漂抑制温漂) ?中间级中间级 (共射放大电路或复合管共射放大电路或复合管,放大放大) ?输出级输出级 (OCL, 互补输出电路互补输出电路, 要求要求Ro低低, Uom大大) ?共集电路满足共集电路满足Ro低低, 但静态时但静态时 uo 0, 引入引入RL后后,Q点会改变点会改变 1. 共集电路共集电路(静态时静态时 uo 0, 引入引入R