zch0多级放大及模拟集成.ppt

模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2,目录,第1章 绪论,第2章 半导体二极管及其应用电路,第3章 半导体三极管及其放大电路基础,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础,第5章 信号运算电路,第6章 负反馈放大电路,第7章 信号处理与产生电路,第8章 场效应管及其放大电路,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,模拟电子技术基础,3,3.5.3 放大电路三种组态的比较,共射极电路,共集电极电路,共基极电路,vo与vi反相,vo与vi同相,vo与vi同相,多级放大电路的中间级,输入级、中间级、输出级,高频或宽频带电路及恒流源电路,4,多级放大电路,引出 例如，要求AV 2000、Ri 2M和Ro 100,性能分析：,静态分析求Q（见后续例题）,动态分析求AV 、Ri和Ro,直接、阻容和变压器耦合,分析思路（要解决的问题）,级联（级间耦合） ：,由信号通路：,5,多级放大电路组成及模电发展线索,输入级Ri,中间放大级AV ,输出级Ro ,共集、共射,共射、共基,共集,第8章 场效应管,第4.3.2节 差分放大电路,2个信号相减,第9章 功率放大电路,直接耦合零漂,Ri,RL特别小,第4.3.1节 电流源,第5、10章 集成运算放大器,性能改善,第6章 反馈技术、方法,第5、7、11章 运算放大器应用 各种功能电路,稳定Q 电路,4 多级放大电路及模拟集成电路基础,4.1 多级放大电路的耦合方式,4.2 多级放大电路的性能分析,4.3 模拟集成电路基础,4 多级放大电路及模拟集成电路基础,7,4.1 多级放大电路的耦合方式,4.1.1 直接耦合,4.1.2 阻容耦合,4.1.3 变压器耦合,4.1.4 光电耦合,不论采用何种耦合方式，都必须保证：, 前级的输出信号能顺利传递到后一级的输入端。, 各级放大电路都有合适的静态工作点。,8,4.1.2 阻容耦合,4.1 多级放大电路的耦合方式,图4.1.5 两级阻容耦合放大电路, 阻容耦合的缺点 不能用来放大变化缓慢的信号或直流信号。, 阻容耦合的优点 各级的静态工作点相互独立 （温度对Q点的影响）, 组成特点,b,e,b,c,信号通路,隔直电容耦合元件,共射,共集,直流开路、交流短路,9,例4.2.1,为提高放大电路的带负载能力，多级放大器的末级常采用共集电路。共射-共集两级阻容耦合放大电路如图所示。已知电路中1=2=50，VBE=0.7V。,(1) 求各级的静态工作点；,(2) 求电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro；,(3) 试分别计算RL接在第一级输出端和第二级输出端时，电路的电压放大倍数。,10,各级静态工作点彼此独立，可分级计算。,解：,(1) 求各级的静态工作点；,第二级：射极偏置,第一级： 分压式射极偏置,直流时电容开路，所以,阻容耦合的特点,也是变压器耦合的特点,11,(2) 求Ri和Ro；,=,Ri= Ri1= R1/R2/rbe1+ (1+ 1)R42.66k,Ri2=R6/rbe2+ (1+)(R7/RL),=150/104=61.11k,Ro1=R3=5.1k,12,(3) 分别计算RL接在第一级输出端和第二级输出端时, 电压增益,Ri2=R6/rbe2+ (1+)(R7/RL),=150/104=61.11k,13,图4.1.6 变压器耦合放大电路,图4.1.7 变压器的阻抗变换, 变压器耦合的最大优点 在传送交流传号的同时，还可以进行电压、电流和阻抗的变换。,4.1.3 变压器耦合,4.1 多级放大电路的耦合方式,隔离直流、传递交流,14,4.1.1 直接耦合,4.1 多级放大电路的耦合方式,图4.1.1 两个共射放大电路简单地直接耦合,如果把前一级的输出端直接（或通过电阻）连接到后一级的输入端，就是“直接耦合”方式。, 两个特殊问题:,1. 级间直流电位匹配问题,2. 零点漂移问题, 直流放大？, 直接耦合的特点 可放大直流及缓慢变化的信号，低频响应好 各级的静态工作点相互影响（温度对Q点的影响）,15, 直流放大？,4.1.1 直接耦合,4.1 多级放大电路的耦合方式,图4.1.1 两个共射放大电路简单地直接耦合,直接耦合放大器可以放大直流信号, 两个特殊问题:,1. 级间直流电位匹配问题,2. 零点漂移问题, VCE1 , VBE2 ,0.7V,饱和,16,1. 级间直流电位匹配问题,4.1.1 直接耦合,图4.1.1 两个共射放大电路简单地直接耦合, VCE1 , VBE2 ,0.7V,图4.1.2 采用提高后级射极电位实现级间电位匹配,使增益下降,17,1. 级间直流电位匹配问题,4.1.1 直接耦合,图4.1.2 采用提高后级射极电位实现级间电位匹配,问题2: JC反偏,VB1 VC1, VC2, VC3, VC4,截止,18,1. 级间直流电位匹配问题,4.1.1 直接耦合,图4.1.2 采用提高后级射极电位实现级间电位匹配,问题2: JC反偏,VB1 VC1, VC2,图4.1.3 常用的直流电平移动电路,VB1 VC1, VC2,19,1. 级间直流电位匹配问题,4.1.1 直接耦合,图4.1.2 采用提高后级射极电位实现级间电位匹配,图4.1.3 常用的直流电平移动电路,20,例4.1.1,两级放大电路如图4.1.4所示。已知三极管的1 =2 =50，VBE1=VBE2=0.7V，稳压管DZ的工作电压VZ = 4V。,(1) 试确定各级的静态工作点。 (2) 若由于温度的升高使IC1增加1%，试问输出直流电压变化了多少？,图4.1.4 例4.1.1的电路,解: (1),首先确定T1的静态工作点:,4.7V,0.7V,确定T2的静态工作点：,21,例4.1.1,两级放大电路如图4.1.4所示。已知三极管的1 =2 =50，VBE1=VBE2=0.7V，稳压管DZ的工作电压VZ = 4V。,(1) 试确定各级的静态工作点。 (2) 若由于温度的升高使IC1增加1%，试问输出直流电压变化了多少？,图4.1.4 例4.1.1的电路,解: (1),首先确定T1的静态工作点:,4.7V,0.7V,确定T2的静态工作点：,解: (2),升高了1.5V，约变化了21%,零点漂移,22,2. 零点漂移问题,4.1.1 直接耦合, 零点漂移现象（简称零漂） 输入端短路或接固定的直流电压，其输出端应为一固定的直流电压， 实际上输出电压将随时间偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。, 造成零点漂移的主要原因 放大电路的静态工作点受温度影响而上下波动。 由于直接耦合电路可以放大缓慢变化的信号，因此前级静态工作点的波动将被后级看作信号逐级放大，输出端的波动电压可能将有用信号“淹没”，严重时甚至使后级电路进入饱和或截止状态，无法正常工作。 很明显，输入级的零漂影响最大，而且直接耦合电路的级数越多，增益越高，零点漂移问题越严重。所以控制输入级的漂移是至关重要的问题，应选择漂移很小的单元电路作输入级。,23,？,思 考 题,答：,两个放大电路是否都可以放大0.1mV的信号？,输入端漂移电压为 0.2 mV,输入端漂移电压为 0.002 mV,A1不可以，,A2可以,温漂指标：,温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,24,例如,若第一级漂了100 uV，,则输出漂移 1 V。,若第二级也漂了100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键！, 减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,调制解调方式。如“斩波稳零放大器”,采用差分式放大电路,漂了 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,级数越多，增益越高，零漂越严重,25,图4.1.8 红外光耦合话筒电路,4.1.4 光电耦合,4.1 多级放大电路的耦合方式,在需要电气隔离的场合或进行远距离信号传输时，多级放大电路也可采用光电耦合形式进行连接。,26,级间耦合的优、缺点及应用比较,耦合方式,优 点,缺 点,应 用,直流或交流放大，分立或集成电路。, 可放大直流及缓慢变化的信号，低频响应好, 便于集成, 有严重的零点漂移问题, 各级Q不独立，设计计算及调试不便,直接耦合,阻容耦合,各级Q独立,体积小成本低, 无法集成,传输交流信号损失小，增益高, 不能放大直流及缓慢变化的信号，低频响应差,交流放大 分立电路,变压器耦合, 无法集成,功率放大 调谐放大,高频和低频响应差,体积大，笨重,各级Q独立,可以改变交流信号的电压、电流和阻抗,27,4.2 多级放大电路的性能分析,4.2.1 多级放大电路的分析方法,4.2.2 多级放大电路的分析举例,4.2.3 多级放大电路的频率响应,28,图4.2.1 三级放大电路方框图,1. 电压增益,2. 输入电阻和输出电阻,多级放大电路的输入电阻Ri 就是第一级放大电路的输入电阻;,4.2.1 多级放大电路的分析方法,4.2 多级放大电路的性能分析,多级放大电路的输出电阻Ro就是末级放大电路的输出电阻。,在计算每级电压增益时，必须考虑前后级之间的影响（如RL1= Ri2）,29,4.2.2 多级放大电路的分析举例,4.2 多级放大电路的性能分析,30,例题2,多级放大器如图所示。设电路中rbe1、rbe2、1、2、3及各参数均已知。,(1) 判断电路中T1、T2和T3各组成什么组态的电路；,(2) 求各级的静态工作点；,(3) 推导AV 、Ri及Ro的表达式。,结构特点,解：,(1) 判断电路的组成形式,由三种不同组态的基本放大电路组合而成的共射-共基-共集组合放大电路。,级间耦合： 直接耦合,输入和输出耦合：阻容耦合,31,(2) 求各级的静态工作点；,T3: 射极偏置,T1: 分压式射极偏置,T2: 分压式射极偏置,32,(3) 推导AV 、Ri及Ro的表达式。,33,第5版习题 4.6.1,电路如图题4.6.1所示。设两管的 =100，VBEQ = 0.7V， 试求：1ICQ1、VCEQ1、ICQ2、VCEQ2；2Av1、Av2、Av、Ri和Ro。,34,图4.2.4 共射-共射两级直接耦合放大电路,直接耦合两级共射放大电路如图4.2.4所示。已知1 =2 = 50，IC2 =2mA，VBE1=0.7V，VBE2= 0.2V，DZ稳压管的稳压值VZ=8V。,例4.2.2,(1) 为使电路实现零输入时为零输出，试问RP1=？,(2) 计算静态时VCE1和VCE2的值；,(3) 如D、DZ的动态电阻均为零，求放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压增益 。,IC2=2mA,0V,7V,6.3V,-0.7V,图4.2.5 图4.2.4的小信号等效电路,35,4.2.3 多级放大电路的频率响应,4.2 多级放大电路的性能分析, 分析方法, 求频率响应表达式:, 确定上限频率 f H和下限频率f L（近似公式）, 画出对数频率响应曲线（波特图）,幅频响应,相频响应,只要把各级的幅频响应和相频响应在同一横坐标下的纵坐标值叠加起来，就可以得到总的频率响应曲线。,36,图4.2.6 两级放大电路的对数频率响应, 定性结论,例如: 有一个两级共射放大电路，每一级的频率响应相同，那么，总的频率响应曲线就是将单级频率响应的纵坐标值加大一倍，如图4.2.6所示。,显然有： fH fL1 因此，采用多级放大电路提高了电压增益，但总的通频带比单级的要窄。,37,4.3 模拟集成电路基础,4.3.1 电流源电路,4.3.2 长尾式差分放大电路,4.3.3 改进型差分放大电路,38,模拟集成电路与分立元件电路相比有以下特点:,4.3 模拟集成电路基础, 由集成工艺制造出来的元器件的参数分散性大，然而相邻元器件的参数对称性却比较好。, 电路结构上采用直接耦合的方式, 为克服直接耦合电路的温漂，常采用具补偿特性的差动放大电路, 采用三极管代替电容、电阻和二极管等元器件,39,4.3.1 电流源电路,4.3 模拟集成电路基础,1. 镜像电流源,2. 多路输出比例电流源电路,3. 微电流源,4. 威尔逊(Wilson)电流源,5. 电流源用作有源负载举例,在集成电路中，三极管除作为放大元件外，还用于构成电流源电路 为各级提供合适的静态电流； 作为有源负载(高阻值的电阻)，从而增大放大电路的电压增益。, 镜像电流源(Wilson电流源), 多路电流源, 电流源用作有源负载, 微电流源, 概述, BJT基本电流源, 比例电流源,40,1、概述,4.3.1 电流源电路,直流电阻小,交流电阻大,恒流源：Rs = ，iO = Is ，与RL无关,三极管工作在放大区，其输出特性具有恒流特性,易受温度影响,特点：,分析任务,求输出电流，并提高计算精度,提高输出电阻Ro,学习要求：,会计算电流源的输出电流（求Q）,能辨认电路（电流源结构的变化规律）,41,2、BJT基本电流源,4.3.1 电流源电路,分压式射极偏置电路,在满足条件 I1 IB ；VB VBE 时,电流源内阻 Rs = Ro（输出电阻）,IC与Rc基本无关，且能稳定Q（温度影响）,42,3、比例电流源,4.3.1 电流源电路,提高计算精度,满足条件： I1 IB,VB VBE, 增加1个二极管D,并使D与T（Je）具有相同的温度特性（补偿）,即： VD = VBE,所以，在Je回路有：,VD +I1 Rb2 = VBE +IC Re,比例电流源, 集成电路中，DT1,BJT基本电流源,特殊状态,思路：,？,43,BJT电流源接法与放大电路接法比较,44,4、镜像电流源,4.3.1 电流源电路,比例电流源,思路：,比例系数1,为减少硅片面积占用，去掉2个电阻,求 IC2 = ?,对管T1与T2特性相同,（温度补偿）,假设T1处于放大区（问题？）,对T1的C点列KCL方程：,镜像,45,思路1：提高精度,VCE1 = VBE1 0.6V VCE2,但仍造成：IC2 IC1,虽有：VBE2 = VBE1 ；2 = 1,修正如下：考虑基区宽度调制效应,VA为Early电压， 典型值100V,4、镜像电流源,4.3.1 电流源电路,思路2：提高Ro,问题3,加缓冲级,(Wilson)电流源,误差修正,46, 带缓冲级的镜像电流源,4.3.1 电流源电路,若 较小，则分流造成的误差不能忽略！,解决方法：增加1个缓冲级T3 即共集放大器，减小分流。,为了避免T3的电流过小而使 3下降，常常加入电阻Re3 ，使IE3增大。,同样对T1的C点列KCL方程：,思路1：提高精度,此时：VCE1 = 2VBE1 1.4V,47, 威尔逊(Wilson)电流源,4.3.1 电流源电路,思路2：提高Ro,问题3,T1、T2组成镜像电流源,IC2,IB3,IC1,设图中T1、T2和T3特性相同,2IB2,由式(2)可得IC2为,整理后得,将式(1)中的IC1用IC2代替，可得,(2),(1),48,5、微电流源,4.3.1 电流源电路,思路：产生A级电流,例如：VCC = 10V，IC2 = 1A，则 R=10M。需占用硅片面积大,解决方法：。,例：已知VCC=15V，IR =1mA， IC2 =20A，VBE1=0.7V，则由(2)得R=15k；由(1)得Re2 =5k。,计算方法：,49,6、多路电流源,4.3.1 电流源电路,图4.3.3 多路输出比例电流源电路,改变射极电阻的大小可以获得不同比例的输出电流,比例电流源,多集电极管构成的 多路电流源,思路：提高集成度,50,6、多路电流源,4.3.1 电流源电路,图4.3.3 多路输出比例电流源电路,T1、T2和T3管的基极电位相等，即,T1的VBE1、R和R1决定基准电流,由于各管的VBE近似相等，因此有,改变射极电阻的大小 可以获得不同比例的输出电流,51,带缓冲级的比例电流源,6、多路电流源,4.3.1 电流源电路,图4.3.3 多路输出比例电流源电路,52,7、电流源用作有源负载,4.3.1 电流源电路,(1) 用于提供静态电流并能稳定静态工作点，这对直接耦合放大器是十分重要的。,(2) 用作有源负载，可获得增益高的特性。,共射电路的电压增益为：,电流源的作用：,例：,共射放大,电流源作有源负载后,比用电阻Rc作负载时提高了,图4.3.6 共发射极有源负载电路,53,放大电路如图所示。各三极管都有 = 49，VBE=0.7V。,例：,(1) 试简要说明各三极管的作用；,(2) 计算电路的电压放大倍数（电容的容抗可忽略不计）。,b,e,b,c,共射,共集,分压式射极偏置电路 基本电流源,54,小结 电流源结构的变化,55,4.3.2 长尾式差分放大电路,4.3 模拟集成电路基础,结构特点为:, 公共Re接负电源VEE，拖一个尾巴，常称为长尾式电路。, 电路参数对称，1=2和rbe1=rbe2，由两个特性完全相同的单管共发射极电路组成。, 双端输入：输入信号从差分对管的两个基极加入； 单端输入：输入信号从其中任一个基极输入，另一个基极接地。,工作方式:, 双端输出： 输出信号从两个集电极之间取出； 单端输出： 输出信号从其中任一个集电极输出。,差分的基本概念:,56,差分的基本概念,-,+, 差分功能：实现2个信号相减,同相输入端,反相输入端, 应用背景：电桥测量,例如铂电阻测温,实际输出为,4.3.2 长尾式差分放大电路, 输入端命名,57,差分的基本概念, 差模与共模：,-,+,差模信号,共模信号,总输出电压,差模电压增益,共模电压增益,共模抑制比,也反映抑制零漂能力,例：, 分析思路：叠加定理,4.3.2 长尾式差分放大电路,58,vo = vo1 vo2 = Av1vi1 Av2vi2,vo = Avd(vi1 vi2), AV1 = AV2 （对管）,原因之二,对称 VC1 = VC2 ,vo = VC1 - VC2 = 0 克服温漂,(3)公共射极电阻Re,(1)直接耦合的共射电路(Rb ,Rs),(2)两边对称,单端输出,公共Re对差模信号相当于短路,结构特点,59,讲课思路(分析思路）,静态分析（近似估算法）,主要指标分析计算（微变等效电路） 差分工作原理（定性分析） 动态分析思路 双端输入 差模增益、共模增益（共模抑制比） 输入、输出电阻 单端输入,4.3.2 长尾式差分放大电路,几种接法性能对比,4.3.3 改进型差分放大电路,抑制零点漂移原理,60,注意：,1、静态分析（近似估算法）,电路对称,T放大的条件：Je正偏、Jc反偏,vi1 = vi2 = 0（静态）, Je正偏, T放大, Jc反偏,vo = VC1 - VC2 = 0, 可实现 0输入 0输出,4.3.2 长尾式差分放大电路,61,4.3.2 长尾式差分放大电路,2、抑制零点漂移的原理, 原理1对称, 原理2负反馈(Re调节作用),T ,IC1 ,VC1 ,VC1,vo = VC1 - VC2 = 0,IC2 ,VC2 ,VC2,=,VE =Re (IE1 + IE2),VBE2 ,理论：完全对称,实际：不完全对称，有偏差,VBE1 ,直接耦合放大器的主要问题,62,4.3.2 长尾式差分放大电路,3、主要指标分析计算 （微变等效电路）, 差分工作原理（定性分析）, 动态分析思路, 双端输入, 单端输入, 分析思路：叠加定理,差模电压增益,共模电压增益,总输出电压,63,输入差模信号,大小相等方向相反,另外：,Re相当于短路,iE = 0,差分工作原理（定性分析）,vRe = 0,64,输入共模信号,大小相等 方向也相同,另外：,差分工作原理（定性分析）,65, 动态分析思路, 小信号等效电路法, 运用叠加原理, 利用对称特点， 转化为单边电路求解。, 四种接法,a. 双端输入、双端输出 b. 双端输入、单端输出 c. 单端输入、双端输出 d. 单端输入、单端输出,电阻Re 和RL,66, 双端输入 差模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 输入纯差模信号, 电路两边对称, 电路变换（拆开、转换为单边电路）,Re短路,RL各分一半, 画小信号 等效电路 （一般不画）,67,双端输入 差模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 双入双出,双入双出, 双入单出,RL各分一半,RL由T1单独负担, 同相输入端与反相输入端,双入单出,Re短路,68, 双端输入 共模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 输入纯共模信号, 电路两边对称, 电路变换（拆开、转换为单边电路）,Re对单边相当于2Re,RL开路, 画小信号 等效电路 （一般不画）,69, 双端输入 共模增益,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路, 双入双出,双入双出, 双入单出,RL开路,RL由T1单独负担,双入单出,Re对单边相当于2Re,70, 双端输入 共模抑制比,3. 主要指标分析计算,6.2.1 基本差分式放大电路,双入双出,双入单出, 双入双出, 双入单出, 公共电阻Re KCMR 抑制零漂能力增强,71, 双端输入 输入、输出电阻,3. 主要指标分析计算,单端输出时:,双端输出时:,72,73, 单端输入,3. 主要指标分析计算,例如：, 指标计算与双端输入相同！,74,4.3.2 长尾式差分放大电路,四种典型的差分放大电路的性能指标,双 端 输 入,单 端 输 入,双 端 输 入,单 端 输 入,双 端 输 出,单 端 输 出,适应于输出不需要一端接地，对称输入、对称输出的场合,适应于单端输入转换为双端输出的场合,适应于双端输入转换为单端输出的场合,适应于输入、输出电路均需要有一端接地的电路中,75,双 端 输 入,单 端 输 入,双 端 输 入,单 端 输 入,双 端 输 出,单 端 输 出,四种典型的差分放大电路的性能指标,76,双 端 输 入,单 端 输 入,双 端 输 入,单 端 输 入,双 端 输 出,单 端 输 出,四种典型的差分放大电路的性能指标,77,测试选择填空,1. 差分放大电路中，当Vs1=300mV，Vsd2=200mV时，分解为共模输入信号Vsc= ，差模输入信号Vsd= 。 a. 500mV b. 100mV c. 250mV d. 50mV,3. 在单端输出差分放大电路中，差模电压增益AVd=50，共模电压增益AVc= 0.5，若输入电压Vs1=80mV，Vs2=60mV，输出电压Vo2= 。 a. 1.035V b. 0.965V c. 0.965V d. 1.035V,Vo2=AvdVsd +AvcVsc =5020mv 0.570mv =1000mv-35mv,2. 差分放大电路中，当Vs1=200mV，Vsd2=0mV时，分解为共模输入信号Vsc= ，差模输入信号Vsd= 。,78,设放大电路如图4.3.10所示，且负载RL接在T2的集电极与地之间。输入信号vi1=50V，vi2=0，单端输出时的差模电压增益Avd2=15，共模电压增益Avc=0.125。试求输出电压vo2=？,图4.3.10 单端输入差分放大电路的交流通路,例4-3-1,79,4.3.3 改进型差分放大电路,4.3 模拟集成电路基础,2. 复合管差分放大电路,3. 场效应管差分放大电路,1. 具有电流源的差分放大电路,80,1. 具有电流源的差分放大电路,为了提高电路对共模信号的抑制能力，常采用直流电阻小、交流电阻大的电流源代替，其共模抑制比可提高12个数量级。,公共电阻Re KCMR 抑制零漂能力增强 IB ,4.3.3 改进型差分放大电路,双入单出,81,例题1,（RL 均为10k）,先求Q点：,比例电流源,已知： =60、VBE=0.6V、rce= 100k。,设调零电位器RP的动端在中间位置。,(1) 双端输出的AVD、KCMR ；,(2) 单端vo2输出的AVD2、KCMR2 ；,(