直接耦合放大电路的优缺点ppt课件.ppt

1 项目九多级放大电路和集成电路运算放大器 1多级放大电路 3集成电路运算放大器 2差分放大电路 2 引言 1 1级间耦合问题 3 1 2多级放大电路的分析 1多级放大电路 3 为什么要多级放大 在项目八中 我们主要研究了由一个晶体管组成基本放大电路 它们的电压放大倍数一般只有几十倍 但是在实际应用中 往往需要放大非常微弱的信号 上述的放大倍数是远远不够的 为了获得更高的电压放大倍数 可以把多个基本放大电路连接起来 组成 多级放大电路 其中每一个基本放大电路叫做一 级 而级与级之间的连接方式则叫做 耦合方式 实际上 单级放大电路中也存在电路与信号源以及负载之间的耦合问题 引言 4 1 1级间耦合问题 极间耦合形式 直接耦合 电路简单 能放大交 直流信号 Q 互相影响 零点漂移严重 阻容耦合 各级 Q 独立 只放大交流信号 信号频率低时耦合电容容抗大 变压器耦合 用于选频放大器 功率放大器等 5 1 阻容耦合阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接 其方框图所示 阻容耦合放大电路的方框图 6 单级阻容耦合放大电路 两极阻容耦合放大电路 7 1 各级的直流工作点相互独立 由于电容器隔直流而通交流 所以它们的直流通路相互隔离 相互独立的 这样就给设计 调试和分析带来很大方便 2 在传输过程中 交流信号损失少 只要耦合电容选得足够大 则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级 实现逐级放大 优点 3 电路的温漂小 4 体积小 成本低 8 缺点 2 低频特性差 1 无法集成 3 只能使信号直接通过 而不能改变其参数 2 变压器耦合 变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧 因此可以作为耦合元件 变压器耦合 的两级放大电路 9 为什么要讲变压器耦合 因为变压器在传送交流信号的同时 可以实现电流 电压以及阻抗变换 图4 5变压器的等效电路 工作原理 10 优点 1 变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立 互不影响的 因为变压器不能传送直流信号 2 变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象 3 变压器在传送交流信号的同时 可以实现电流 电压以及阻抗变换 缺点 1 高频和低频性能都很差 2 体积大 成本高 无法集成 11 3直接耦合 直接耦合和两级放大电路 存在两个问题 1 第一级的静态工作点已接近饱和区 2 由于采用同种类型的管子 级数不能太多 1 直接耦合的具体形式 12 为了解决第一个问题 可以采用如下的办法 a R R B1 C1 u i u o T T 1 2 U CE1 R C2 a 加入电阻RE2 13 R R B1 C1 R C2 u i u o T T 1 2 R Uz V Dz CC b 在T2的发射极加入稳压管 14 R R B1 C1 R E2 u i u o T T 1 2 R C2 为了解决第二个问题 可以在电路中采用不同类型的管子 即NPN和PNP管配合使用 如下图所示 利用NPN型管和PNP型管进行电平移动 15 1 电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号 由于级间是直接耦合 所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号 2 便于集成 由于电路中只有晶体管和电阻 没有电容器和电感器 因此便于集成 缺点 优点 1 各级的静态工作点不独立 相互影响 会给设计 计算和调试带来不便 2 引入了零点漂移问题 零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重 2 直接耦合放大电路的优缺点 16 3 直接耦合放大电路中的零点漂移问题 1 何谓零点漂移 2 产生零点漂移的原因 3 零点漂移的严重性及其抑制方法 电阻 管子参数的变化 电源电压的波动 如果采用高精度电阻并经经过老化处理和采用高稳定度的电源 则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因 如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟 就无法正确地将两者加以区分 因此 为了使放大电路能正常工作 必须有效地抑制零点漂移 17 注意 为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢 原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的 如果放大电路各级之间采用阻容耦合 这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大 问题不会很严重 但是 对直接耦合多级放大电路来说 输入级的零点漂移会逐级放大 在输出端造成严重的影响 特别时当温度变化较大 放大电路级数多时 造成的影响尤为严重 18 抑制零点漂移的方法 1 采用恒温措施 使晶体管工作温度稳定 需要恒温室或槽 因此设备复杂 成本高 2 采用温度补偿法 就是在电路中用热敏元件或二极管 或晶体管的发射结 来与工作管的温度特性互相补偿 最有效的方法是设计特殊形式的放大电路 用特性相同的两个管子来提供输出 使它们的零点漂移相互抵消 这就是 差动放大电路 的设计思想 3 采用直流负反馈稳定静态工作点 4 各级之间采用阻容耦合 19 4 零点漂移大小的衡量 uIdr uOdr Au T uOdr是输出端的漂移电压 uIdr就是温度每变化1 折合到放大电路输入端的漂移电压 T是温度的变化 Au是电路的电压放大倍数 20 思路 根据电路的约束条件和管子的IB IC和IE的相互关系 列出方程组求解 如果电路中有特殊电位点 则应以此为突破口 简化求解过程 1 2多级放大电路的分析 1 静态工作点的分析 变压器耦合同第二章单级放大电路阻容耦合直接耦合 21 例 1 如图所示的两级电压放大电路 已知 1 2 50 T1和T2均为3DG8D 计算前 后级放大电路的静态值 UBE 0 6V 22 解 两级放大电路的静态值可分别计算 RB1 C1 C2 RE1 RC2 C3 CE 24V T1 T2 1M 27k 82k 43k 7 5k 510 10k 23 第一级是射极输出器 第二级是分压式偏置电路 解 24 25 RB1 C1 C2 RE1 RC2 C3 CE 24V T1 T2 1M 27k 82k 43k 7 5k 510 10k 26 2 动态性能分析 Au1 Au2 Aun Au1 dB Au1 dB Au2 dB Aun dB 考虑级与级之间的相互影响 计算各级电压放大倍数时 应把后级的输入电阻作为前级的负载处理 1 放大倍数的计算 27 2 输入和输出电阻的计算 多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻 多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻 28 例 2 如图所示的两级电压放大电路 已知 1 2 50 T1和T2均为3DG8D 1 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 2 求放大电路的输入电阻和输出电阻 29 1 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 第一级放大电路为射极输出器 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 30 第二级放大电路为共发射极放大电路 总电压放大倍数 31 2 计算ri和r0 微变等效电路 32 由微变等效电路可知 放大电路的输入电阻ri等于第一级的输入电阻ri1 第一级是射极输出器 它的输入电阻ri1与负载有关 而射极输出器的负载即是第二级输入电阻ri2 33 34 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 35 1 60 2 100 rbe1 2k rbe2 2 2k 求Au Ri Ro 例3 36 解 Ri2 R6 R7 rbe2 R L1 R3 Ri2 AU AU1 AU2 Ri Ri1 R1 R2 rbe1 1 1 R4 Ro R8 4 7k 37 3 三种耦合方式放大电路的应用场合 阻容耦合放大电路 用于交流信号的放大 变压器耦合放大电路 用于功率放大及调谐放大 直接耦合放大电路 一般用于放大直流信号或缓慢变化的信号 集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式 为了抑制零漂 它的输入级采用特殊形式的差动放大电路 38 2差分放大电路 2 1差分放大电路的工作原理 2 3具有恒流源差分放大电路 2 2差分放大电路的输入输出形式 39 2 1差动放大电路的工作原理 DifferentialAmplifier 一电路组成及抑制零漂的工作原理 1 电路组成 特点 a 两只完全相同的管子 b 两个输入端 两个输出端 c 元件参数对称 40 2 抑制零漂的工作原理 原理 静态时 输入信号为零 即将输入端 和 短接 由于两管特性相同 所以当温度或其他外界条件发生变化时 两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同 结果使两管的集电极电位UCQ1 UCQ2始终相等 从而使UOQ UCQ1 UCQ2 0 因此消除了零点漂移 具体实践 在实践中 两个特性相同的管子采用 差分对管 两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配 尽可能保证阻值对称性精度满足要求 结论 可想而知 即使采取了这些措施 差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称 也就是说 零点漂移不可能完全消除 只能被抑制到很小 41 3 信号的输入方式和电路的响应 1 差模输入方式 Ui1 Uid Ui2 Uid 差模输入信号为Ui1 Ui2 2Uid 差模输入方式 若Ui1的瞬时极性与参考极性一致 则Ui2的瞬时极性与参考极性相反 则有 ui1 ib1 ic1 uc1 ui2 ib2 ic2 uc2 输出电压uO uC1 uC2 0 而是出现了信号 记为Uod 定义 Ad Uod 2Uid 42 结论 差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数 43 2 共模输入方式 Ui1 Ui2 Uic 在共模输入信号作用下 差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同 ui1 ui2 0 uo 0 Ui1 Ui2 Uic时 Uoc 0 定义 Ac Uoc Uic 共模输入方式下的差放电路 44 Ac叫做共模电压放大倍数 理论上讲 Ac为0 实际上由于电路不完全对称 可能仍会有不大的Uoc 一般Ac 1 既然UOC 0或者UOC很小 为什么还要讨论共模输入呢 差放的两半电路完全对称 又处于同一工作环境 这时温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用 都等效成共模输入信号 如果在Uic作用下 Uoc 0或Ac 0 则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂 45 3 任意输入方式 输入端分别接Ui1和Ui2 这种输入方式带有一般性 叫 任意输入方式 Uic Ui1 Ui2 2 Ui1 Uic Uid Ui2 Uic Uid 若 则 Uid Ui1 Ui2 2 任意输入方式 46 3 任意输入方式 输入端分别接Ui1和Ui2 这种输入方式带有一般性 叫 任意输入方式 Uic Ui1 Ui2 2 Ui1 Uic Uid Ui2 Uic Uid 若 则 Uid Ui1 Ui2 2 例如 Ui1 10mV Ui2 6mV 则Uid 2mVUic 8mV 利用叠加原理得到 Uo Ad 2Uid AcUic Ad Ui1 Ui2 结论 在任意输入方式下 被放大的是输入信号Ui1和Ui2的差值 这也是这种电路为什么叫做 差动放大的原因 47 4 存在的问题及改进的方案 以上研究的是基本的差动放大电路 它实际上不可能完全抑制零漂 因为两半电路不会完全对称 另外 如果从一管输出 则与单管放大电路一样 对零漂毫无抑制能力 而这种 单端输出 方式的形式又是经常采用的 稳定静态工作点 就是要减小ICQ的变化 而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化 即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事 因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法 在管子的射极上接一电阻 这样 基本的差动放大电路就改进为如图4 15所示 图4 15 48 可以想见 RE越大 则工作点越稳定 零点漂移也越小 但 RE太大 在一定的工作电流下 RE上的压降太大 管子的动态范围就会变小 如图4 16所示 为了保证一定的静态工作电流和动态范围 而RE又希望取得大些 常采用双电源供电 用电源VEE提供RE上所需的电压 采用双电源供电后的的负载线也如图4 16所示 可以看出在同一个ICQ下 输出电压的动态范围大多了 49 50 改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路 射极耦合差动放大电路 51 因为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压 所以RB可以去掉 VT1和VT2的射极之间还接入了电位器RW 用于电路调零 二射极耦合差动放大电路的静态分析 静态工作点的计算 忽略Ib 有 Vb1 Vb2 0V 52 三射极耦合差动放大电路的动态分析 以双端输入双端输出为例 53 在讨论基本差动放大电路时已经讨论过 1 Ad Ad1 2 对于任意输入信号Ui1和Ui2 可以用一个差模信号和一个共模信号叠加来表示 其中 Uid Ui1 Ui2 2 Uic Ui1 Ui2 2 因此总是分别求电路的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数 54 1 差模电压放大倍数 关键在于画出差模信号作用下 半电路的交流通路和微变等效电路 A 对差模信号 若一管的射极电流增大 I 则另一管的射极电流必然减小 I 因而流过射极电阻RE的总电流不变 即RW的滑动端C点的电位恒定 相当于交流接地 B 负载RL中点电位为交流地电位 55 解释原因 由此画出半电路的交流通路如图所示 图4 19 56 2 共模电压放大倍数 在理想情况下 共模电压放大倍数Ac 0 3 差模输入电阻Rid 图4 20差模输入电阻的等效电路 57 Rid 2 R1 rbe 1 Rw 2 4 差模输出电阻 Rod 2RC 5 共模输入电阻 6 共模输出电阻 Roc 2RC 58 10 差动放大电路的电压传输特性 差放双入双出电压传输特性 7 共模抑制比 KCMR Ad Ac 用分贝表示 KCMR 20lg Ad Ac Ad越大越好 Ac越小越好 因此KCMR越大越好 8 最大共模输入电压UICM 9 最大差模输入电压UIDM 59 2 2 差分放大电路的输入输出形式 差动放大器共有四种输入输出方式 1 双端输入 双端输出 双入双出 2 双端输入 单端输出 双入单出 3 单端输入 双端输出 单入双出 4 单端输入 单端输出 单入单出 主要讨论的问题有 差模电压放大倍数 共模电压放大倍数差模输入电阻输出电阻 60 1 双端输入双端输出 1 差模电压放大倍数 2 共模电压放大倍数 3 差模输入电阻 4 输出电阻 输入幅值不同 如何处理 61 2 双端输入单端输出 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号 1 差模电压放大倍数 2 差模输入电阻 3 输出电阻 62 4 共模电压放大倍数 共模等效电路 63 3 单端输入双端输出 单端输入等效双端输入 因为右侧的Rb rbe归算到发射极回路的值 Rs rbe 1 Re 故Re对Ie分流sss极小 可忽略 于是有 vi1 vi2 vi 2 计算同双端输入双端输出 64 4 单端输入单端输出 注意放大倍数的正负号 设从T1的基极输入信号 如果从C1输出 为负号 从C2输出为正号 计算同双入单出 65 1 差模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 差动放大器动态参数计算总结 双端输出时 单端输出时 2 共模电压放大倍数 与单端输入还是双端输入无关 只与输出方式有关 双端输出时 单端输出时 66 3 差模输入电阻 不论是单端输入还是双端输入 差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍 单端输出时 双端输出时 4 输出电阻 67 5 共模抑制比 共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标 或 双端输出时KCMR可认为等于无穷大 单端输出时共模抑制比 68 2 3具有恒流源差分放大电路 1 电路的组成和工作原理 KCMR Ad Ac 从以上两式看出要减小Ac 提高共模抑制比 应增大RE 但RE不能太大 因为RE上的压降由VEE提供 在保持VT1 VT2两管的工作电流为一定值时 要加大RE 必须提高VEE 这是有困难的 能不能找到这样一种元器件 它的直流电阻很小 而它的交流电阻却很大 这样静态时不需要很大的VEE 动态时的AC却很小 KCMR很大 69 2 电流源电路 减少共模放大倍数的思路 增大REE 用恒流源代替REE 特点 直流电阻为有限值 动态电阻很大 1 三极管电流源 简化画法 电流源代替差分电路中的REE 70 3 具有电流源的差分放大电路 简化画法 71 V3 V4构成比例电流源电路 能调零的差分电路 72 例 1 求静态工作点 2 求电路的差模Aud Rid Ro 解 1 求 Q 73 100 ICQ1 ICQ2 0 5I0 UCQ1 UCQ2 6 0 42 7 5 2 85 V 2 求Aud Rid Ro Ro 2RC 15 k 74 3集成电路运算放大器 3 1集成运放基本知识 3 2通用型集成运算放大器的组成及基本特性 75 3 1集成运放基本知识 一 通用型集成运放 OperationalAmplifier 的组成 1 模拟集成电路的特点 1 直接耦合 采用差分电路形式 元件相对误差小 2 大电阻用恒流源代替 大电容外接 3 二极管用三极管代替 B C极接在一起 4 高增益 高输入电阻 低输出电阻 76 2 组成方框图 输入级 差分电路 大大减少温漂 中间级 采用有源负载的共发射极电路 增益大 输出级 OCL电路 带负载能力强 偏置电路 镜像电流源 微电流源 77 输入级 V1 V3和V2 V4 3 通用型集成运算放大器741简化电路 78 共集 共基组合差分电路 V5 V6 有源负载 构成双端变单端电路 中间级 V7 V8 复合管 共发射极 具有高增益 输出级 甲乙类互补对称功率放大电路 OCL V11 V13 采用单电源 OTL 时 输入端静态电位应为0 5VCC 79 二 集成运算放大器电路符号及理想化条件 1 运放的符号 习惯用符号 国家标准符号 直流电源接法 VCC VEE 80 等效电路 u 同相端输入电压 u 反相端输入电压 uid 差模输入电压 uid u u Aud 开环差模电压放大倍数 uo Aud u u 81 1 Aud 2 运放特性的理想化 6 UIO 0 IIO 0 理想运放 4 KCMR 5 BW 2 Rid 3 Ro 0 传输特性 理想 线性区 82 1 Aud 2 运放特性的理想化 6 UIO 0 IIO 0 理想运放 4 KCMR 5 BW 2 Rid 3 Ro 0 传输特性 理想 线性区 实际 3 理想运放工作在线性区的两个特点 1 u u 虚短