4章多级放大电路和集成电路运算放大器.ppt

多级放大电路和集成电路运算放大器 第4章 4 1多级放大电路 4 3集成电路运算放大器 小结 4 2差分放大电路 引言 4 1 1级间耦合问题 4 1 2多级放大电路的分析 4 1多级放大电路 为什么要多级放大 在第2章 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 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 单级阻容耦合放大电路 两极阻容耦合放大电路 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 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 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 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 3直接耦合 直接耦合和两级放大电路 存在两个问题 1 静态工作点不独立 2 零点漂移 1 直接耦合的具体形式 为了解决这个问题 可以采用如下的办法 T1 T2都处于饱和 1 静态工作点不独立 a R R B1 C1 u i u o T T 1 2 U CE1 R C2 a 加入电阻RE2 方法一 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 方法二 R R B1 C1 R E2 u i u o T T 1 2 R C2 方法三 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 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 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 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 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 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 4 光电耦合 光电耦合方式是通过光电耦合器件实现的 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 4 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 例1 计算其静态工作点 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 计算前 后级放大电路的静态值 UBE 0 6V 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 第一级是射极输出器 第二级是分压式偏置电路 解 RB1 C1 C2 RE1 RC2 C3 CE 24V T1 T2 1M 27k 82k 43k 7 5k 510 10k 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 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 例3 例4 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 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 第二级放大电路为共发射极放大电路 总电压放大倍数 2 计算ri和r0 微变等效电路 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 2 b I 2 c I rbe2 RC2 rbe1 RB1 1 b I 1 c I RE1 1 60 2 100 rbe1 2k rbe2 2 2k 求Au Ri Ro 例5 解 Ri2 R6 R7 rbe2 R L1 R3 Ri2 AU AU1 AU2 Ri Ri1 R1 R2 rbe1 1 1 R4 Ro R8 4 7k 例6 晶体管和效应管组成的多级放大电路 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 4 2差分放大电路 4 2 1差分放大电路的工作原理 4 2 3具有恒流源差分放大电路 4 2 2差分放大电路的输入输出形式 4 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 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 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 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 差模信号 差模输入方式 差模输入信号 差模输出信号 差模电压放大倍数 差模输入时 左管子的输出电压 Ad1 表示一个管子差摸电压放大倍数 结论 差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数 半电路分析法 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 0uoc 0 Ui1 Ui2 Uic时 Uoc 0 定义 Ac Uoc Uic 共模输入方式下的差放电路 共模信号 共模输入方式 共模输入信号 共模输出信号 共模电压放大倍数 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 什么是共模信号呢 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 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 例如 Ui1 10mV Ui2 6mV 则Uid 2mVUic 8mV 利用叠加原理得到 Uo Uod Uoc 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 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 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 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 二射极耦合差动放大电路的静态分析 静态工作点的计算 二射极耦合差动放大电路的静态分析 静态工作点的计算 对称轴上的电阻的处理 RW和RL的处理 1 差模电压放大倍数 三射极耦合差动放大电路的动态分析 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 由此画出半电路的交流通路如图所示 图4 19 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 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 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 实际差动放大电路的输出电压 4 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 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 1 双端输入双端输出 静态分析 2 双端输入单端输出 电路组成 1 差模电压放大倍数 2 差模输入电阻 3 输出电阻 动态分析 4 共模电压放大倍数 共模交流通路 5 共模抑制比 KCMR Ad Ac 3 单端输入双端输出 1 静态分析同双端输入双端输出 2 动态分析 计算同双端输入双端输出 4 单端输入单端输出 计算同双入单出 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 1 静态分析同双端输入单端输出 2 动态分析 4 2 3 差动放大电路的调零 增加调零电阻后四种接法下的性能分析比较 静态分析时不考虑Rp 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 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 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 4 2 4具有恒流源差分放大电路 1 问题的提出 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 2 电路的组成及工作原理 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 例3 2 1 1 求静态工作点 2 求电路的差模Aud Rid Ro 解 1 求 Q ICQ1 ICQ2 0 5IC3 UCQ1 UCQ2 2 求Aud Rid Ro Ro 2RC 4 3集成电路运算放大器 4 3 1集成运放基本知识 4 3 2通用型集成运算放大器的组成及基本特性 4 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 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 3 通用型集成运算放大器741电路 输入级 V1 V3和V2 V4 通用型集成运算放大器741简化电路 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 F007的管脚图和简化图 4 主要参数 1 输入失调电压UIO 使UO 0 输入端施加的补偿电压 2 输入偏置电流IIB 几毫伏 UO 0时 10nA 1 A 3 输入失调电流IIO UO 0时 1nA 0 1 A 4 开环电压增益Aud 100 140dB 5 差模输入电阻Rid 输出电阻Ro 几十千欧 几兆欧 几十欧 几百欧 6 共模抑制比KCMR 80dB 7 最大差模输入电压UIdM 共模输入UIC过大 KCMR下降 当UId过大时 反偏的PN结可能因反压过大而被击穿 NPN管UIdM 5V横向PNP管UIdM 30V CF741为 30V 8 最大共模输入电压UICM 9 最大输出电压幅度UOPP 输出级为OCL电路 一般比电源电压小一个UCE sat 如电源电压 15V UOPP为 13 14V