第三章 多级放大电路

1 第三章多级放大电路 主要内容 3 1 多级放大电路的耦合方式 3 2 多级放大电路的动态分析 3 3 直接耦合放大电路 2 3 实用基本放大电路动态参数的数量级 空载情况下 4 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 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 其方框图如下所示 阻容耦合放大电路的方框图 3 1 多级放大电路的耦合方式 6 单级阻容耦合放大电路 两级阻容耦合放大电路 3 1 多级放大电路的耦合方式 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 9 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 10 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 11 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 1 多级放大电路的耦合方式 12 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 13 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 14 a 加入电阻RE2 方法一 3 1 多级放大电路的耦合方式 15 b 在T2的发射极加入稳压管 方法二 3 1 多级放大电路的耦合方式 16 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 c 利用NPN型管和PNP型管进行电平移动 3 1 多级放大电路的耦合方式 17 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 1 多级放大电路的耦合方式 18 3 直接耦合放大电路中的零点漂移问题 1 何谓零点漂移 输入电压 uI 为零而输出电压 uO 不为零且缓慢变化的现象 2 产生零点漂移的原因 3 零点漂移的严重性 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且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 3 1 多级放大电路的耦合方式 19 注意 为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢 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 3 1 多级放大电路的耦合方式 20 4 光电耦合 光电耦合方式是通过光电耦合器件实现的 3 1 多级放大电路的耦合方式 21 3 1 多级放大电路的耦合方式 小结 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 22 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 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 3 2 多级放大电路的动态分析 23 例1 计算其静态工作点 3 2 多级放大电路的动态分析 24 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 3 2 多级放大电路的动态分析 25 解 两级放大电路的静态值可分别计算 3 2 多级放大电路的动态分析 26 第一级是射极输出器 3 2 多级放大电路的动态分析 27 第二级是分压式偏置电路 3 2 多级放大电路的动态分析 28 3 2 多级放大电路的动态分析 29 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 3 2 多级放大电路的动态分析 30 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 3 2 多级放大电路的动态分析 31 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 3 2 多级放大电路的动态分析 32 1 求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 3 2 多级放大电路的动态分析 33 第一级放大电路为射极输出器 3 2 多级放大电路的动态分析 34 第二级放大电路为共发射极放大电路 总电压放大倍数 3 2 多级放大电路的动态分析 35 2 计算Ri和R0 微变等效电路 3 2 多级放大电路的动态分析 36 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 3 2 多级放大电路的动态分析 37 3 2 多级放大电路的动态分析 38 3 2 多级放大电路的动态分析 39 1 60 2 100 rbe1 2k rbe2 2 2k 求Au Ri Ro 例5 3 2 多级放大电路的动态分析 40 解 Ri2 R6 R7 rbe2 R L1 R3 Ri2 Au Au1 Au2 Ri Ri1 R1 R2 rbe1 1 1 R4 Ro R9 4 7k 3 2 多级放大电路的动态分析 41 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 3 2 多级放大电路的动态分析 42 作业 P180 习题3 2 a b 习题3 4 43 3 3 直接耦合放大电路 3 3 1直接耦合放大电路的零点漂移现象 零点漂移现象 输入电压为零而输出电压不为零且缓慢变化的现象 1 零点漂移现象及其产生的原因 产生的原因 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现象的主要原因 因而也称零点漂移为温度漂移 简称温漂 44 2 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 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 3 3 直接耦合放大电路 5 采用特性相同的管子 使它们的温漂相互抵消 构成 差分放大电路 45 3 3 直接耦合放大电路 3 3 2差分放大电路 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 输出电压与温度无关 即采用特性相同的管子 使温漂抵消 46 3 3 直接耦合放大电路 3 3 2差分放大电路 1 电路的组成 当输入信号uI1 uI2 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 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 47 3 3 直接耦合放大电路 3 3 2差分放大电路 1 电路的组成 Re1 Re2合并 48 3 3 直接耦合放大电路 1 电路的组成 电源与信号源共地 采用双电源 3 3 2差分放大电路 49 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 3 3 直接耦合放大电路 长尾式差分放大电路 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 50 2 长尾式差分放大电路 1 静态分析 由基极回路 3 3 直接耦合放大电路 3 3 2差分放大电路 51 3 3 直接耦合放大电路 2 长尾式差分放大电路 2 共模输入方式 对共模信号的抑制作用 在uIc作用下 iB1 iB2 iC1 iC2 所以 uC1 uC2 双端输出 uOc 0 抑制共模信号单端输出 Re对共模输入信号起负反馈作用 抑制共模信号 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 3 3 2差分放大电路 52 3 3 直接耦合放大电路 Re对共模输入信号起负反馈作用 共模放大倍数 左图电路 Ac 0 53 3 3 直接耦合放大电路 2 长尾式差分放大电路 3 差模输入方式 对差模信号的放大作用 在uId作用下 E点电位不变 相当于接 地 负载中点也相当于接 地 差模放大倍数 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 3 3 2差分放大电路 54 3 3 直接耦合放大电路 2 长尾式差分放大电路 结论 差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数 3 3 2差分放大电路 55 3 3 直接耦合放大电路 输入电阻 Ri 2 Rb rbe 输出电阻 Ro 2Rc 综合衡量差模放大能力 共模抑制能力 共模抑制比 2 长尾式差分放大电路 图3 3 3长尾式差分放大电路 3 3 2差分放大电路 56 4 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 2 ui2 uic uid 2 若 则 uid ui1 ui2 任意输入方式 3 3 直接耦合放大电路 57 4 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 Ad Uid 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 3 3 直接耦合放大电路 实际差动放大电路的输出电压 58 3 3 直接耦合放大电路 2 长尾式差分放大电路 5 电压传输特性 uO f uI 3 3 2差分放大电路 59 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 3 差分放大电路的四种接法 3 3 直接耦合放大电路 60 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 3 3 直接耦合放大电路 61 静态分析 2 双端输入单端输出 电路组成 3 3 直接耦合放大电路 62 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 3 3 直接耦合放大电路 63 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 3 直接耦合放大电路 64 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 3 3 直接耦合放大电路 65 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 3 3 直接耦合放大电路 66 3 3 直接耦合放大电路 3 差分放大电路的四种接法 结论 1 输入电阻均为2 Rb rbe 2 Ad Ac Ro只与输出有关 3 单端输入时 需考虑uic uI 2 67 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