荣雅君《模拟与数字电子技术》第三章

第3章放大电路基础,本章提要,在电子仪器、仪表及设备中，经常要把微弱的电信号放大后去推动执行元件。而晶体管的主要用途之一是利用其电流放大作用组成各种放大电路。由于放大电路是电子设备中最普遍的一种基本单元电路，其应用十分广泛，对其研究是分析其它复杂电子电路的基础。本章主要讨论以下几个问题：,1共射极放大电路的组成、各元件的作用；电路的静态工作点及其物理意义；晶体管的小信号模型及放大电路的微变等效电路分析法；放大电路的动态参数及其对电路工作性能的影响。,2共集电极放大电路的组成、静态分析、动态分析；共集电极放大电路的特点及应用领域。,3多级放大电路的级间耦合方式；直接耦合方式存在的问题及解决的办法；阻容耦合多级放大电路的静态、动态分析。,第3章放大电路基础,重点掌握放大电路静态工作点的意义及计算方法；晶体管的小信号模型及放大电路的微变等效电路分析法；掌握电路的动态参数计算方法及其意义。,4功率放大电路的组成特点，与电压放大电路的区别；乙类和甲乙类功率放大电路的分析、参数计算及参数的意义。,5差分放大电路的组成特点，为什么可以抑制零点漂移；电路的静态、动态分析；差分放大电路的输入输出方式。,作为了解的内容，介绍放大电路的频率特性及其意义。,放大电路的组成,一、放大电路的组成原理（应具备的条件1.放大器件工作在放大区（发射结正偏，集电结反偏）通过直流电压源施加偏置电压。（静态工作条件）静态工作条件是前提，保证三极管在放大区；动态（交流）信号是我们要放大的对象，电路在动态信号时的变化决定放大的结果。2.输入信号能输送至放大器的输入端（三极管发射结）3.有信号电压输出。通过电阻转换ic为电压。,放大电路的主要性能指标,静态：IBQ，ICQ，IEQ，UBEQ，UCEQ动态：一、放大倍数或增益电压放大倍数电流放大倍数若用分贝（dB）表示，则称为增益。二、输入电阻输入电压与输入电流之比三、输出电阻输出电压与输出电压之比四、通频带,如何计算这些性能指标？,1.静态分析（只有直流量，没有交流信号输入时）：是否工作在放大区？2.动态分析（有前提条件）：交流通路时，求各项技术指标（电压放大倍数、输入电阻）前提：放大信号频率在低频范围放大器件工作在线性放大区（静态分析）器件的动态工作范围在工作点附近的较小一段认为是直线分析步骤：由放大电路画出交流通路整理成微变等效电路用电路原理中的方法求解,第3章放大电路基础,晶体管放大电路应要达到的要求,（1）把微弱的信号放大，包括电压、电流、功率等。,（2）输出信号的波形要和输入信号的波形相同，即不失真。,共射极放大电路是以晶体管的发射极作为输入回路和输出回路的公共端构成的单级放大电路。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,信号源,输入电压,负载电阻,输出电压,集电极电源,集电极电阻,基极电阻,基极电阻,发射极电阻,射极旁路电阻,耦合电容,耦合电容,I2,UB=RB1/(RB1+RB2)UCC,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,一、电路的组成（略）,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,晶体管V：晶体管是放大电路中的电流放大元件，利用它的基极电流对集电极电流的控制作用，在集电极获得受输入信号控制、被放大了的电流。集电极电源Vcc:电源除为输出信号提供能量外，它还保证集电结处于反向偏置、发射结处于正向偏置，以使晶体管起到电流放大作用。一般为几伏到几十伏集电极直流负载电阻Rc：集电极直流负载电阻简称集电极电阻，它主要是将集电极电流的变化变换为电压的变化，以实现电压放大。的阻值一般为几千欧到几十千欧。,电路中各个元件分别起如下作用：,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,基极电阻RB1和RB2：它们的作用是为基极提供合适的静态基极电流，以使放大电路获得合适的静态工作点。另一方面，通过合适的分压，使晶体管基极电位固定不变，达到稳定静态工作点的目的。RB1、RB2的阻值一般为几十千欧到几百千欧。发射极偏置电阻RE：又称为电流负反馈电阻。它主要起稳定静态工作点的作用。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,耦合电容C1和C2：它们起到隔直流的作用，用来隔断放大电路与信号源之间（C1）、放大电路与负载之间（C2）的直流通路，使三者之间无直流联系，互不影响。另一方面又起到交流耦合作用，保证交流信号顺利通过放大电路，沟通信号源、放大电路和负载三者之间的交流通路。通常要求耦合电容的容抗很小，在动态分析中可以忽略不计，即对交流信号可视为短路；因此电容值一般取得较大，为几微法到几十微法，常采用的是有极性电容器，连接时要注意其极性。射极旁路电容CE：为消除对交流信号的影响，通常加旁路电容。要求它的容抗很小，对交流信号相当于短路。图3-1所示电路叫做分压式射极偏置电路或稳定静态工作点的共射极典型放大电路。,二.分析放大电路的步骤：（一）.确定是否工作在放大区静态分析；需要确定的参数静态工作点。（二）.动态分析：分析输入信号的被放大情况，有无失真。画交流通路，求性能指标。,（一）.静态分析：当放大电路输入端没有输入电压信号，即ui=0时，电路中电压、电流都是不变的直流量，称放大电路为“静态”。此时的电压、电流值称为放大电路的静态工作点（IBQ，ICQ，IEQ，UCEQ）。（UBEQ为已知量）分析方法：1.画出直流通路直流电源单独作用时的电路。画法：所有耦合电容、旁路电容都开路。,直流通路,2.画出直流通路后，计算静态工作点,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,例3-1在图3-1中，,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,3-2所示。由式（3-1）、式（3-4）得,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,如果改为200，与有关的只有IBQ，只有IBQ减小，管子的静态工作点基本不变。,3-1求其静态工作点，40，晶体管处于什么状态？（UBEQ=0.7V）,解：由图可知发射结正偏。假设晶体管处于放大状态，则,符合假设。所以晶体管处于放大状态。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,补充：图解法,静态工作点,截止失真,饱和失真,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,如果静态工作点设置得过低，则叠加在其上的交流波形就要进入到截止区，使输出波形与输入波形不相似，发生了失真。这种由于静态工作点选得过低使交流波形进入到截止区而发生的失真，称为截止失真。对于NPN型晶体管的单级放大电路，截止失真的波形如图3-3所示。,3.放大电路的失真,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,如果静态工作点选得过高，同样会发生失真。这时的失真波形如图3-4所示。这是由于交流波形进入到饱和区而发生的失真，称为饱和失真。,截止失真和饱和失真都是由于晶体管的非线性特性引起的，故都属于非线性失真。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,静态工作点的设置，直接关系到放大电路能否正常工作（放大信号)。,4静态工作点的稳定,（二）.动态分析：分析输入信号的被放大情况，有无失真。画交流通路，画出微变等效电路，求性能指标。当放大电路输入端加输入电压信号，即ui0时，电路中电压、电流随之变化，称放大电路为“动态”。,1.画出交流通路：输入交流电压、电流单独作用时的电路。画法：所有耦合电容和旁路电容都当作交流短路；所有直流电源都当作交流短路。,交流通路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,当放大电路有输入信号时，晶体管的各个电流和电压都含有直流分量和交流分量。直流分量一般即为静态值，由上面所述的静态分析来确定。动态分析是在静态值确定后分析信号的传输情况，考虑的只是电流和电压的交流分量(信号分量)。,微变等效电路法,分析步骤：由放大电路画出交流通路整理成微变等效电路用电路原理中的方法求解,画出交流通路,所有耦合电容和旁路电容都当作交流短路。所有直流电源当作交流短路。,1晶体管的微变等效电路（1）从输入端看进去，如何等效？,当输入信号很小时，在静态工作点Q附近的工作段可以认为是直线，当为常数时，与之比,输入电压ui=ube输入电流ii=ib输入电阻Ri=rbe,ui,ii,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,称为晶体管的动态输入电阻，它表示晶体管的输入特性。在小信号的情况下，是一常数，由它确定和之间的关系。因此，晶体管的输入电路可用等效代替图3-6a。,低频小功率晶体管的输入电阻常用下式估算：,式中，是发射极电流的静态值；为基区体电阻，常取；一般为几百欧到几千欧。它是对交流而言的一个动态电阻，在手册中常用表示。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,即晶体管的电流放大系数。在小信号条件下为常数。,输出端的电流电流控制作用晶体管的电流控制作用可以用一个受输入电流控制的受控电源ic=ib代替，以表示晶体管的电流控制作用。当ib=0时，ic=ib也为0，所以它不是一个独立电源。值一般在20200之间。,（2）从输出端看进去，如何等效？,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,输出电阻：当iB为常数时，UCE与IC之比,io,uo,+o,输出电压uo=uce输出电流io=ic输出电阻Ro=rce,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,rce称为晶体管的输出电阻。在小信号的条件下，rce也是一个常数。在等效电路中与恒流源ib并联。由于rce的阻值很高（曲线越平坦，rce越大），约为几十千欧到几百千欧，所以在以后的微变等效电路中都把它忽略不计，用简化的晶体管线性化模型表示。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,晶体管简化的微变等效模型,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,2放大电路的微变等效电路分析法,等效的目的：分析放大电路的动态工作情况，即电路的电压放大倍数，输入、输出电阻等。,等效方法（即交流通路画法）：电容对于交流量相当于短路；直流电源视为短路；用晶体管的微变等效电路代替晶体管。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,（1）电压放大倍数,电压放大倍数反映放大电路对输入电压放大的能力，定义为输出电压的变化量与输入电压的变化量之比。当输入正弦电压时，可以用有效值相量表示，即：,3.放大电路的性能指标,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,由图3-7b知，,故,式中“”号表示输出电压与输入电压相位相反共射极单管放大电路具有倒相的作用；为等效负载电阻。当外接负载开路，即时,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,为空载电压放大倍数，比有载时大。可见越小，电压放大倍数越低。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,除了与有关外，还与和有关。晶体管的电流放大系数增大时，|也增大，但同时晶体管本身的输入电阻也增大，增大到一定程度时有,可见当足够大时，电压放大倍数几乎与无关。而在一定时，只要增大静态发射极（或集电极）电流（或），就可明显增加。,值得注意的是，电压放大倍数只能在不失真的前提下求得。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,源电压放大倍数,三个电压放大倍数之间的比较,放大电路的输出电压与信号源电压之比常称为源电压放大倍数,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,（2）放大电路的输入电阻,放大电路对信号源（或对前级放大电路）来说，相当于负载，可以用一个电阻Ri等效代替，称为放大电路的输入电阻。,当考虑输入信号源存在内阻时，放大电路的实际输入电压为：,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,其中。,输出电阻定义为：,即在信号源短路()、内阻（）保留和输出端开路（）的条件下,输出电压的变化量与输出电流的变化量的比值。,（3）放大电路的输出电阻,当时，。在原放大电路的输出端外加一恒压源，其输出电流为，则有：,其中，是晶体管的输出电阻，值很大，忽略其分流作用。一般为几千欧，因此共发射极放大电路的输出电阻较高。,0,如果放大电路的输出电阻较大（相当于信号源的内阻较大），当负载变化时，输出电压的变化也较大，也就是放大电路带负载的能力较差。因此通常希望放大电路的输出级的输出电阻低一些。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,结论：,1.放大倍数：反映放大电路对输入电压信号放大的能力。,2.输入电阻：越大越好，输入电阻越大，取用信号源的电流就越小，减轻信号源的负担。输入电压越大，则输出电压越大。,3.输出电阻：越小越好，输出电阻越小，放大电路带负载能力越强，最好。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,解放大电路对负载来说，是一个信号源，可用等效电动势和内阻表示，如图3-10所示。等效电源的内阻即为放大电路的输出电阻。,输出端开路时(见图3-10a),输出端接上负载电阻时(见图3-10b),由上列两式可得出,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,例3-3(1)求例3-1电路的;,(2)如果去掉射极旁路电容，再计算。,解（1）根据放大电路的微变等效电路(见图3-7b）,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,（2）如果去掉旁路电容后，放大电路和微变等效电路如图3-11所示。显然对静态工作点无任何影响。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,可见由于的存在，使电压放大倍数减小很多。,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,第三章放大电路基础第一节共射极放大电路,结果表明，会使放大倍数下降，但却使输入电阻显著增加，克服了有时小的缺点，且对的影响也减小了（）。因此，为了提高放大电路的输入电阻又不至于使放大倍数下降太多，常用将大部分电阻旁路，而保留一个小阻值电阻不被旁路。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路射极输出器,、共集电极放大电路的组成,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,二、共集电极放大电路分析,1.静态工作点的计算,2、动态分析与计算,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,（1）电压放大倍数,式中。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,同理有：,由式3-19可见，表明输出电压与输入电压同相位，且大小近似相等，电路没有电压放大能力。通常将这种输出电压跟随输入电压变化的电路叫做“跟随器”。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,（2）输入电阻,由微变等效电路的2-2端看进去的等效电阻为,因此，输入电阻为：,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,（3）输出电阻根据输出电阻的定义和求解方法，可得如图3-15所示的等效电路。先求从1-1端看进去的等效电阻,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,3共集电极放大电路的特点,（4）虽然它没有电压放大，却有电流放大能力。其电流放大倍数：,所以有功率放大能力。,（1）电压放大倍数，表示输出电压与输入电压同相位，并且值近似相等，即输出电压跟随输入电压。,（2）输入电阻很大，同时与负载电阻有关。,（3）输出电阻很小，与信号源内阻有关。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,例3-4在图3-12电路中，已知，容抗可略去，试计算：,（1）静态工作点。,（2）输入电阻，输出电阻。,（3）电压放大倍数,（4）如果信号源电压，求输出电压。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,解（1）静态工作点,由式(3-18)得,（2）输入电阻和输出电阻,由式(3-20)得,由式(3-21)得,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,（3）电压放大倍数,由式（3-19）有：,当考虑时，,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,同理，当空载时，可得：,结果表明：当负载变化很大，但变化较小，放大倍数比较稳定。有无时，变化也较小，这是该电路的输入电阻很大，接受信号能力强的反映。,（4）输出电压,表明输出电压跟随输入电压。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,三、共集电极电路的应用,共集电极电路特点：输入电阻高，输出电阻低。在与共射电路组合起来构成多级放大电路时，它可以用作输入级、中间级或输出级，借以提高放大电路的性能。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,1用作输入级,由于共集电路的输入电阻很高，用作多级放大电路的输入级时，可以提高整个放大电路的输入电阻，因此输入电流很小，减轻了信号源的负担，在测量仪器中应用，提高其测量精度。,2用作输出级,因其输出电阻很小，用作多级放大电路的输出级时，可以大大提高多级放大电路带负载的能力。,第三章放大电路基础第二节共集电极放大电路,3用作中间级,在多级放大电路中，有时前后两级间的阻抗匹配不当，影响了放大倍数的提高。如在两级之间加入一级共集电路，它能够起到阻抗变换的作用。,共基极放大电路,交流通路,直流通路,三种基本组态放大电路的比较,共射电路既有电压放大倍数由有电流放大倍数，其输入电阻不大，输出电阻也不大；输出电压与输出电压相位相反；广泛应用于各种放大电路中。,共集电极电路只有电流放大倍数，没有电压放大倍数，输入电阻大，输出电阻小，带负载能力强，可用于作输入极、输出极和缓冲极；它的输入电压和输出电压同相位。,共基极电路只有电压放大倍数，没有电流放大倍数，其输入电阻较小，输入电压与输出电压同相位；广泛应用于高频、宽频放大电路中。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,多级放大器的作用：对微弱信号进行连续放大，以在输出端获得必要的电压幅值或足够的功率。,如何组成多级放大器？,根据对输入电阻、放大倍数、频带等方面的要求，选择几个基本放大电路，并把它们合理连接，组成多级放大电路。例如，构成电压放大电路时应选择输入电阻比大的多的电路作输入级；,输出电阻和中间级怎么办？,输出电阻尽量小，提高电路带负载能力；放大能力强的电路作中间级，以获得足够的电压放大倍数。,1.阻容耦合阻容耦合方式：信号源与放大电路之间、多级放大电路的各级之间及放大电路与负载之间由电阻、电容连接的方式。特点：各级静态工作点相互独立。只能放大交流信号。这种耦合方式在分立元件电路中被普遍采用。,一、多级放大电路的级间耦合方式在多级放大电路中，每两个单级放大电路之间的连接称为耦合。耦合方式有阻容耦合、变压器耦合和直接耦合三种。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,2直接耦合方式直接耦合方式：前后级间直接连接。特点：因此各级的静态工作点相互有影响；它不仅能放大交流信号，还能放大直流和缓慢变化的电信号；在集成电路中普遍使用。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,3变压器耦合方式前后级间采用变压器联接。因此各级的静态工作点彼此独立计算；改变匝数比，可进行最佳阻抗匹配，得到最大输出功率；常用在功率放大的场合，或者需要电压隔离的场合，例如功率放大器，晶闸管触发电路等。4.光电耦合前后级间或信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间采用光耦合器连接。光耦合器是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,二、阻容耦合多级放大电路的分析两级共射放大电路（阻容耦合）,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,1静态工作分析采用阻容耦合方式，各级静态工作点互不影响，彼此独立计算，与单级放大电路的静态计算相同。2动态工作分析微变等效电路：,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,电压放大倍数由图知第二级的输入电阻相当于前级的外接负载电阻，即因此，式中,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,同理,所以,显然总电压放大倍数等于各级电压放大倍数连乘积。,当考虑信号源内阻时，则有,(2)多级放大电路的输入电阻从等效电路图中看出，多级放大电路的输入电阻，就是第一级放大电路的输入电阻，即,(3)多级放大电路的输出电阻从上图也可看出，多级放大电路的输出电阻，就是最末级电路的输出电阻。在两级放大电路中即为：,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,例3-5如图所示是一个两级阻容耦合放大电路。如果信号源内阻，外接负载电阻，晶体管的，电容的容抗可忽略不计。,画出微变等效电路，同时计算。假若把1、2级互换位置，再计算。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,根据前面计算已知：,则：,其中：,代入数值得：,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,2）将1、2级互换位置后，有,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,上述计算结果表明：共集电极电路的电压放大倍数，在两个位置上相差很小。共射放大电路的电压放大倍数在两个位置上相差较大。原因是前者的外接负载是共集电路的输入电阻，后者的外接负载是，与电阻并联后，等效负载明显比后者小得多。因为信号源内阻，前者输入电阻只有，而后者输入电阻是共集电路的输入电阻，显然衰减系数（）差别较大。从而看到共集电路的作用。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,三、直接耦合放大电路及其存在的问题直接耦合放大器能够放大频率很低(包括下限频率为零)的信号。这些信号一般是毫伏级的微弱信号，需要经过放大之后，才能进行测量或推动执行机构。能放大上述变化极为缓慢信号或恒定不变的信号的放大器，称为直流放大器。由于电容器对变化极为缓慢的信号不能进行传递，所以阻容耦合放大器不能放大直流信号。把阻容耦合放大器的电容去掉，就构成直接耦合电路。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,为了使前后级静态工作点配置合适，可采取如下措施：,（1）提高管发射极的静态电位,（2）NPN型管和PNP型管直接耦合利用两个管子要求不同偏置极性的特点，可把前级较高的集射极间的电压转移到后级管子和负载上去，使前后级静态工作点有较适当的配合，使输出有较大的范围。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,（3）采用复合管电路当需要管子有较高的电流放大系数时，可以把两个管子直接耦合起来等效成一个管子，称为复合管(又称达林顿管)。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,2、零点漂移及其危害,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,零点漂移：实际中，当一个多级直接耦合放大电路的输入信号为零(ui=0)，输出端电压并不保持恒值，而在缓慢地、无规则地变化着的现象（简称零漂）。由于零漂引起了输出信号的变化，看上去像有输出信号，但这是在没有输入信号的情况下的输出，因此它是个假“信号”。零漂会造成真假信号共存于放大电路中，当零漂较严重时，就难于分辨真伪，使放大电路不能正常工作。,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,必须采取相应抑制漂移的措施。引起零点漂移的原因：(1)晶体管参数(ICEO，UBE，)随温度的变化(2)电源电压的波动(3)电路元件参数的变化等多级放大电路中，第一级零漂的影响最为严重。所以，抑制零漂要着重于第一级。,衡量一个放大器零漂指标的好坏，不能仅看输出端的漂移量，而是要与放大器的灵敏度结合起来考虑。即把输出端的零漂电压折合到输入端。把温度变化造成的输出端电压漂移折合到输入端。,如何衡量和抑制零漂？,第三章放大电路基础第三节多级放大电路,解决零漂的办法，除了选用高质量的晶体管和高质量的其它电路元件之外，主要采用以下两种措施：补偿措施。调制和解调技术构成调制型直流放大器，可以达到微零漂的要求。,解决直接耦合放大电路中存在的两个问题，最有效的电路结构形式就是差动放大电路。由于目前应用的直流放大器，绝大多数是集成电路放大器，而这种放大器大多是直接耦合的，为抑制零漂，其前置级广泛采用差动级。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,一、典型差动放大电路工作原理,电路结构对称，由两个对称的单管共射放大电路组成。V1、V2特性完全相同，且RC1=RC2=RC。VCC和VEE大小相同，极性相反。RP为调零电位器，其值很小，可以不计。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,静态分析及零点漂移的抑制,当输入电压为零()时，前图静态电流通路如右图所示。,由于电路完全对称，两侧的集电极电流、集电极电位相等，即：,输出电压为：,可见，输入电压为零时，输出电压也为零。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,当温度升高时，两管的集电极电流都增大，集电极电位都降低，但是由于它们的变化量相同，即，又由于输出电压取自两管的集电极之间，则。说明完全对称的差分电路，在两个管子集电极之间取输出信号时，对两管产生的同向漂移具有完全的抑制作用。即电路在理想情况下能使零漂为零。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,实际的电路完全对称是不可能的，所以零漂不能完全依靠电路的对称性来抑制。而且，若从单边取输出信号电压，零漂又如何抑制呢？,在前图电路中，的作用是稳定它本身的电流，抑制每个管子的漂移，从而更好的抑制整个电路的零漂。例如，当温度升高时，它抑制零漂的过程可以描述如下：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,能够抑制零漂是靠它的电流负反馈作用。显然，的阻值越大，抑制零漂的效果越显著。只要两管的集电极电流、集电极电位产生同向漂移，都具有电流负反馈作用。可见的电流负反馈作用进一步增强了差分电路抑制零漂的能力。,由于电路对称，在计算静态工作点时，只需计算一侧的，和，另一侧与它相等。静态时，中流过两倍的发射极电流：。因此单边的静态电流通路如后图所示。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,图3-26典型差分放大电路的静态电流通路,（a）,（b）,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,一般用恒流源代替电阻RE优点：（1）静态电阻小，直流压降小（2）动态电阻大抑制零点漂移的方法：（1）对称两管放大电路，两管引起的输出端电压大小相等，整个电路输出为0。（2）增大电阻RE或采用恒流源，减小电路本身的零漂。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,2电路的动态分析,(1)共模输入两个输入电压大小相等、极性相同，即，这样的输入信号称为共模输入，共模输入方式如右图所示。从放大电路的两个输入端来看，输入电压为。在完全对称的差分放大电路中，有共模信号输入时，由于两管的基极电位变化相同，两管的集电极电位变化也相同，因此输出电压为零，即对共模信号无放大作用，也就是说，完全对称的差分放大电路共模放大倍数,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,由前面的分析可知，共模输入信号电压相当于折合到输入端的等效漂移电压，即是使两管的集电极电流同时向同一个方向变化的信号(包括两个输入信号中含有共模分量或50Hz交流的共模干扰信号等)。因此电路抑制共模信号的能力就是抑制零漂的能力，电阻RE又称为共模反馈电阻。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,(2)差模输入,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,由于静态时，加上差模输入信号后，V1管的集电极电位减小和V2管的集电极电位增高在数值上是相同的，即。按照右图所标的正方向，输出电压：说明在电路中，由差模输入电压所产生的输出电压的变化量为每个管子集电极电位变化量的两倍。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,图3-25的电路称为双端输入、双端输出的典型差动放大电路。式(3-31)表明；双端输出的差动放大电路的差模电压放大倍数与单管基本放大电路的电压放大倍数相同。由式（3-31）可见，由于RE的作用：（1）能够抑制零漂和共模信号（2）对差模信号无影响（3）直接耦合放大器,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,若在图3-25的两管集电极间接负载电阻，则差模电压放大倍数为,由于电路完全对称，两个管子的集电极电位一增一减,且变化量相等，在处必然是信号的零电位点，所以式（3-32）中的。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,当加上差模输入信号时，从两个输入端看进去的等效电阻为差模输入电阻，用表示。则：,忽略的影响时：,电路的输出电阻：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,根据图3-25所标的正方向有：,联立解上列两式得：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,放大电路输出端的电压变化总量应为差模输出电压与共模输出电压的代数和，即,式（3-40）中的和分别为差模输出电压和共模输出电压。对于图3-25的电路，如果电路完全对称，又是在两个集电极端取输出信号,其共模放大倍数则这时电路只有差模信号输出。若电路不完全对称，则电路既有差模信号输出，又有共模信号输出。式（3-40）是放大电路输出电压和输入电压关系的一般表达式.,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,由上面的分析可以看出，和的大小和极性是任意时，根据和可以确定输出电压的大小和极性。这种输入方式又称为比较输入。比较放大器在测量和自动控制系统中应用广泛。,例3-6电路如图3-25所示。（1）若已知mV，mV，试求和。（2）若已知mV，mV，试求和。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,解（1）根据式（3-38）,根据式（3-39）有：,(2)根据式（3-36）和式（3-37）有：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,3共模抑制比,一个实际的差分放大电路，对差模信号和共模信号都有放大作用。我们希望有用的差模信号放大倍数较大，而共模信号放大倍数越小越好。为全面衡量差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引出了共模抑制比()，它定义为：放大电路差模放大倍数与共模放大倍数之比，即：,通常用对数表示为：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,，,图3-25所示电路是双端输入、双端输出的差分放大电路，当电路完全对称时，。完全对称的差分放大电路实际上是不存在的，所以不可能是无穷大。,考虑到式（3-41）后，式（3-40）可以写成,式（3-43）与式（3-40）一样，也是差分放大电路输出输入关系的一般表达式。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,二、差动放大电路的输入输出方式由于差动放大电路有两个输入端和两个输出端，就有四种不同的组合形式，分别为1双端输入、双端输出的差动电路前面讨论的图3-25的电路，是双端输入、双端输出的差动电路，在此不再重述。2单端输入、单端输出的差动电路单端输入、单端输出的差动电路如图3-29所示。图中受控电流源（恒流源）表示RE中的电流恒定不变，也可表示晶体管恒流源电路。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,由于是单端输入，,，,，,根据式（3-38）有：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,单端输出的只是一个管子集电极电位的变化量，它是双端输出的一半，所以图3-29电路的差模电压放大倍数为：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,当电路的输出端接上负载电阻后，则：,式中，,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,按图3-29所标出的正方向，输出电压取自管的集电极与“地”之间时，与是反相关系。若输出电压取自管的集电极与“地”之间时，则与是同相关系，即式（3-44）和式（3-45）中无负号,差模输入电阻：,输出电阻：,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,单端输入、单端输出的差分放大电路与单管放大电路比较，由于单端输入、单端输出的差分放大电路可接入较大阻值的共模反馈电阻或恒流源电路，所以它抑制零漂的能力比单管放大电路高得多。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,3.单端输入双端输出的差动电路单端输入、双端输出的差动电路如图所示。由于单端输入相当于差模输入，所以，电路的差模电压放大倍数Ad、差模输入电阻Rid、输出电阻Ro的表达式，都与双端输入、双端输出的差动电路相同。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,4双端输入、单端输出的差动电路双端输入、单端输出的差动电路如图3-31所示。电路的差模电压放大倍数Ad、差模输入电阻Rid、输出电阻Ro的表达式，都与单端输入、单端输出的差动电路相同。当然这种电路的输出电压Uo也可以由V2管的集电极取出。但是要注意，这时输出电压的极性与输入电压的极性相同。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,对于单端输出的电路，当输入共模信号时，电路的共模电压放大倍数不为零。这两个信号在两个三极管上所引起的两个发射极电流的增量，会同时同方向流经RE，可求得共模电压放大倍数为：,双端输入、单端输出的差动电路，能够将双端输入的信号转换为单端输出的信号，以便可以与后级放大电路处于共“地”状态。,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,第三章放大电路基础第四节差动放大电路,(3-31)、（3-34）、（3-35）求得：,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,前面几节讲述的电压放大电路，可以将输入的微弱电压信号放大，得到大的输出电压信号，但要驱动诸如扬声器、伺服电动机类的负载时，还必须有足够的功率。,实际应用的电子放大系统都是一个多级放大器，它的前置级是电压放大级，最后一级是功率放大级，它要有足够大的功率输出以带动负载工作。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。实际上，无论是用于放大电压的电压放大电路还是用于放大电流的电流放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，上述在称呼上的区别，只是强调的输出量不同。,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,一、功率放大电路的特点和要求,放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压放大倍数、输入电阻和输出电阻等，输出功率并不一定大。,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,而功率放大电路主要要求获得一定的不失真或失真较小的输出功率，因此要求它既要有足够大的输出电压变化量，又要有足够大的输出电流变化量，这样才能得到足够大的功率输出，即功率放大电路是在大信号情况下工作的。这样功率放大电路就存在着电压放大电路中没有出现过的特殊问题，同时对功率放大电路也提出了一些特殊要求。,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,1要有尽可能大的输出功率,从能量转换观点，功率放大电路是将直流电源供给的能量转换成交流电能输送给负载。由于输出功率较大，在能量转换过程中，电源供给的直流功率仅有一部分转换成交流输出功率，而另一部分则被晶体管集电结和直流电源本身所损耗，此外还有一小部分消耗在晶体管偏置电路的电阻上。所谓功率放大电路的效率是负载得到的有用信号功率和电源提供的直流功率的比值。这个比值越大，效率就越高。,2效率要高,为了输出最大功率，要求晶体管工作时输出电压和电流都有较大的幅度，即管子在接近极限运用状态下工作。,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,3非线性失真要小,功率放大电路是在大信号下工作的，输出电压和电流的幅值都很大，所以不可避免地会产生非线性失真，而且，输出功率越大，非线性失真越严重。这就使要求输出功率大和减小非线性失真成为一对主要矛盾。但在不同场合，对非线性失真的要求也不同，例如，在测量系统和电声设备中，要求非线性失真要小，而在工业控制系统的等场合，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求降为次要问题。,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,4晶体管的散热和保护,在功率放大电路中，晶体管的集电结要消耗很大的功率使结温升高，为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，必须考虑晶体管的散热问题。另外，由于管子承受的电压高，通过的电流大，所以还必须考虑晶体管的保护问题。通常在功率晶体管上加装一定面积的散热片和电流保护环节。,第三章放大电路基础第五节功率放大电路,根据晶体管静态工作点设置的不同，放大电路通常可有以下几种工作状态：,甲乙类：晶体管微偏置，在输入信号的大半个周期内有电流流过晶体管，其导通角大于180小于360。如图332b所示。,乙类：