多级放大电路.ppt

第三章多级放大电路,模拟电子技术基础,第三章多级放大电路,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,耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合。,3.1多级放大电路的耦合方式,耦合：即信号的传送。,典型电路,对耦合电路要求：,静态：保证各级Q点设置,阻容耦合电路的频率特性：,耦合电容造成,三极管结电容造成,一、直接耦合,将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合。1、直接耦合放大电路静态工作点的设置从图中看出，第二级省去了基极电阻，RC1既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻。静态时，T1管的管压降UCEQ1等于T2管的UBEQ2。T1管的工作点太低，容易饱和。,为提高T1管的工作点，在T2管的发射极加电阻Re2，如图所示。但这会使第二级的电压放大倍数大大降低。,为了不降低放大倍数，可以用二极管或者稳压二极管来代替电阻Re2，如图所示：,为使各管均工作在放大区，必须使后一级的集电极电压高于前一级的集电极电压，级数一多，后边的管子静态工作点肯定不合适。为此，直接耦合放大电路常常把NPN管和PNP管混合使用。如图所示：,2、直接耦合方式的优缺点优点：电路简单低频特性好，可用作直流放大无大电容，易于集成缺点：静态工作点互相影响零点漂移大,二、阻容耦合,将放大电路的前一级的输出端通过电容接到后一级的输入端，称为阻容耦合。一个阻容耦合的二级放大器电路如下图。第一级为共射放大电路，第二级为射极输出器。,1、优点：静态工作点相互独立；频率较高、耦合电容较大时，前级的信号几乎无衰减的传到后一级。2、缺点：低频特性差；集成困难。,三、变压器耦合,将放大电路的前一级的输出端通过变压器接到后一级的输入端或者负载上，称为变压器耦合。一个变压器耦合的放大电路如图所示。右图为其交流等效电路图。,变压器耦合放大电路的缺点是低频性能差；笨重，不能集成。变压器耦合放大电路的优点是静态工作点独立；另一个最大的优点是可以实现阻抗变换。,变压器耦合的阻抗变换作用，用下图说明：根据变压器原理：,只要改变变压器的变比，就可以得到不同的等效电阻。对于图示电路，电压放大倍数为：,四、光电耦合,光电耦合以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递就称为光电耦合。1、光电耦合器光电耦合器是实现光电耦合器的基本器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如图所示，图中还画出了它的传输特性曲线。,发光元件为输入回路，把电能转换成光能；光敏元件为输出回路，把光能转换成电能。传输特性曲线描述的函数关系为：其中：iC光电三极管的集电极电流，Id为发光二极管的电流。定义：叫作传输比，其值为0.11.5。,2、光电耦合放大电路电路如图。动态信号为零时，有静态电流IDQ和ICQ，静态管压降UCEQ。有动态信号时，iD变化，iC相应变化，RC将其变成电压变化。若输入输出回路使用独立的电源，且不共地，则具有很强的抗干扰能力。,一个n级放大电路的交流等效电路可以用下面的方框图来表示：由图可见，前一级的输出电压就是后一级的输入电压；后一级的输入电阻就是前一级的负载。,3.2多级放大电路的动态分析,3.2多级放大电路的动态分析,多级放大电路的电压放大倍数为：,关键:考虑级间影响。,1.静态:Q点同单级,2.动态性能:,方法:,Ri2=RL1,考虑级间影响,1,微变等效电路:,1.Ri=R1/rbe1+（+1)RL1,其中:RL1=RE1/Ri2=RE1/R2/R3/rbe2=RE1/RL1=RE1/Ri2,2.Ro=RC2,3.中频电压放大倍数:,其中：,例题、电路如图所示。已知R1=15K，R2=R3=5K，R4=2.3K，R5=100K，R6=RL=5K，VCC=12V；晶体管的均为50，UBEQ=0.7V，rbe1=1.2K，rbe2=1K。试估算电路的Q点、电压放大倍数、输入和输出电阻。,解：求解Q点：阻容耦合电路的静态工作点独立，分别求。第一级为分压式稳定电路：,第二级为射随器：,求解电压放大倍数、输入和输出电阻，为此先画出交流等效电路：,根据等效电路计算交流参数：,3.3直接耦合放大电路,工业控制中，有很多非电量，例如温度、流量、压力、液位，长度等等，用不同的传感器把它们转化成电量，均为微弱的、变化缓慢的非周期性信号，只能用直流放大器放大，最方便的就是直接耦合放大器。,3.3直接耦合放大电路,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象二、差分放大电路三、直接耦合互补输出级四、直接耦合多级放大电路,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象,1、零点漂移现象及其产生的原因在直接耦合放大电路中，输入端短路，输入信号为零时，输出电压不为零且缓慢变化的现象称为零点漂移现象。如图所示：,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象,在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连，前一级的漂移会逐级放大，使放大电路不能正常工作。由温度变化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，零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象,2、抑制温度漂移的方法零点漂移就是Q点的漂移。在电路中引入直流负反馈，例如分压式工作点稳定电路中的Re。,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象,采用温度补偿的方法，利用热敏元件抵消放大管的变化。例如：该图是固定偏置电路，用二极管的反向特性进行温度补偿；温度升高时，发生如下变化：,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象,该图是分压式工作点稳定电路，用二极管的正向特性进行温度补偿。温度升高时，发生如下变化：,一、直接耦合放大电路的零点漂移现象,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”，这是一种特殊的温度补偿方法。,二、差分放大电路,1、射极耦合式差分放大电路2、差分放大电路的四种接法3、改进型差分放大电路,1、射极耦合式差分放大电路,电路组成晶体管T1和T2组成对称电路，所谓对称：两个晶体管的参数完全相同，即1=2，rbe1=rbe2，UBE1=UBE2电路参数也对称，即RC1=RC2，Rb1=Rb2,1、射极耦合式差分放大电路,电路中有二个电源：+VCC和-VEE，信号从两个管子的基极输入，从两个管子的集电极输出，两个管子通过公共的发射极电阻耦合，因此叫射极耦合式差分放大电路。,1、射极耦合式差分放大电路,工作原理当uI1=uI2=0时，uo=0,当uI1=-uI2时，称为差模信号，uo0,因此，差分放大电路又叫差动放大电路，意思是只有当两个输入端之间有差别时，输出电压才有变动。,1、射极耦合式差分放大电路,当uI1=uI2时，称为共模信号，uo=0，温漂就相当于共模信号，因此，差分放大电路对温漂有很强的抑制作用。,1、射极耦合式差分放大电路,静态工作点的分析当uI1=uI2=0时，电路如图：,1、射极耦合式差分放大电路,1、射极耦合式差分放大电路,对差模信号的放大作用差模时，E点电位不变，相当于接地；负载的中点电位也不变，相当于接地。由此画出交流等效电路：,1、射极耦合式差分放大电路,计算其交流性能如下：可见，用二只晶体管组成的双端输入双端输出的差分放大电路，其放大倍数与单管相同，实际上是通过牺牲一个管子的放大倍数换取低温漂的效果。,1、射极耦合式差分放大电路,对共模信号的抑制作用电路参数的对称型起了相互补偿的作用，抑制了温漂；射极电阻对共模信号的负反馈作用，抑制了集电极电流的变化。,1、射极耦合式差分放大电路,当共模电压为正时，电压、电流的变化如下：,1、射极耦合式差分放大电路,可见，射极电阻越大，负反馈作用越强，抑制温漂越明显，好象拖了一个长长的尾巴，因此，射极耦合式差分放大电路又叫长尾式差分放大电路。共模放大倍数定义为：在电路参数理想对称的情况下，AC=0。,1、射极耦合式差分放大电路,为了综合考察差分放大电路对差模信号的放大作用和对共模信号的抑制作用，特引入共模抑制比，其定义为：通常，KCMR用分贝（dB）来表示：,1、射极耦合式差分放大电路,电压传输特性放大电路输出电压与输入电压的关系曲线称为电压传输特性，即：uO=f(uI)差模电压输入的电压传输特性如图所示：可见，只有中间一段才是线形的。,2、差分放大电路的四种接法,差分放大电路有二个输入端，二个输出端，根据输入输出接地情况不同，共有四种连接方式：双端输入、双端输出；双端输入、单端输出；单端输入、双端输出；单端输入、单端输出。,2、差分放大电路的四种接法,双端输入单端输出电路单端输入双端输出电路单端输入单端输出电路四种接法的比较,2、差分放大电路的四种接法,双端输入单端输出电路电路结构，双端输入单端输出电路如图所示：,2、差分放大电路的四种接法,静态工作点的计算先画出直流通路，再计算。,2、差分放大电路的四种接法,2、差分放大电路的四种接法,交流性能计算先画出交流等效电路，再计算。,2、差分放大电路的四种接法,如果输入差模信号极性不变，而输出信号取自T2管的集电极，则输出与输入同相。,2、差分放大电路的四种接法,共模抑制比计算，共模信号电路和交流等效电路图如下：,2、差分放大电路的四种接法,可见，Re越大，KCMR越大。,2、差分放大电路的四种接法,单端输入双端输出电路单端输入双端输出的差分放大电路如图所示。为了分析方便，我们把输入信号分解成二个，如图所示。,2、差分放大电路的四种接法,我们可以用叠加定理分别计算双端输入双端输出电路在差模和共模情况下的响应，然后相加得出结果：若电路参数理想对称，则AC=0，因此：,2、差分放大电路的四种接法,计算输入电阻时，应考虑T2的影响，部分交流等效电路如图所示：,2、差分放大电路的四种接法,单端输入单端输出电路单端输入单端输出的差分放大电路如图所示：,2、差分放大电路的四种接法,把它与单端输入双端输出电路相比，得：把它与双端输入单端输出电路相比，得：,2、差分放大电路的四种接法,四种接法的比较双入双出双入单出单入双出单入单出,2、差分放大电路的四种接法,差模放大倍数：双端输出时与单管时一样，单端输出时是单管的一半。输入电阻：四种组态一样。输出电阻：双端输出时为2RC，单端输出时为RC。共模放大倍数：双端输出时为0，单端输出时为,3、改进型差分放大电路,在长尾式差分放大电路中，利用发射极电阻Re提高共模抑制比，Re越大，效果越好。但是，Re的增大将受到限制：由于Re上的压降约等于电源电压VEE，Re增大，必然要提高电源电压，不经济；若Re增大时，VEE不变，则静态电流减小，使值下降；大电阻不易集成。,3、改进型差分放大电路,因此，常常用电流源代替Re，如图所示：R1、R2、R3和T3，组成工作点稳定电路，电路满足I2IB3，这时：,3、改进型差分放大电路,为了求出恒流源的动态电阻，先画出交流等效电路图：,3、改进型差分放大电路,3、改进型差分放大电路,若=80，rce=100K，rbe=1K，R1=R2=6K，R3=5K，则rO3=4.5M，可见动态电阻很大，而直流压降为（UCEQ3+R3IC3），并不大，只要几伏即可工作，充分显示了恒流源的优越性。T3的直流工作点的计算就是分压式偏置工作点稳定电路的计算方法。而IC3=IE1+IE2IC1+IC2,3、改进型差分放大电路,恒流源电路可以用恒流源符号来代替，只要标出电流就可以了，如图所示。,3、改进型差分放大电路,差分放大电路也可以用场效应管组成，可获得很高的输入电阻，如图所示。,二、差分放大电路,例1、电路如图。已知Rb=1K，RC=10K，RL=5.1K，VCC=12V，VEE=6V；晶体管的=100，rbe=2K。,二、差分放大电路,为使T1管和T2管的发射极静态电流均为0.5mA，Re的取值应为多少？T1管和T2管的管压降等于多少？计算交流参数。若电路改成单端输出，用直流表测得输出电压uO=3V，问输入电压约为多少？设IEQ=0.5mA，共模输出电压可忽略不计。,二、差分放大电路,解：这是一个双端输入双端输出的差分放大电路。求Re的值和UCEQ,二、差分放大电路,计算动态参数,二、差分放大电路,若单边输出，则：,二、差分放大电路,而直流电压表测出的电压是直流量与交流量的和，减去直流量后就是交流量：,二、差分放大电路,例2、在上例中，若Re改成T3组成的恒流源，T3与T1、T2完全相同，试确定R1、R2、和R3的值。要求阻值在30K以下，Uce33V。解：,二、差分放大电路,取UE3=-5V为使工作点稳定，应使流过R1的电流IIB3,二、差分放大电路,我们取R1+R2=30K，这时：取R1=10K，则R2=30-10=20K。,二、差分放大电路,该电路的Q点、交流性能与上例相同。若设T3的rce3=100K，输出为单边输出，则：Ad不变，Ad=-57提高了约820倍。,三、直接耦合互补输出级,放大电路的输出级为了提高带负载能力，一般都采用射随器。1、直接耦合射随器存在的问题直接耦合射随器电路如图：存在的问题：输入为零时，输出不为零；加负载后静态工作点变化。,三、直接耦合互补输出级,解决办法：使用正负电源，如图所示：存在的问题：正负跟随范围不一样。正向跟随范围为VCC-UCES，负向跟随范围为：,三、直接耦合互补输出级,2、双向跟随的互补输出级解决正负跟随范围不一样的办法是加一个负向跟随器，用一个PNP管代替上述射随器的Re，组成双向跟随器，如图所示：但存在交越失真。如图所示：,三、直接耦合互补输出级,3、消除交越失真的互补输出级消除交越失真的办法是提高工作点，使二只管子在静态时工作于临界导通状态。如图所示。使Ub1、b2=UD1+UD2。,三、直接耦合互补输出级,在集