差分放大器与多级放大器

1、第五章 差分放大器与多级放大器概述：本章首先介绍几种常用的电流源电路及其工作原理，然后对差分放大器和多级放大器电路进行重点分析，最后给出了模拟集成电路的读图、主要指标及使用方法。在给出差分放大器电路的组成及其工作原理并对其进行静态分析和动态分析的基础上，推导了电路的差模增益、共模增益、输入电阻、输出电阻以及共模抑制比等技术指标，并指出了差分放大器抑制零点漂移、转移特性等特点；对多级放大器的组成框图、分析方法、级间耦合方式进行介绍，并对多级放大器指标计算进行重点分析；最后通过模拟集成电路读图练习印证和回顾电流源、差分放大器和多级放大器的应用。5.1 电流源利用三极管BJT(或场效应管FET)及辅

2、助元器件可以构成电流源，电路输出电流稳定，在电子电路中尤其是在集成电路中，常用来为放大电路提供稳定的直流偏置，或作为放大器的有源负载，本节介绍几种常用的电流源。5.1.1镜像电流源如图5-1-1所示，设T1、T2 的参数完全相同，1=2 、ICEO1=ICEO2，三极管T1和T2基极和发射极分别相连，由于两管具有相同的发射结电压：VBE1=VBE2，所以IB1=IB2、IE1=IE2、IC1=IC2。RF为参考电阻，流过参考电阻RF的电流为： （5-1-1）IoVCCIREFIC1T2T1IC2图5-1-1 BJT构成的镜像电流源RREFRL2IB当三极管的值较大时，基极电流IB可以忽略，由于

3、两管T1、T2的对称性，所以T2的集电极电流近似等于参考电阻上的电流： （5-1-2）外接负载电阻RL时，有恒定的电流IO=IC2流过，输出电流IO不随RL变化而变化，当RREF确定后，IREF就确定了，随之IC2确定，IC2就像IREF的镜像，因此得名镜像电流源。例5-1-1 如图5-1-1所示的电路中，=100，管子完全对称，VCC=5V，如要求IO=1mA，（1）试比较参考电流IREF与输出电流IO；（2）确定电阻RREF的大小。解：（1）IREF与IO仅差0.02mA，近似相等。（2）由：得：上图电路是在三极管值足够大，IC>>IB的情况下得到的结果，输出电流IO近似等于参

4、考电阻的电流IREF，考虑到两个管子基极电流2IB对参考电流IREF的分流作用，为减小分流的影响，提出改进型镜像电流源电路如图5-1-2所示，增加一个三极管T3，该管子又称为扩流管，流过T3管的基极电流：流过参考电阻的电流为： （5-1-3）此时输出电流为： （5-1-4）与图-所示的镜像电流源相比对称精度大大提高。实际应用中，为避免T3工作电流太小，引起其的减小，使IB3增大，一般在T3的发射极上接一个电阻RE，为T3提供泄放电流IE3，以提高T3管实际的放大倍数。 IoRLREIBRREFT3VCCIREFIC1T2T1IC2图5.1.2 改进型镜像电流源2IB由FET组成的镜像电流源如图

5、5-1-3所示，两个FET完全相同，即µn、COX、VGS (th)完全相同，两个管子的源极、栅极分别相连， VGS1 = VGS2 。由于VD=VG，VS=0，所以VDS>VGS-VGS(th)，N-EMOSFET工作在饱和区。 考虑场效应管的漏极电流与栅源电压之间的关系，则有： （5-1-5）所以有：ID1=ID2 RLT2T1ID1ID2IREFRREFVDD图5-1-3 FET构成的镜像电流源又因为FET的栅极电流近似为零，所以有： （5-1-6）调整RREF的大小，即可改变输出电流的大小。输出电流的大小与负载电阻无关，改变负载电阻的大小，输出电流IO保持恒定。因IO=

6、IREF，IO就像IREF的镜像，所以又称为镜像电流源。5.1.2微电流源在集成电路中电阻不能做得太大，大电阻精度很难控制，且有些场合需要小电流作为直流偏置，因此需要微电流源的场合很多。与镜像电流源相比，微电流源在T2管的发射极串接一个电阻RE，微电流源电路如图5-1-4所示。当基准电流IREF一定时，忽略基极电流IB，由于两个管子的基极相连，则： 求解BE之间的电压得： 由上二式求得：由图5-1-4可得： （5-1-7）根据上二式求得： （5-1-8） 式（5-1-8）表明了基准电流IREF与输出电流I0之间的关系。由于一般硅材料三极管发射结导通电压为VBE=0.7V左右，两个管子发射结电压

7、之差VBE很小，用不大的RE就可以获得很小的电流，IREF=（VCC-VBE1）/RREF。当VCC、RREF选定时，电流IREF随之确定，VBE1、VBE2 为一定值时，IC2可以确定。当外接负载电阻RL时，就会有微小的输出电流IO通过，该电流不随负载RL而改变，仅与两个管子发射结电压之差VBE 和电阻RE有关。另外源电压的波动对该微电流源影响较小，同时由于T1对T2 的温度补偿作用，温度稳定性也比较好，因此微电流源在集成电路中有广泛应用。IORLVCCIREFIC1T2T1IC2图5-1-4 微电流源RREFRE由于电流源具有直流电阻小而交流电阻很大的特点，在模拟集成电路中广泛用作负载使用

8、，称为有源负载，如图5-1-5 所示，T3为放大管，Rb3为T3提供基极直流偏置，T1、T2组成镜像电流源，作为T3放大器的有源负载，T3管的集电极电流IC3=IC2 =IREF电流。T3及外围电路一起管组成共发射极放大器。VCCRb3Re3T3ViVOT1T2Rref图5-1-5电流源做有源负载5.1.3 比例电流源在实际应用中经常需要输出电流IO与参考电流IREF成特定比例的比例电流源，可以通过在两个管子的发射极串接不同阻值的电阻得到。比例电流源如图5-1-6所示。 IORLR1VCCIREFIC1T2T1IC2图5-1-6 比例电流源RREFR2 （5-1-8）由三极管伏安特性公式： (

9、5-1-9) 得: 将上式代入到公式5-1-8可得： （5-1-10）当三极管值足够大，IC>>IB的情况下，IE1IC1，IE2IC2，三极管T2的集电极电流即是电流源的输出电流IC2=IO。式5-1-10可改写如下： （5-1-11）若比值不是太大，且满足时，公式5-1-11可简化为： （5-1-12）其中： （5-1-13）可见改变两个电阻R1、R2的比值，就可以得到IO与IREF的不同比值关系，但为保证IO的精度，应控制IREF 与IO 的比值大小。例5-1-2 如图5-1-7所示，已知电路中各三极管、相同，求电流源输出和 与基准电流之间的关系式。RE1IC2IC1T1RE

10、VCCIREFICT2T图5-1-7 例5-1-2题图RREFRE2解： ，当较大时，可得到： 各三极管、相同，所以有： 因此：， 输出电流与基准电流成比例关系。5.2 差分放大器差分放大器具有抑制共模干扰、抑制温度漂移等作用，因其性能优良，在集成电路或分立元件放大电路中有广泛应用，本节介绍差分放大器的结构、原理、主要参数计算以及主要应用。5.2.1差分放大器模型差分放大器对两个输入信号的差模信号有较强放大作用，同时对两个信号的共模信号具有较强的抑制作用。如图5.2.1所示为一线性差分放大器，有两个输入端，分别输入信号和；一个输出端，其输出信号由差模输出信号和共模输出信号两部分组成。差模信号：

11、 （5-2-1）即两个输入信号的之差。共模信号： （5-2-2）即两个输入信号的算术平均值。两个任意输入信号可以用差模信号和共模信号表示如下： （5-2-3） （5-2-4）差模电压增益： （5-2-5） 共模电压增益： （5-2-6） 差分放大器总的电压输出为： （5-2-7）理想的差分放大器对差模信号放大能力很大，对共模信号的放大倍数为0（完全抑制）。所以理想差分放大器的输出 （5-2-8）Vi2Vi1线性差分放大器Vo图5-2-1 差分放大器模型框图例5-2-1 如图5-2-1所示，已知AVD=100，AVC=0.1，试计算（1）vi1=5mV ，vi2= -5mV；(2) vi1=10

12、05mV ，vi2= 995mV两种情况下的输出电压vo 。解：（1）差模输入信号： 共模输入信号：所以输出信号：（2）差模输入信号： 共模输入信号：所以输出信号：5.2.2差分放大器电路一、差分放大器的电路结构如图5.2.2所示，三级管T1、T2性能完全相同，电路参数也对称，Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，电路由Vcc、-VEE电源供电，T1、T2发射极相连通过电流源I0到VEE，电流源交流电阻rd很大，理想情况下为无穷大。有些差分放大器在T1、T2发射极通过电阻接负电源VEE，这种结构的差分放大器称为长尾式差分放大器，如图5-2-3所示。、分别经T1、T2的基极输入，输出电压、分别从 T1

13、、T2的集电极输出。如、分别经T1、T2的基极输入，则称为双端输入；如T1、T2的基极一个接地，另一个作为信号输入端，则称为单端输入；如输出信号从 T1、T2的集电极间输出，则称为双端输出，如输出信号从T1或T2 集电极输出，则称为单端输出，差分放大器共有4种输入/输出的组合应用方式：双端输入/双端输出、双端输入/单端输出、单端输入/双端输出以及单端输入/单端输出。-VEE层EVcc层Vo2Vo1rdI0-+-iC1Rb1Rb2Rc2Rc1+Vi1T2T1iC2图5-2-2 差分放大器RLVi2+-+ERERc2Rc1T2T1VCC vo1vo2 vi1vi2-VEE图5-2-3长尾式差分放大

14、器二、差分放大器工作原理（1）静态分析假设图5-2-2所示的差分放大器工作在双端输入/双端输出工作方式，其工作原理分析如下： 当Vi1=Vi2=0时，由于电路完全对称，Rc1=Rc2=Rc，Rb1=Rb2=Rb， VBE1=VBE2=0.7V，iC1=iC2=IC=I0/2，VCE1=VCE2=VCC-ICRC+0.7V，因此当输入电压时，输出电压。（2）动态分析当输入信号不为0，设在电路的两个输入端分别输入一大小相等、极性相反的输入电压信号时，T1管集电极电流增加，T2 管集电极电流减小，所以减小，增加，。5.2.3差分放大器的主要指标一、差分放大器的差模输入情况(1) 双端输入/双端输出工

15、作方式-RLRLib2ib1ib2rbe12Rb2-rbe11Rb1-+vo+ib1Rc2Rc1vi1vi2-+vo+Rb1Rb1Rc2Rc1Vi1Vi2图5-2-4交流等效电路图5-2-5小信号模型等效电路如图5-2-2所示，为分析方便假设放大器的共模输入信号为0，输入差模信号，T1管基极电流ib1和集电极电流iC1增加，T2管基极电流ib2和管集电极电流iC2减小，增加量等于减小量，不变，两个管子的发射极电压vE恒定，E点为交流地电位， 因T1管集电极电流iC1增加而减小， 因T2 管集电极电流iC2减小而增加，所以，差分放大器的交流等效电路如图5-2-4所示，交流小信号等效电路如图5-2

16、-5 所示。由图5-2-5可知：差模输入信号: (5-2-1) 双端输出信号: (5-2-2)所以： 差模增益: (5-2-3) 当T1、T2集电极间接负载电阻RL时，对T1管由于增加，减小；对T2管由于减小， 增加，增加量等于减小量，大小相等，方向相反，负载电阻RL的中点为交流地电位，差分放大器交流等效电路中每个单边的等效负载为RL/2，上式的Rc修正为RL，=RcRL/2。差模输入电阻： (5-2-4)当Rb>> rbe时，差模输入电阻： (5-2-5)差模输出电阻： (5-2-6)在差分放大器双端输入/双端输出工作方式下，如电路完全对称，差模增益与单管共射极放大器电压增益相同

17、，可见差分放大器用双倍的元器件换取对共模信号的抑制。(2) 双端输入/单端输出工作方式的主要指标若以或作为输出信号，则称为单端输出。若以作为输出信号此时为反相放大器，且为双端输出的一半，差模电压增益为： (5-2-7)若以作为输出信号，此时为同相放大器，且其大小为双端输出的一半，差模电压增益为： (5-2-8)双端输入/单端输出工作方式的差模电压增益为双端输出时的一半。单端输出差分放大器的差模输出电阻为： 差模输入电阻为： (5-2-9)当Rb>> rbe时，差模输入电阻为： (5-2-10)(3)单端输入工作方式的主要指标vbe1=vid/2-+vbe2=-vid/2-+erd-

18、Rb1Rb2Rc2Rc1+vi1=vidT2T1图5-2-6 单端输入差分放大器交流等效电路RL 差分放大器的一个输入端接地，另一个接输入信号，令，称为单端输入。电流源电阻rd很大，理想情况下为无穷大，e点近似悬空，由于T1、T2 处于导通状态，rbe1=rbe2，均分在两个三极管的基极和发射极之间，即，相当于一端加正输入信号，另一端加负输入信号，因此当rd=时，单端输入时电路的工作状态与双端输入时相同。单端输入情况下，差分放大电路在双端输出和单端输出时的差模增益，输入电阻，输出电阻与双端输入情况下相同。例5-2-2某差分放大器电路如图5-2-7所示，。假设晶体管的，试回答下列问题：a) 试求

19、电流的值。b) 试求输入阻抗的值。c) 试求电压增益解：，输入阻抗为：电压增益为：二、差分放大器的共模输入情况(1)双端输出工作方式的共模增益如图5-2-8所示：当两个输入端接入共模输入信号电压时，为研究方便设两个输入信号的差模为0，即，因T1、T2管电流同时增加或加少，有： （5-2-11）对每个管子而言相当于在射极接入一个电阻。其交流等效电路图如图5-2-9所示，如双端输出，因电路完全对称，输出电压同时增加或同时减少，所以双端输出时共模电压增益： （5-2-12） 即对共模信号的抑制能力无穷大。实际上，电路很难完全对称，即便这样差分放大器对共模信号的抑制能力也还是很强的。在共模输入情况下，

20、、相当于并联，因此共模输入电阻： (5-2-13)当不考虑Rb时，差模输入电阻为： （5-2-14）-+2rd2rdie2ie1i0=ie1+ie2-+verd-Rb1Rb2Rc2Rc1+vi1T2T1图5-2-8 差分放大器共模输入时射极电流RLvi2-+v0Rb1Rb2Rc2Rc1T2T1RLvi2vi1+-图5-2-9 差分放大器共模输入等效电路(2)单端输出工作方式由图5-2-8可知输入共模信号： （5-2-15）单端输出共模信号： （5-2-16） 所以单端输出时共模增益为： （5-2-17） 当(1+) 2rd>> rbe ， >> 1时 ，因此有： （5-

21、2-18）由上式可以看出，电流源恒流特性越好，rd越大，则AVC越小，共模抑制能力越强。共模输入电阻：在共模输入情况下，、相当于并联，因此有： （5-2-19）三、共模抑制比KCMR差分放大器的差模增益与共模增益的比值的绝对值称为共模抑制比，即。反应了差分放大器对共模信号的抑制能力，差模增益AVD越大，共模增益AVC越小，共模抑制能力越强，差分放大器的性能越好。如差分放大器电路完全对称，在双端输出时其共模增益AVC =0，则共模抑制比KCMR=。如单端输出，则： （5-2-20） 电流源的交流电阻rd越大，共模抑制能力就越强，差分放大器的性能越好，因此很多差分放大器采用电流源作为放大器发射极电

22、阻，利用其交流电阻很大的特性，以增加共模抑制能力。单端输出工作模式下，如差模信号远小于共模时应考虑共模抑制能力问题，此时： （5-2-21）因此在设计差分放大电路时，应使共模抑制比KCMR大于共模信号与差模信号的比值vic/vid。综上分析可知，差分放大器对差模信号具有放大作用，在双端输出的情况下放大倍数等于单管共射放大器的放大倍数，对共模信号具有抑制作用。因此：差分放大器用双倍器件换取对共模信号的抑制能力。差分放大器输入信号有两种输入方式，输出信号也有两种输出方式，各表现为不同的性能特点。现将其技术指标和主要用途归纳为表5-1所示，以便于比较和应用。 例5-2-3：干扰常以共模信号形式出现，

23、设共模干扰信号幅度vic=1mV，有用差模信号vid=1µV，KCMR=1000，AVD1=100，求：单端输出电压vo1。解：差模输出电压：共模输出电压：总输出电压： 从例题可以看出当共模抑制比KCMR与共模信号与差模信号的比值vic/vid相等，总输出电压中差模输出电压与共模输出电压相等，干扰信号幅度等于有用信号幅度，因此应加大共模抑制比，以减小输出共模信号。表5-1 差分放大器几种工作方式下的性能指标比较工作方式指标双端输入/双端输出双端输入/单端输出单端输入/双端输出单端输入/单端输出差模电压增益 共模电压增益共模抑制比差模输入电阻差模输出电阻共模输入电阻共模输出电阻主要用途

24、 1、 输入、输出信号不需要一端接地2、 常用于多级直接耦合放大器的输入级、中间级1、 将双端输入转换为单端输出2、 常用于多级直接耦合放大器的输入级、中间级1、 将单端输入转换为双端输出2常用于多级直接耦合放大器的输入级、中间级输入、输出信号需要一端接地例5-2-4：如图5-2-10所示，Rc1 =Rc2 =5k，Rb1=Rb2 =120k，=100，I0=2mA，Vcc=12V，VEE=-12V，rd=1M。试求：（1）静态工作点（Q点）； （2）AVD、AVD1、AVD2，差模输入电阻Rid以及在双端输出工作方式下的输出电阻Ro；（3）单端输出工作方式下的共模增益AVC，输入电阻Ric以

25、及输出电阻Roc；（4）单端输出工作方式下的共模抑制比KCMR。EVcc层Vo2Vo1rdI0-+-Rb1Rb2Rc2Rc1+Vi1T2T1图5-2-10 例5-2-4题图Vi2-VEE 层解：（1）当Vi1=Vi2=0时，电路工作于Q点VBE1=VBE2=0.7V，所以VE=-0.7VIC1=IC2=ICIE1=IE2= IE= I0/2=1mA，VCE1=VCE2=VCC-ICRC+0.7V=12V-1mA×5k+0.7V=7.7V，v0=VC1-VC2=0， rbe1= rbe1=200+(1+)（VT/IE）=200+(1+100)26mV/1mA2.8 K(2) 双端输出时

26、：差模增益： 单端输出时的差模增益： 差模输入电阻： 差模输出电阻：（3）单端输出时共模增益：共模输入电阻： 共模输出电阻为： (4) 共模抑制比为： 5.2.4 差分放大器的传输特性差分放大器输出差模信号随输入差模信号变化规律称为传输特性。ic1 、ic1=f(vid)，在三极管放大器中ic1ie1，而ie =IESexp(vBE/VT) ，可以得到差分放大器中集电极电流与输入差分信号之间的关系曲线如图5-2-11所示，当vi1 -vi2=vid=0时，ic1+ ic2=I0，ic1= ic2=I0/2，电路处于Q点，即归一化电流的0.5处；vid在-VT，VT范围内时，vid增加，ic1增

27、加，ic2减少，ic1、ic2与vid呈线性关系，两个管子工作在放大区，对应虚线的区域；当vid >4VT=100mV，曲线处于平坦区，一管电流接近饱和,另一管电流接近0，电路工作在非线性区，差分放大器具有较好的限幅特性。在三极管的发射极串接电阻RE可以增加放大器的线性范围，另外差模输入信号俄幅度受三极管B、E结反向电压的限制。QiC2iC1线性区0.80.50.10-6VT -4VT -2VT 6VT 4VT 2VT 图5-2-11 差分放大器的传输特性iC/I05.2.5 FET差分放大器一、 FET差分放大器电路由三极管组成的差分放大器电路对共模信号具有较强的抑制能力，但其差模输入

28、电阻很低。在高输入阻抗的模拟集成电路中常采用输入阻抗高、输入偏置电流很小的FET差分放大器作为输入级电路。电路与三极管差分放大器一样也有双端输入和单端输入两种信号输入方式，以及双端输出和单端输出两种信号输出方式，组合起来共有4种工作方式： 双端输入/双端输出、双端输入/单端输出、单端输入/双端输出和单端输入/单端输出工作方式。 图5-2-12所示，JFET场效应管组成差分放大器电路，T1、T2为差分对管，源极电阻RS用于抑制共模信号，为增加对共模信号的抑制能力，常利用电流源有源交流电阻很大的特性，作为差分放大器的源极电阻，Rd为漏极电阻。T1T2vo2vo1RLvi1vi2Rd5kRd5kRS

29、500K-VEE-20V+VDD20V图5-2-12 FET差分放大器二、 FET放大器电路主要指标图5-2-12所示FET场效应管差分放大器在差模信号输入情况下的交流小信号电路如图图5-2-13所示，增加，减小，增加量等于减小量，T1、T2管的源极为交流地电位，。d2gmvgs2RLg1-+vo+gmvgs1Rd2Rd1vgs1vi2图5-2-13差模信号下小信号等效电路sd1vi1g2vgs2（1）双端输入/双端输出时的差模指标：差模增益: （5-2-22) 当T1、T2漏极间接负载电阻RL时，对T1管由于增加，减小；对T2管由于减小， 增加，增加量等于减小量，大小相等，方向相反，负载电阻

30、RL的中点为交流地电位，差分放大器交流等效电路中每个单边的等效负载为RL/2，上式的Rd修正为RL，=Rc(RL/2)。差模输入电阻： (5-2-23)差模输出电阻： (5-2-24)在差分放大器双端输入/双端输出工作方式下，如电路完全对称，差模增益与单管共源（或共射）放大器电压增益相同，可见差分放大器用双倍的元器件换取对共模信号的抑制。(2) 双端输入/单端输出工作方式的主要指标若以或作为输出信号，则称为单端输出。若以作为输出信号，此时为反相放大器，且为双端输出的一半，差模电压增益为： (5-2-25)若以作为输出信号，此时为同相放大器，且其大小为双端输出的一半，差模电压增益为： (5-2-

31、26)双端输入/单端输出工作方式的差模电压增益为双端输出时的一半。单端输出差分放大器的差模输入电阻为： (5-2-27)差模输出电阻为： (5-2-28)(3)单端输入工作方式的主要指标 差分放大器的一个输入端接地，另一个接输入信号，令，称为单端输入。均分在两个FET的栅极和源极之间，即，相当于一端加正输入信号，另一端加负输入信号，因此当RS时，单端输入时电路的工作状态与双端输入时相同。单端输入情况下差分放大电路在双端输出和单端输出时的差模增益、输入电阻、输出电阻同双端输入情况下相应的参数。（4）共模信号输入的主要指标图5-2-12所示FET场效应管差分放大器电路在共模信号输入情况下的交流小信

32、号模型电路如图图5-2-14所示，和 同时增加或减小， T1、T2管的源极电阻RS折算到各自的源极回路，大小为2RS。双端输出时，如电路完全对称，输出电压同时增加或同时减少，所以双端输出时共模电压增益： （5-2-29） 即对共模信号的抑制能力无穷大。实际上，电路很难完全对称，即便这样差分放大器对共模信号的抑制能力也还是很强的。s22Rsgmvgs2RLg1-+vo+gmvgs1Rd2Rd1vgs1vi2图5-2-14共模信号下小信号模型等效电路s1d1d2vi1g2vgs22Rs单端输出时共模增益： (5-2-30)当>>1时，共模增益： (5-2-31)输出电阻分别与差模信号下

33、的输出电阻相同，输入电阻理论上为无穷大。实际上JFET场效应管差分放大器输入电阻在1012左右，输入偏置电流约100pA，而MOSFET场效应管差分放大器输入电阻可达1015，输入偏置电流约10pA以下。例5-2-5：电路如图5-2-12所示，JFET的gm=2mS，rds=，试求（1），（2）AVD1、AVC1、KCMR的值。vi1vi2Rd5kRd5kRS50k-VEE-20V+VDD20V图5-2-12 例5-2-5图解：（1）差模电压增益： （2） 单端输出时差模电压增益 共模电压增益 共模抑制比5.2.5 差分放大器的零点漂移零点漂移（零漂）：当放大器的输入对地短路时，输出端还有缓慢

34、变化的电压产生，输出电压偏离原来的起始点而上下波动的现象。零点漂移与温度相关性比较强，为表示由于温度变化引起的漂移，常把温度升高1时，输出漂移电压VO按放大电路的总增益AV折算到输入端，等效为输入漂移电压Vi =VO/AV ，作为温漂指标。集成电路常采用直接耦合的多级放大器结构，当第一级放大器的Q点由于温度变化稍有偏移时，第一级放大器的输出电压将会发生微小的变化，这种微小的电压变化将会逐级被放大，使放大电路输出端产生较大的漂移电压，当有用输出信号的幅度远大于漂移电压时，电路尚能工作，而当漂移电压可与有用输出信号电压幅度相比较时，就无法分辨漂移电压和有用信号电压；严重时，有用信号淹没在漂移电压中

35、，使放大电路无法正常工作。在集成电路中输入级常采用差分放大器，就是用以抑制零点漂移。在差分放大器电路中，无论温度变化还是电源电压的波动都会引起两个管子集电极电流以及集电极电压的相同变化，相当于在两个输入端加入共模信号，如果电路完全对称（两个管子以及电路两边电阻完全对称），如采用双端输出，可使输出电压保持不变，从而完全抑制零点漂移；如采用单端输出方式，由于管子发射极恒流源偏置特性，也能极大抑制放大器的零点漂移。实际上电路完全对称和理想恒流源很难做到，但差分放大器的零点漂移仍能抑制在104量级以上，所以差分放大器特别适合作为直接耦合多级放大器的输入级使用。5.3 多级放大器5.3.1 多级放大器的

36、一般结构一、多级放大器的结构在放大器的应用中，很多情况下单级放大器很难满足实际要求，常采用多级放大器对信号进行放大，多级放大器框图如图5-3-1所示。vonvovo2vo1vinvi2AV1+voo1_Ro1Ri1AV2AVnRL+voo2_Ro2Ri2+voon_RonRinvi图5-3-1多级放大器框图图5-3-1所示多级放大器由单级放大器组成，设各级的增益分别为：AV1、AV2、AVn；输入电阻：Ri1、Ri2、Rin；输出电阻：Ro1、Ro2、Ron；开路输出电压：voo1 、voo2 、voon。单级放大器等效模型如方框内所示，输出端等效为一个电压源，第i级放大器的输出电阻即是电压源

37、的内阻Roi，vooi为i级放大器输出端开路时的输出电压值，单级放大器的输入端等效为一个输入电阻Rii（放大器的输入电阻）。前后级放大器之间可以采用直接耦合方式、电容耦合方式、变压器耦合方式或光电耦合方式，将前级输出信号耦合至后级输入端。二、多级放大器的主要指标多级放大器中前级的输出开路电压是下一级的信号源电压，前级的输出电阻是后级的信号源内阻，下一级放大器的输入电阻作为前级放大器的负载。多级放大器的增益：AV总= vo/ vi=( von/ vin)( vo(n-1) / vi(n-1)···(vo2/ vi2)( vo1/ vi)=AV1·AV2&#

38、183;··AVn其中：von= vo、vin = vo(n-1)、vi(n-1)= vo(n-2)、vi2= vo1、vi = vi1。多级放大器的总增益等于各级放大器实际增益之积。各单级放大器在接入负载（后级放大器）之后实际增益小于输出端开路时的开路增益。多级放大器的输入电阻：多级放大器的输入电阻等于第一级放大器的输入电阻Ri =Ri1。多级放大器的输出电阻：多级放大器的输出电阻等于最后一级放大器的输出电阻Ro =Ron。5.3.2 多级放大器级间耦合方式 多级放大器前后级之间、信号源到放大器输入级之间以及放大器输出级至负载之间的信号传输方式叫做耦合，其作用是保证信号的

39、有效传输，有时也有阻抗匹配的作用。常用的耦合方式有：直接耦合方式、阻容耦合方式、变压器耦合方式以及光电耦合方式。一、 直接耦合方式直接耦合方式就是多级放大器的前后级之间直接连接，如图5-3-2所示。三极管T1、Rb1、Rb2和Rc1组成第一级放大器，为共发射极组态；三极管T2、Rb3和Rc2组成第二级放大器；两级放大器之间采用直接耦合方式。Rc2图5-3-2 直接耦合多级放大器T11T2+vs_Rb3VCC12VRe1500Rc1Rb2Rb1+vo_直接耦合方式多级放大器的特点：放大器中没有电抗元件，频率响应好，电路不仅能对交流信号进行放大，而且对直流或缓慢变化的信号也具有放大作用；电路结构简

40、单，便于集成。在集成电路中，多级放大器之间多采用直接耦合方式，但存在级间静态工作点相互牵制，且由于电平漂移使放大器零点产生漂移，导致调整比较麻烦等缺点。二、 阻容耦合方式多级放大器前后级之间通过电容传输信号的方式称为阻容耦合,如图5-3-3所示，三极管T1、Rb1、Rb2 、Rc1和Re1组成第一级放大器，三极管T2、Rb3和Rc2组成第二级放大器，两级放大器同为共发射极组态， C2为两级放大器之间的耦合电容，将第一级放大器的输出信号耦合至第二级放大器的输入端；C1和C3为分别为输入端和输出端耦合电容。特点：前后级之间通过电容连接，各级静态工作点相互独立、互不影响；电路设计调整简单，适合在分立

41、元件放大器中采用。但是阻容耦合方式多级放大器耦合电容不能传送直流信号，对缓慢变化的信号也呈现较大的阻抗，因此不适用于信号为直流信号和缓慢变化的信号。0=Rc22K图5-3-3 电容耦合多级放大器T11T2+vs_RS1KRL2KRb3570KVCC12VC3C1Re1500Rc15KRb240KRb1360KC2三、 变压器耦合方式通过变压器磁路耦合将前级放大器的信号传输至后级的信号传输方式称为变压器耦合方式，如图5-3-4所示，三极管T1、Rb1、Rb2 和Rc1组成第一级放大器，三极管T2 、Rb3、Rb4、Rc2和Re1组成第二级放大器，两级放大器同为共发射极组态， Tr为两级放大器之间

42、的耦合变压器，将第一级放大器的输出信号耦合至第二级放大器的输入端。图5-3-4 变压器耦合多级放大器+vs_VCC12VRc1TrRb4Rc2T11T2Rb3Re1500Rb2Rb1+vo_变压器耦合方式的特点：直流信号无法通过变压器耦合，各级静态工作点相互独立、互不影响；电路设计调整简单，适合在分立元件放大器中采用；变压器可以起到阻抗变换的作用，使前后级之间阻抗匹配，实现最佳功率传输。但是由于变压器存在激磁电感和漏磁电感，频带宽度比较窄，另外体积较大，比较笨重。另外，多级放大器之间也有采用光电耦合方式，由于以光为媒介实现前后级之间信号传输，前后级之间影响很小，隔离度很高， 但线性度不好解决。

43、5.3.3 多级放大器的分析计算多级放大器分析方法：首先确定各级的直流工作点，然后计算各级放大器的实际增益，将前级的输出开路电压作为下一级的信号源电压，前级的输出电阻作为下一级信号源内阻，后级的输入电阻作为前级的负载，将各级放大器的实际增益相乘得到多级放大器的总增益。最后对放大器的输入电阻、输出电阻进行分析计算。这里以图5-3-3所示的阻容耦合方式多级放大器为例，对其进行分析计算。一、直流分析图5-3-3的直流通路如图5-3-5所示，两级放大器之间由于是电容耦合，直流工作点相互独立，互不干扰，工作点比较稳定。第一级放大器为共发射极组态，Rb1、Rb2和Re1为T1提供直流偏置， Re1同时起到

44、稳定工作点的作用， Rc1将集电极变化电流转换成变化的电压；第二级放大器也为共发射极组态，Rb3为T2提基极偏置， Rc2将集电极变化电流转换成变化的电压。两级放大器的静态工作点（Q点）分析如下：VCC12VRc22KT11T2Rb3570KRe1500Rc15KRb240KRb1360K图5-3-5 电容耦合多级放大器直流等效电路第一级放大器Q点分析计算如下：（1=2=100） 第二级放大器Q点分析计算如下： 二、 交流分析图5-3-3的交流等效电路如图5-3-6所示，虚线的左侧为第一级放大器交流等效电路，虚线的右侧为第二级放大器交流等效电路，第二级放大器的输入电阻Ri2作为第一级放大器的负

45、载，总的增益分析计算如下： 第一级放大器增益： 第二级放大器增益： 放大器总增益： 放大器输入电阻等于第一级放大器输入电阻： 放大器输出电阻等于多级放大器最后级输出电阻： 如考虑信号源内阻，则放大器源电压总增益为：-+vo1Ri2+vs_-+ib2Rb2Rb1Re11Rb32RLib1ib22rbe12-rbe21+viib1Rc2Rc1RS1Kvo图5-3-6 电容耦合多级放大器交流等效电路5.4 模拟集成电路读图练习5.4.1模拟集成电路内部结构框图模拟集成电路种类很多，最常用的为集成运算放大器，所以本节主要介绍集成运放。集成运放的种类也很多，电路形式多样，功能繁多，以其电压增益高、输入电

46、阻大、输出电阻较小、结构相似为共性特点。图5-4-1所示为其内部结构框图。主要由四部分组成：输入级、中间级、输出级、偏置电路及辅助电路。输入级一般采用差分放大器，以提高整个电路的共模抑制比，放大有用的差模信号，衰减共模干扰信号，抑制温度漂移以及提高电路的其他性能，差分放大器可由三极管或场效应管构成。中间级主要完成整个电路的电压增益，一般由单级或多级放大器组成。输出级主要完成电路的带负载能力，输出电阻较低，一般由电压跟随器或互补对称放大器组成。偏置电路为各级放大器提供直流工作点，主要由电流源组成，辅助电路主要完成电平移动、过载保护以及频率补偿等功能。vidVO-+中间级电压放大器输出级电压放大器

47、输入级差分放大器偏置及辅助电路图5-4-1集成电路内部结构框图5.4.2 简单集成运放电路原理简单集成运放电路原理图如图5.4.2所示，输入级由T1、T2组成差分放大器，电路采用双端输入/单端输出工作方式，T3、T4和R3组成镜像电流源，为输入级差分放大器提供直流偏置。中间级由T5、T6组成复合管，工作在共发射极放大状态，使信号的幅度得到较大放大。输出级由T7、T8构成两级电压跟随器，电流源交流内阻作为T7电压跟随器的发射极电阻，以使放大器的直流电位下降，增加负载驱动能力，提高输出级的工作电流，当输入差模信号时，输出电压。VEE=-10VVCC=10V-+2mAT8R62.5KR52.2KR4

48、1.3KT7T6T5T4T3R25KRC215KR325KVORC115KT2T1Vi2Vi1图5-4-2 模拟集成电路内部电路示意图例4：如图5-4-2所示电路，已知各三极管=100，试对上述运算放大器进行直流分析和交流分析。解：直流分析当时， 所以有： 电流源电流：所以：交流分析 在计算电路总增益时按多级放大器增益计算方式进行，计算各级放大器的实际增益，将前级的输出开路电压作为下一级的信号源电压，前级的输出电阻作为下一级信号源内阻，后级的输入内阻作为前级的负载，将各级放大器的实际增益相乘得到多级放大器的总增益。设AVD、AV2、AV3为各级放大器的实际增益，AVDo、AV2o、AV3o为各

49、级放大器的空载增益，和为输入级和中间级放大器的实际输出电压，则电路总增益为：输入级的空载增益：考虑后级放大器的输入内阻的影响，则实际增益为： 中间级空载时的电压增益：由于T7使用电流源的内阻作为发射极电阻，理论上理想电流源交流电阻无穷大，因此：，其中rd为电流源的内阻。所以：输出级由两级电压跟随器组成，电压增益约为1，即：所以电路总增益为：输入电阻：输出电阻： 5.4.3通用型模拟集成电路读图练习本节介绍一种通用型集成运算放大器LM741，通过分析其电路组成，掌握简单模拟集成电路的读图方法。该集成运算放大器由24个三极管、10个电阻和1个电容组成，为降低功耗以限制温度升高，各级放大器的静态电流应较小，故采用微电流源电路作为直流偏置。如图5-4-3所示。偏置电路：由构成主偏置电路，决定偏置电路的基准电流。主偏置电