青岛科技大学数电陈爽版第3章多极放大电路

1、模 拟 电 子 技 术内容简介本章介绍本章介绍:1.多级放大电路的耦合方式及分析方法；多级放大电路的耦合方式及分析方法；2.直接耦合多级放大电路的组成及分析；直接耦合多级放大电路的组成及分析；3.零点漂移的基本概念；零点漂移的基本概念；4.差分放大电路的分析计算；差分放大电路的分析计算；5.互补输出级电路。互补输出级电路。模 拟 电 子 技 术 为什么要多级放大？为什么要多级放大？ 由一个晶体管组成由一个晶体管组成基本放大电路基本放大电路的电压放大倍数一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

2、够的。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，把多个基本放大电为了获得更高的电压放大倍数，把多个基本放大电路连接起来，组成路连接起来，组成“多级放大电路多级放大电路”。 其中每一个基本放大电路叫做其中每一个基本放大电路叫做一一“级级”，而级与级，而级与级之间的连接方式则叫做之间的连接方式则叫做“耦合方式耦合方式”。第第 3 章章多级放大电路多级放大电路模 拟 电 子 技 术3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式3.1.13.1.1直接耦合直接耦合一、直接耦合放大电路静态工作点的设置一、直接耦合放大电路静态工作点的设置存在两个问题：存在两个问题：1

3、）第一级的静态工作）第一级的静态工作点已接近饱和区。点已接近饱和区。2）由于采用同种类型的管）由于采用同种类型的管子，级数不能太多。子，级数不能太多。UCEQ1UBEQ2模 拟 电 子 技 术为了解决第一个问题：为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。可以采用如下的办法。（b）RRb1C1uiuoTT12e2RRC2加入电阻加入电阻Re2模 拟 电 子 技 术RRB1C1R C2uiuoTT12RUz z+VDz zCC在在T2的发射极的发射极加入稳压管加入稳压管模 拟 电 子 技 术RRB1C1R E2uiuoTT12RC2VCC+为了解决第二个问题：可以在电路中为了解决第二个问题：可以在电

4、路中采用不同类型采用不同类型的管子的管子，即，即NPN和和PNP管配合管配合使用，如下图所示使用，如下图所示。利用利用NPN型管和型管和PNP型管进行电平移动型管进行电平移动模 拟 电 子 技 术（1）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。由由于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。号和直流信号。（2）便于集成。）便于集成。由于电路中只有晶体管和电阻，没有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。电容器和电感器，因此便于集成。缺点：缺点：优点优点：（1）各级的静态工作点

5、不独立，相互影响）各级的静态工作点不独立，相互影响。会给设计、。会给设计、计算和调试带来不便。计算和调试带来不便。（2）引入了零点漂移问题）引入了零点漂移问题。零点漂移对直接耦合放大。零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重。电路的影响比较严重。二、直接耦合放大电路的优缺点二、直接耦合放大电路的优缺点模 拟 电 子 技 术3.1.2 3.1.2 阻容耦合阻容耦合图图3.1.2 两级阻容耦合放大电路两级阻容耦合放大电路一、电路图一、电路图模 拟 电 子 技 术1）各级的直流工作点相互独立各级的直流工作点相互独立。由于电容器。由于电容器对直流对直流 量的电抗为无穷大，量的电抗为无穷大，因而隔直流而

6、通交流，所以它因而隔直流而通交流，所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的。们的直流通路相互隔离、相互独立的。 2）在传输过程中，交流信号损失少。在传输过程中，交流信号损失少。只要只要输入信号频率输入信号频率较高，耦合电容容量较大较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号就可以几，前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，实现逐级放大。乎没有衰减地传递到后级的输入端，实现逐级放大。优点：优点：3）电路的温漂小。）电路的温漂小。二、阻容耦合电路的优缺点：二、阻容耦合电路的优缺点：缺点：缺点：1）低频特性差；）低频特性差；不能放大变化缓慢的信号。不能放大变化缓慢的信号。2）无法集成；）无法集

7、成；在集成电路中制造大容量电容很困难。在集成电路中制造大容量电容很困难。模 拟 电 子 技 术3.1.3 变压器耦合变压器耦合一、电路图一、电路图图图3.1.3 变压器耦合共射放大电路变压器耦合共射放大电路变压器变压器通过磁路的耦合把通过磁路的耦合把一次侧的交流信号一次侧的交流信号传送到传送到二次侧二次侧。为什么要讲变压器耦合？为什么要讲变压器耦合？因为变压器在传送交流信号的因为变压器在传送交流信号的同时，可以实现同时，可以实现电流、电压以及阻抗电流、电压以及阻抗变换。变换。beLurRA 模 拟 电 子 技 术二、电路特点：二、电路特点：1.用于阻抗变换用于阻抗变换图图3.1.4 变压器耦合

8、的阻抗变换变压器耦合的阻抗变换U1U2阻抗比等于圈数比的平方阻抗比等于圈数比的平方LLLLLRNNRIIRRIRIPPNNIINNUU22121222212112212121 LP150页页书中漏掉书中漏掉模 拟 电 子 技 术变压器耦合的电压放大倍数变压器耦合的电压放大倍数beLurRA （3.1.2）2. 用于选频放大电路用于选频放大电路晶体管收音机的晶体管收音机的中频放大级中频放大级只对只对465KHz的信号有放大作用的信号有放大作用LLRNNR221 其中其中模 拟 电 子 技 术三、变压器耦合电路的优缺点三、变压器耦合电路的优缺点1. 由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容

9、耦由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样，它的各级放大电路的合电路一样，它的各级放大电路的静态工作点相互独立静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试便于分析、设计和调试。2. 可以实现阻抗变换可以实现阻抗变换。3. 可以组成可以组成LC谐振电路，用于选频放大。谐振电路，用于选频放大。4. 低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。5. 非常笨重，不能集成化。非常笨重，不能集成化。模 拟 电 子 技 术3.1.4 3.1.4 光电耦合光电耦合 光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因

10、其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。一、光电耦合器一、光电耦合器 光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，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（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。在一起。发光元件为输入回路发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；，它将电能转换成光能；光敏光敏元件为输出回路，元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。在路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。在

11、输出回路常输出回路常采采用复合管（也称达林顿结构）用复合管（也称达林顿结构）形式以增大放大倍数。形式以增大放大倍数。模 拟 电 子 技 术DICEC)u(fi =（3.1.3）光电耦合器的传输比光电耦合器的传输比 当管压降当管压降UCE为定值（足够大）为定值（足够大）时，时，iC的变化量与的变化量与iD的变化量之的变化量之比称为传输比比称为传输比CTR，即：，即：CEUDCiiCTR (3.1.4)光电耦合器及其传输特性光电耦合器及其传输特性CTR值在值在0.11.5之间之间模 拟 电 子 技 术二、光电耦合放大电路二、光电耦合放大电路图图3.1.6 光电耦合放大电路光电耦合放大电路图图3.1

12、.6 光电耦合放大电路光电耦合放大电路隔离电压可达隔离电压可达到到2000V模 拟 电 子 技 术3.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析一、多级放大电路的放大倍数一、多级放大电路的放大倍数 Au1. 单级放大电路的方框图和放大倍数单级放大电路的方框图和放大倍数iouuUUARiRo模 拟 电 子 技 术321332211231211uuuioioioooooioiouAAAUUUUUUUUUUUUUUA 2. 多级放大电路的方框图和电压放大倍数多级放大电路的方框图和电压放大倍数Ui1=Ui ; Ui2=Uo1 ; Ui3=Uo2 ; Uo=Uo3考虑级与级之间的相互影响，计算各级

13、电压放大考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理后级的输入电阻作为前级的负载处理!模 拟 电 子 技 术（2）输入和输出电阻的计算）输入和输出电阻的计算多级放大电路的多级放大电路的输入电阻输入电阻为第一级放大电路的输入电阻。为第一级放大电路的输入电阻。多级放大电路的多级放大电路的输出电阻输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻。为最后一级放大电路的输出电阻。Ri=Ri1Ro=Ron模 拟 电 子 技 术【例3.2.1】15k5k5k2.3k100k5k5k如图所示的两级电压放大电路，如图所示的两级电压放大电路，已知已知1= 2 =50，rb

14、e1=1.2k, rbe1=1k图图3.1.2 两级阻容两级阻容耦合放大电路耦合放大电路模 拟 电 子 技 术15k5k5k2.3k100k5k5k解：求解：求Q点点VRRIVUEQCCCEQ7 . 4)3 . 25(112)(4311 VVRRRURRR3121555/1CC211BEQ1214 ）（ mARUUI13 . 27 . 034BEQ1BQ1EQ1 mAII02. 05011CQBQ1 模 拟 电 子 技 术15k5k5k2.3k100k5k5kARRUVI 325511007 . 012)1(625BEQ2CCBQ2 mAII6 . 132)501()1(BQ22EQ2 VRI

15、VUEQCCCEQ456 . 112622 模 拟 电 子 技 术图3.2.2 图3.2.1 所示电路的交流等效电路Ro图图3.2.2 图图3.2.1 所示电路的交流等效电路所示电路的交流等效电路 KRRrRRLbe56)/)(1(/6225i2 12311111)/(beibeLurRRrRA 1912 . 156556550 992. 0)/)(1()/)(1()1()1(62262222222 LbeLLbeLuRRrRRRrRA 模 拟 电 子 技 术-1模 拟 电 子 技 术3.3 3.3 直接耦合放大电路直接耦合放大电路工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温工业控制中的很多物理量均

16、为模拟量，如温度、流量、压力、液面、长度等等，它们通过各度、流量、压力、液面、长度等等，它们通过各种不同传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非种不同传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非周期性信号，而且比较微弱，这类信号只有通过周期性信号，而且比较微弱，这类信号只有通过放大才能驱动负载；由于信号变化缓慢；所以采放大才能驱动负载；由于信号变化缓慢；所以采用直接耦合放大电路将其放大最为方便。用直接耦合放大电路将其放大最为方便。模 拟 电 子 技 术图图3.3.1 零点漂移现象零点漂移现象3.3.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象直接耦合放大电路的零点漂移现象一、零点漂移现象及其发生的原因一、零点漂移现

17、象及其发生的原因在直接耦合放大电路中，即使将输入端短路，用灵敏的在直接耦合放大电路中，即使将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压，如图直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压，如图331所示。这种所示。这种输入电压输入电压(uI)为零而输出电压为零而输出电压(uO)不为零不为零且缓慢变化的现象且缓慢变化的现象，称为，称为零点漂移现象零点漂移现象。1.何谓零点漂移？何谓零点漂移？模 拟 电 子 技 术2. 零点漂移发生的原因零点漂移发生的原因 在放大电路中，任何参数的变化，如在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压电源电压的的波动波动、元件的元件的老化老化、半导体、半

18、导体元件参数随温度变化元件参数随温度变化而产生的变化，而产生的变化，都将产生都将产生输出电压的漂移输出电压的漂移。 在直接耦合放大电路中，由于在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连前后级直接相连，前一，前一级的级的漂移漂移电压会和有用信号一起被电压会和有用信号一起被送到下一级送到下一级，而且逐级，而且逐级放大，以至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什放大，以至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什么是漂移电压，放大电路不能正常工作。么是漂移电压，放大电路不能正常工作。 由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零由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

19、也称零点漂移为点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移温度漂移，简称简称温漂温漂。模 拟 电 子 技 术 从某种意义上讲，零点漂移就是从某种意义上讲，零点漂移就是Q点的漂移。因此，在点的漂移。因此，在第二章第二章24节中所讲到的稳定静态工作点的方法，也是抑制节中所讲到的稳定静态工作点的方法，也是抑制温度漂移的方法。抑制温度漂移的方法归纳如下：温度漂移的方法。抑制温度漂移的方法归纳如下：二、抑制温漂的方法二、抑制温漂的方法TIC(IE)UE(UB不变不变)UBEIB IC缺点：缺点：Re 造成造成 Au 下降下降1在电路中引入直流负反在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点馈，例如典

20、型的静态工作点稳定电路中稳定电路中Re所起的作用。所起的作用。模 拟 电 子 技 术 2采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化。例如图化。例如图245所示电路中的二极管。所示电路中的二极管。温度补偿的原理：温度补偿的原理： ICQ IDIBQICQ缺点：缺点：开环电路，开环电路， 很难精确补偿很难精确补偿 IDT模 拟 电 子 技 术 3采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成构成“差分放大电路差分放大电路”。这个方法也可归结为温度。这个方法也可归结为温度补偿。补偿。模 拟 电 子 技

21、术3.3.2 3.3.2 差分放大电路差分放大电路一、电路的组成一、电路的组成 特点：特点： a.两只完全相同的管子；两只完全相同的管子； b.两个输入端，两个输入端， 两个输出端；两个输出端； c.元件参数对称；元件参数对称；共模信号：共模信号：Ui1=Ui2差模信号：差模信号：Ui1=-Ui2模 拟 电 子 技 术为使电源与信号源为使电源与信号源“共地共地”长尾式差分放大电路长尾式差分放大电路模 拟 电 子 技 术二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路1. 静态分析静态分析静态：静态：uI = 0模 拟 电 子 技 术差放电路差放电路Q点计算：点计算：模 拟 电 子 技 术因为因为U

22、BQ 0 所以所以 UEQ = UBQ UBEQ = -UBEQ模 拟 电 子 技 术2. 对共模信号的抑制作用对共模信号的抑制作用21BBii ICIIuuu 21CCii CCCcCcCCCOCRiiRiVccRiVccuuu21221121 = 021CCuu 返回返回uI2图图3.3.4 差分放大电路输入共模信号差分放大电路输入共模信号模 拟 电 子 技 术差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用ICIIuuu 110 Ocu Re的作用：的作用：当当直流负反馈使直流负反馈使Q点得到稳定，共模信号进一步被抑制点得到稳定，共模信号进一步被抑制模 拟 电

23、 子 技 术共模放大倍数共模放大倍数Ac理想情况下，双端输出差放电路理想情况下，双端输出差放电路共模放大倍数为零共模放大倍数为零。= 0模 拟 电 子 技 术3. 对差模信号的放大作用对差模信号的放大作用 IdIuu电路平衡电路平衡 BBii IdIuu模 拟 电 子 技 术差模放大倍数差模放大倍数AdIdOdduuA （3.3.6） bebBIIIdrRiuuu 221)Ri()Ri(RiuuuLBLBLBCCOd bebLIdOddrRRuuA （3.3.7）( (Differential) )模 拟 电 子 技 术 由此可见，虽然差分放大电路使用了两由此可见，虽然差分放大电路使用了两只晶

24、体管，但它的电压放大能力只相当于单只晶体管，但它的电压放大能力只相当于单管共射放大电路。管共射放大电路。因而差分放大电路是因而差分放大电路是以牺牲一只管子的以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温漂放大倍数为代价，换取了低温漂的效果。的效果。模 拟 电 子 技 术输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：（3.3.8）（3.3.9）共模抑制比：共模抑制比：（3.3.10）参数理想对称情况下：参数理想对称情况下：KCMR=模 拟 电 子 技 术dA斜率斜率图图3.3.6 差分放大电路的电压传输特性差分放大电路的电压传输特性4. 电压传输特性电压传输特性模 拟

25、电 子 技 术 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“ “ 接地接地”点，以点，以避免干扰；或负载需要有避免干扰；或负载需要有“接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。入双端输出、单端输入单端输出。三、差分放大电路的四种接法三、差分放大电路的四种接法模 拟 电 子 技 术三、差分放大电路的四种接法三、差分放大电路的四种接法1. 双端输入单端输出电路双端输入单端

26、输出电路图图3.3.7 双端输入、单端输出差分放大电路双端输入、单端输出差分放大电路模 拟 电 子 技 术T1的集电极等效电路的集电极等效电路vccvcc根据戴维宁定理：根据戴维宁定理：模 拟 电 子 技 术图图3.3.8 图图3.3.7 所示电路的直流通路所示电路的直流通路静态工作点可有式静态工作点可有式(3.3.2)、 (3.3.3) 、 (3.3.4)计算。计算。模 拟 电 子 技 术动态性能分析：动态性能分析： 差模放大倍数差模放大倍数图图3.3.9 图图3.3.7 所示电路对所示电路对差模信号的等效电路差模信号的等效电路（3.3.16）与双端输出电路比较与双端输出电路比较模 拟 电

27、子 技 术双入单出电路的共模特性双入单出电路的共模特性ebebLIcOcCRrRRuuA)( 12eBbeBbBIcRiriRiu111112 iBiERe越大，越大，Ac越小越小模 拟 电 子 技 术bebLcd)( 21rRRRA（1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？（2）当输出是）当输出是T2 的集电极，的集电极，Ad为？为？（3）双端输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？bebebebCMR)1 (2rRRrRKcobebi)(2RRrRR，模 拟 电 子 技 术2.单端输入双端输出单端输入双端输出图图3.3.11 单端输入、双端输出电路单端输入、双端

28、输出电路 IIcuu IIduu IIduu共模输入：共模输入：差模输入：差模输入：IIduu 模 拟 电 子 技 术单端输入的特点单端输入的特点单端输入电路与双端输入电路的单端输入电路与双端输入电路的区别区别在于：在于：在在差模差模信号输入的同时，伴随着信号输入的同时，伴随着共模共模信号的信号的输入。输入。（3.3.19）差模分量差模分量共模分量共模分量模 拟 电 子 技 术3. 单端输入、单端输出电路单端输入、单端输出电路图图3.3.12 单端输入、单端输出电路单端输入、单端输出电路模 拟 电 子 技 术四种接法的动态参数特点四种接法的动态参数特点由以上分析可知，将四种接法的动态参数特点归

29、纳如下：由以上分析可知，将四种接法的动态参数特点归纳如下：(1) 输入电阻输入电阻 Ri 均为均为2(Rb+rbe)。(2) Ad、Ac、Ro与输出方式有关与输出方式有关:a）双端输出时）双端输出时, (337) Ac=0；Ro=2RC (339) b) 单端输出时，单端输出时， (3316) Ro=Rc。(3) 单端输入时，若输入信号为单端输入时，若输入信号为uI，其差模输入电压，其差模输入电压Uld=uI；共模输入电压共模输入电压 ，式，式(3319)是输出电压表达式。是输出电压表达式。bebLIdOddrRRuuA IIcuu模 拟 电 子 技 术 Re 越大，每一边的漂移越小，共模负反

30、馈越越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时的强，单端输出时的Ac越小，越小，KCMR越大，差分放越大，差分放大电路的性能越好。大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，但为使静态电流不变，Re 越大，越大，VEE越大，以越大，以至于至于Re太大就不合理了。太大就不合理了。 需在低电源条件下，设置合适的需在低电源条件下，设置合适的IEQ，并得到，并得到得到趋于无穷大的得到趋于无穷大的Re。解决方法：采用电流源取代解决方法：采用电流源取代Re！四、改进型差分放大电路四、改进型差分放大电路模 拟 电 子 技 术图图3.3.13 具有恒流源的差分放大电路具有恒流源的差分放大电路四、改进型差分

31、放大电路四、改进型差分放大电路模 拟 电 子 技 术3BEQEE2123EB32RUVRRRIII，等效电阻等效电阻为无穷大为无穷大近似为近似为恒流恒流模 拟 电 子 技 术1) RW取值应大些？还是小些？取值应大些？还是小些？2) RW对动态参数的影响？对动态参数的影响？差分放大电路的改进差分放大电路的改进1. 1. 加调零电位器加调零电位器 RW模 拟 电 子 技 术doidmd2 RRRRgA，2. 2. 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路模 拟 电 子 技 术3.3.3 3.3.3 互补输出级互补输出级模 拟 电 子 技 术 对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；对输出级的要

32、求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。最大不失真输出电压最大。一、对输出级的要求一、对输出级的要求射极输出形式射极输出形式静态工作电流小静态工作电流小输入为零时输出为零输入为零时输出为零 双电源供电时双电源供电时Uom的峰的峰值接近电源电压。值接近电源电压。 单电源供电单电源供电Uom的峰值的峰值接近二分之一电源电压。接近二分之一电源电压。不符合不符合要求！要求！模 拟 电 子 技 术静态时静态时T1、T2均截止，均截止，UB= UE=01. 1. 特征特征：T1、T2特性理想对称。特性理想对称。2. 2. 静态分析静态分析T1的输入特性的输入特性理想化特性理想化特性模 拟 电 子 技 术动态分析动态分析ui正半周，电流通路为正半周，电流通