模电-第3章多级放大电路

要

点§

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3.1

多级放大电路的耦合方式将多个单级基本放大电路合理连接，构成多级放大电路组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级输入第一级第二级第n-1级第n级输出

负前置级末前级 末级 (输出级)级与级之间的连接称为级间耦合四种常见的耦合方式：直接耦合

阻容耦合变压器耦合光电耦合交流载3.1.1

直接耦合特点：(1)可以放大交流和缓慢变化的直流信号；(2)便于集成化。(3)各级静态工作点互相影响；(4)零点漂移。Rc1Rb1+VCCT1+iUUO+Rc2T2前一级的输出端直接连接后一级的输入端。静态时，UCE1=UBE2

，T1管的静态工作点靠近在动态信号作用下容易引起Rc1Rb1+T1+iUOURc2T2缺陷：抬高T2的基极电位改进电路—(b)电路中接入Re2，保证第一级集电极有较高的静态电位，但第二级严重下降。Rc1Rb1+VCC+T1i+UOURc2Re2T2(b)改进对直流量，它相当一个电压源用什么元件取代Re既可设置合适的Q点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？二极管导通电压UD＝？动态电阻rd＝？对交流量，它等效一个小电阻改进电路—(c)稳压管动态电阻很小，可以使第二级的放大倍数损失小。DZRb1CC+T1i+UOUR+Vc2Rc1

RT2

(c)UCQ1

（

UBQ2

）

＞

UBQ1UCQ2

>

UBQ2（

UCQ1

）以致于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适。若要UCEQ1

=6V改进电路—(d)NPN管和PNP管混合使用，可获得合适的工作点。为经常采用的方式。Rc1Rb1+VCC+T1+iUU

ORe2Rc2T2(d)UCQ1

（

UBQ2

）

＞

UBQ1UCQ2

＜

UCQ13.1.2

阻容耦合CRC1Rb1+VCCC2RL+1+T1+U

iUo+Rc2Rb2C3T2+第一级第二级优点：静态工作点相互独立缺点：低频特性差；不便于集成化应用：信号频率很高，输出功率很大等特殊情况3.1.3

变压器耦合可能是实际的负载，也可能是下级放大电路L221LNNR')

R

(R'L缺点：低频特性差；不便于集成化。优点：静态工作点相互独立，阻抗变换3.1.4

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的，因其

能力强而得到越来越广泛的应用。发光元件电气iC

f

(uCE

)

ID传输特性UCEDi传输比CTR

iC光电耦合光敏元件输入回路输出回路制造商：Toshiba集成光电耦合器TLP521-2设备，测量仪器，影印机，自1脚：正极2脚：负极5脚：发射极6脚：集电极用于电脑终端机，可控硅系统3脚：正极4脚：负极7脚：发射极8脚：集电极动售票，家用电器，如风扇，加热器等12345678双列直插式封装静态IDQ→ICQ→UCEQ动态

△iD→△iC

→△uCE光电耦合放大电路工业控制系统（机床）键盘

或处理器显示光电耦合器电机驱动器电机

工作台位置反馈光电耦合器通信单片机强电系统弱电系统一、电压放大倍数总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即un

Au1

Au2

Ai

i2

inU

U

U

U

o1

U

o2

U

ouA二、输入电阻和输出电阻通常，多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻；输出电阻就是输出级的输出电阻。3.2多级放大电路的动态分析n

级放大电路(交流通路)：Rsu+s–+–uiA1+

+–

–uo1

ui2A2+

+–

–uo2

uinAn–+uoRL

均为150,rbe1=1.2k,rbe2=1k,UBE1=UBE2=0.7V。试计算放大电路的Q点和动态参数。[例3.2.1]

已知图所示放大电路中,R1=15k,R2=R3=5k,R4=2.3k,R5=100k,R6=RL=5k,VCC=12V,晶体管的+VCC+ui–C1

+T1C2+3R4C3+R2R1T2

C3+R6R

R5+–uo

RL解（1）求解Q点BQ

1U15

5521第一级为Q点稳定电路R

2

VCCR

R

12V

3V4EQ

1R

UBQ

1

UBEQ

1

3

0.7

mA

1mAI2.3IEQ

11

1IBQ

1

IEQ

1(R3

R4

)

[12

1

(5

2.3)]V

4.7VUCEQ

1

VCC+VCC+ui–C1

+T1+R3R4C3+R2R1T2

C3+R6C2

R5+–uo

RL第二级为共集放大电路BQ

2I

(1

150)

13μA

1963μA

2mA

IEQ

2R6

(12

2

5)V

2VUCEQ

2

VCC1501

mA

6.7μA100

151

5

12

0.7

mA

13μA5

2

6R

(1

)RVCC

UBEQ

2IEQ

2

(1

2

)IBQ

2T1+ui

R2

R1–R3T2RL+R6

uo–R5（2）求解动态参数+VCC+ui–C1

+T1+R3R4C3+R2R1T2

C3+R6C2

R5+uo–RLrbe1ib1ib1+ui

R2

R1–R3ib2ib2R5RL+R6

uo–brbe2ecib2rbe2rbe1ib1ib1+ui

R2

R1–ib2R3

R5+R6

uo

RL–Ri(Ri1)Ro1

Ri2Ro

(Ro2)be2

2

L2r

(1

)RAu

Au1

Au2

(177)

0.994

176u1Arbe1

1RL

1

177RL

1

R3

//Ri2

4.7kΩRi2

R5

//[rbe2

(R6

//

RL

)(1

2

)]

88k

(1

2

)RL

2u2ARL

2

R6

//

RL

2.5k

0.994R

i

Ri1

R1

//

R2

//

rbe1

1.94kΩRo

Ro2

R6

//1

2be23 5r

R

//

RRo

0.048kΩ

48Ωib2rbe2rbe1ib1ib1+ui

R2

R1–ib2R3

R5+R6

uo

RL–Ri(Ri1)Ro1

Ri2Ro

(Ro2)作业：3.2(b)3.3

直接耦合放大电路信号的信号的放大信号的加工信号的驱动与执行单片机或其它数字系统A/D转换D/A转换工业控制中很多物理量均为模拟量，

后信号往往比较微弱，要经过放大才能驱动负载或后续处理；压力、温度、液位、流量的测量与控制调节模拟电路数字电路由于信号变化缓慢，所以采用直耦放大电路将其放大。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3.3

直接耦合放大电路Iu

=0直接耦合放大电路uItOuO

mV零点漂移现象：输入电压为零，而输出电压的变化不为零的现象。tO图

3.3.1

零点漂移现象uO理论输出实测输出一、零点漂移产生的原因原因：放大器件的参数受温度影响而使Q

点不稳定。也称温度漂移。直接耦合放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。图3.3.1零点漂移现象tOuItOuO零漂的衡量方法：将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。例如假设Au1

=

100,Au2

=

100Au

=

1若输出有1V的漂移电压，则等效输入有100μV的漂移电压。等效100

μV第一级是关键漂移1

V直接耦合时第一级采用差分放大电路！二、抑制温度漂移的方法：引入直流负反馈以稳定Q

点；利用热敏元件补偿放大电路的零漂；(3)

采用差分放大电路。+uiT+uo-C2RcRb2b1R1C

eRLRVCCB3.3.2

差分放大电路（差动放大电路）是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路放大两个输入信号之差。uo

Au

(u

i1

u

i

2)uoui1ui2Au

差分放大电路共模输入两个输入信号大小相等、极性相同，即：u

i1

u

i

2

——共模信号uo

Au

(ui1

ui

2)

0差分放大电路对共模信号没有放大能力。commonuoui1ui2Au

差分放大电路大小相等、极性相反，即：u

i1

u

i

2——差模信号uo

Au

(u

i1

u

i

2)

2

Au

u

i1

2Auu

i

2差分放大电路对差模信号的放大能力相当于对单个输入信号放大能力的2倍。差模输入差分放大电路放大差模信号differential3、两种输入信号:差模、共模大小相等；

差模

大小相等；极性相同。1、电路一般有两个输入端：双端输入—从两输入端同时加信号单端输入—仅从一个输入端对地加信号2、可以有两个输出端:双端输出——从C1

和C2输出单端输出——从C1或C2

对地输出极性相反。共模o+

u

–T1Rc1Rb1ui1+–+VCCT2Rc2Rb2Re-VEEui2+–一、几个基本概念长尾式差分放大电路参数理想对称；T1、T2特性相同。1、静态分析ui1ui2

0EE

BQ

bBEQR

U通常，Rb较小，且IBQ很小，故eQEQ2RV

UI

IEQ1

BQI

BEQCQ

c

UCQ

UEQUCEQR

U

VCC

IT1RcRbui1+–+VCCT2Rc+

uo

–RbRe-VEEui2+–二、长尾式差分放大电路EQ

eV

I

I

R

0.7V

硅管UEQ

UB

EQ负电源-VEE的作用：在两个输入端接地的情况下，为两管提供合适的静态电流，保证发射结正偏。IBQIEQUEQUCQ：共模信号ui1

ui2

uicic

occuuA

+

uoc

–T1Rb1+VCCT2Rc2Rb2Re-VEEui11)

电路对称uoc=

uC1-

uC2–+uicui2

=(UCQ1+∆uC1)-(UCQ2+∆uC2)2、对共模信号的抑制作用=0Ac

0共模放大倍数参数理想对称时温度漂移iB1

iB2iC1

iC2uC1

uC2

Rc1u共模信号被抑制C1uC22)

Re的共模负反馈作用对于每一边电路，发射极等效电阻为2Re如T(℃)↑→电阻Re抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。o+

u

–T1Rc1Rb1+VCCT2Rc2Rb2Re-VEEui1–+uicui2IC1↑

IC2

↑→

IC1

↓

IC2

↓→UE↑

→IB1

↓IB2

↓Re越大越好，但受VEE限制2IEeQEQI

V

U2RIE

UEIEUC1UC2差模输入时uI1

uI2idod差模放大倍数

duuA

共模抑制比cCMRAK

AdKCMR综合

电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力。3、对差模信号的放大作用+

uod

–T1Rb1uI1+–+VCCT2Rb2Re-VEEuI2+–则∆iB1=-∆iB2∆iC1=-

∆iC2集电极电位∆uC1=-∆uC2=2

∆uC1

差分放大电路能够放大差模信号uod

=(UCQ1+∆uC1)-(UCQ2+∆uC2)Rc1uod1Rc2uod2三、差分放大电路的四种接法差分放大电路有两个输入端和两个输出端，对外有四种接法：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——单端输出所谓“单端”指一端接地。T1Rc1Rb1uI1+–+VCCT2Rc2+

uo

–Rb2Re-VEEuI2+–为了防止干扰和满足负载的需要。1、双端输入-双端输出电路T1RcRb+VCCT2RbRe-VEEui1–+uidui2uid/2uid/2+–+–RLRc+

uod

–+

uod

–RLRcRbui1+–+VCCT1

T2RcRbRe-VEEui2+–uidui1

2

2i2uu

id分析时注意二个“虚地”E点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。负载电阻的中点电位在差模信

号作用下不变，相当于接“地”。EIE

-IE0RLRcRbui1+–+VCC+

uod

–T1

T2RcRbRe-VEEui2+–rbeibβibRcrbe-ibRb-βibRcuidRLuodRb

b1+

uod

–RLT1RcRbT2RcRb+–idu

/2–u+

/2–idc1e1rbeibβibRbRcibRbβib

RcuidrbeLR22

uodRL交流通路idodduuA

2RLuod

βib

(Rc

//

))

βib

(Rc

//LR

2ib

(rbe

Rb

)uidrbeibβibRbRcibβibRbRcuidrbeLR22

uodRL)2

2βib

(Rc

//L2RidoddA

uLc)2

β(

R

//Ru

Rb

rbe与单管共射放大电路的电压放大倍数相同Ri

2(Rb

rbe

)Ro

2RcAc

0AcAdKCMR

是单管共射放大电路的两倍2、双端输入-单端输出电路RLuo1–T1Rbui1+–+VCCT2Rc

RcRbRe-VEE+u–i2a

+UCQ1UCQ2R'c+V'CCRbT1

T2+VCCRcRbRe-VEECCC

LRLCCR

R

VV

RC

RC

//

RLBQ

2BQ

1I

ICQ

2CQ

1I

ICQ

CCCCQ

1RU

V

Iba静态工作点不对称UCEQ

1

UCEQ

2UCQ

1

UCQ

2+uo1–RcRbui1+–+VCCT1

T2RcRbRe-VEEui2+–2

uidi1u2

uidi2u+uodT1–RcRbT2RcRb+–idu

/2–u+

/2–idrbeibRbβib

RcrbeibRbβib

RcuidRLRL对差模信号的放大作用uodidodduuA

uod

βib

(Rc

//RL

)

2ib

(rbe

Rb

)uididduuA

odbeb

c

L

2(

R

r

)

β(

R

//R

)Ri

2(RbRo

Rc

rbe

)从T2

的集电极输出时：双端输出：

L

2

(Rb

rbe

)1

RdA

iduodAd

u

bebLc)2

β(

R

//RR

rrbeibRbβib

RcrbeibRbβib

RcuidRLuod+uo1–RcRbui1+–T1

T2RcRbRe-VEEui2+–+VCC交流通路ui1

ui2

uicrbeibβibRb2Re

Rcuicuo1rbeibβib2ReRbRcRLR1RcRbLT2RcRb+uo1T

–+u–ic2Re2Re对共模信号的抑制作用2c从T

的集电极输出时：

A

c

dCMRAAK

)bebRLd2

R

rA

1

(eRb

rbe

R

R

愈大，e共模放大倍数愈小，共模抑制比越高，电路的性能愈好。L2Re

Rico1cuuA

RL

ib(Rb

rbe

)ib

(1

)2Reib

RLRb

rbe

2(1

)Re

RL

RL(1

)2Re

2RebeβibR

ribb2Re

Rcuicuo1rbeibβib2ReRbRcRLo+

u

–RcRb+ui–+VCCT1

T2RcRbRe-VEE+

uo

–T1RcRb+VCCT2RcRbRe-VEE+–ui/2+–ui/2ui/2+––+ui/2在差模信号输入的同时，伴随着共模信号的输入。3、单端输入-双端输出电路区别：2iO单端输入等同于双端输入。uu

Ad

ui

AC

共模输入电压差模输入电压=0+T–1RcRb+ui–+VCCT2RcRbRe-VEERuo

L静态分析和动态分析过程及结果等同于双入—单出电路。4、单端输入-单端输出电路输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：uid

ui，uic

ui

/

22iuuO

Ad

ui

Ac≠0但很小省去bebLcd双端输出时：

A

)2

(R

//RR

r：单端输出时bebLcd2R

r

A

R

//

R

(2)共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：单端输出时：c双端输出时：A

0eLc2RR'A

差动放大电路动态参数计算总结(1)差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：id

b

beR

2R

r

(3)差模输入电阻不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。(4)输出电阻Ro

RcRo

2Rc单端输出时双端输出时(5)共模抑制比

dAcKCMR

A双端输出时KCMR可认为等于无穷大bebCMRR

r

e

R单端输出时共模抑制比：K1、差模输入时RLRcRbui1+–+VCC+

uod

–T1

T2RbRe-VEEui2+–2i1u

uid2i2u

uidT1RcRb+VCCT2RbRe-VEEui1–+uidui2uid/2uid/2+–+–RLRc+

uod

–uoduod1Rcuod2双端输出时：RRb

rbeAd

2

(Rc

//

L

)单端输出时：bebc

Ld2R

r

A

R

//

R

若空载时Ad

=？差模信号被放大2、共模输入时ui1

ui2

uicT1Rb1+VCCT2Rb2Re-VEEui1–+uicui2Rc1uoc1

+

uoc

–Rc2uoc2uoc=0共模信号被抑制温度漂移对任意信号的放大特性将两个输入信号分别写成下列两个分量之和：2

2

uI1

uI2

uI1

uI2

=uI1u+uId1

Ic12

2

uI1

uI2

uI1

uI2I2u=uId2+uIc2比如uI1

10mV

8mV

2mVuI2

6mV

8mV

2mV差模电压放大倍数共模电压放大倍数uo

AcuIc

AduId

Ad

(uI1

uI2

)差分放大电路只放大两输入端的差信号uId1uId2uIc差分放大电路uouI1差分放大电路uI2uo(1)

用电流源代替电阻

Re在长尾式差分放大电路中，双端输出

Ac

0单端输出eLc2RRA

Re

愈大②共模抑制比越高。若Re过大②不便于集成。用电流源替代电阻Re

。o+

u

–RcRbui1+VCCT1

T2RcRbR3-VEEui2T3R2R1四、改进型差分放大电路+

uo

–RcRbui1+–+VCCT1

T2RcRbRe-VEEui2+–①影响静态工作点；eEQ2RIV

U

Q使单端输出时能够很好地抑①共模放大倍数愈小；制共模信号EE2R2VRR1R2U

3E3C3R

UR2

UBE3I

I近似为恒流2EQ

1 EQ

2

IC3I

I+

uo

–RcRbui1+VCCRcRb-VEEui2+

uo

–cRbui1+VCCT1

T2R

RcRbR3-VEEui2R2R1T3

IC3T1

T2IE1

IE2IC3等效电阻为无穷大iu∆uAC

0KCMR

Ad

同长尾式电路带恒流源差放：单端输出时能够很好地抑制共模信号问题：元件参数不可能绝对对称，使得ui=0时，uo0解决：增加调零电位器。使当ui=0时,

uo=0+

uo

–TRcRbui1+VCCTRcRb1

RW

2-VEEui2I注意：RW不能太大，一般为几百欧姆。(2)

电路调零措施+

uo

–RcRbui1+–+VCCT1

T2RcRbRe-VEEui2+–+

uo

–TRcRbui1+VCCTRcRb1

R

2W-VEEui2I调RW使ui1

ui2

0时uo

02)RW对动态参数的影响？W3)若R

滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。W1)R

取值应很小;差分放大电路加调零电位器RWRW中点相当于差模地rbeibβibRbRcrbeibβibRbRcuiduod2RW

W2R+—+—o+

u

–RcRbui1+VCCT1

T2RcRbRW-VEEui2I2dRRcRb

rbe

(1

)

WA

Ri

2(Rb

rbe

)

(1

)RWW2)

R

对动态参数的影响？W3)若R

滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。只画出单边共射电路交流等效电路即可Ro

2Rc+

uo

–T1RcRbui1+VCCT2RcRbui2I-VEET3T4Ri

2[Rb

rbe1

(1

)rbe3

](3)

采用复合管提高输入电阻Ad

gm

RdRi

Ro

2Rd（4）场效应管差分放大电路为了提高输入电阻，采用场效应管差分放大电路其输入电阻几乎为无穷大，特别适合做多级放大电路的输入级。差分（差动）放大电路的用途？1、作为多级直接耦合放大电路的输入级第二级第三级第n-1级第n级差分放大电路入输出ui1输ui2RtR1R2R3输入级（前置级）

输出级2、将双端输入信号转变为单端输出信号E差分放大电路ui1ui2uo后续电路例3.3.1：