模电第3章.ppt

1、第三章 多级放大电路,3.1 多级放大电路的耦合方式,3.2 多级放大电路动态分析,3.3 直接耦合放大电路,当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如Au104、Ri=2M、 Ro=100）时，应考虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先应考虑如何“连接”几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。,常见耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合等。,3.1 多级放大电路的耦合方式,3.1.1 直接耦合,将前级的输出直接连接到后级的输入端,称为直接耦合。,一. 直接耦合放大电路静态工作点的设置,静态时,UCEQ1=UBEQ2=0.7V，则T1管的Q点靠近饱和区，在动态信号作用时容易引起

2、饱和失真。,如何设置合适的静态工作点？,抬高T2的基极 电位,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？,若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？,二极管导通电压UD？动态电阻rd？,Re,但Re使T2电压放大 倍数下降!,对直流量，它相当一个电压源,对交流量，它等效一个小电阻,如何设置合适的静态工作点？,UCEQ1太小加Re（Au2数值）改用D若要UCEQ1大，则改用DZ。,rzu /i，小功率管多为几欧至二十几欧。,NPN型管和PNP型管混合使用,问题的提出： 在用NPN型管组成N级共射放大电路，由于UCQi UBQi，所以 UCQi UCQ(i-1）

3、（i=1N），以致于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适。,UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1 UCQ2 UCQ1,如何设置合适的静态工作点？,二. 直接耦合方式的优缺点,低频特性好，可以放大变化缓慢的 信号；,缺点: 静态工作点不独立，相互影响； 零点漂移严重。,优点：,电路中没有大电容，便于集成。,3.1.2 阻容耦合,Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。,共射电路,共集电路,有零点漂移吗？,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。,3.1.3 变压器耦合,从变压器原边看到的等效电阻,可能是实际的负载，也可能是下级放大电路,

4、理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,3.1.4 光电耦合,一. 光电耦合器及其传输特性,发光元件,光敏元件,电气隔离,传输特性,传输比,比小得多，只有0.11.5,ID-二极管电流,二. 光电耦合放大电路,静态,IDQICQUCEQ,动态,iDiC uCE,当共集电路作为输入级，Ri与第二级的Ri2有关。,3.2 多级放大电路的动态分析,1.电压放大倍数,2. 输入电阻,3. 输出电阻,后级的Ri即是前级RL,注意,当共集电路作为输出级，Ron与末前级的Ro（n-1）有关。,分析举例,3.3 直耦放大电路,工业控制中很多物理量均为模拟量，如温度、流量、压力、长度等，往往比较

5、微弱，要经过放大才能驱动负载；由于信号变化缓慢，所以采用直耦放大电路将其放大最为方便。,3.3.1 直耦放大电路的零点漂移问题,一. 零漂现象及其产生的原因,产生零漂的原因：,零漂的衡量方法：,由温度变化引起的。当温度变化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫温漂。,输入ui=0时，输出有缓慢变化的电压产生。,将输出漂移电压按电压增益折算到输入端计算。,例如,若输出有1 V的漂移电压 。,则等效输入有100 uV的漂移电压,假设,第一级是关键,二. 抑制零漂的措施,2. 采用温度补偿的方法,利用热敏元件来抵销

6、放大管的变化;,3. 采用差分(动)放大电路。,等效 100 uV,漂移 1 V,1. 电路中引入直流负反馈;,一. 长尾式差分放大电路的组成,零输入零输出,零点漂移,参数理想对称： Rb1= Rb2，Rc1= Rc2， Re1= Re2; T1、T2在任何温度下特性均相同。,3.3.2 差分放大电路,V受温度控制， 始终保持UCQ=V,将两个射极电阻合并而为一，并将信号源一端接地即成长尾式电路。,典型电路,在理想对称的情况下： 1. 克服零点漂移； 2. 零输入零输出。,实现电源与 信号源“共地”,1. 差动放大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

7、地加信号。,2. 差动放大电路可以有两个输出端。 双端输出从C1 和C2输出。 单端输出从C1或C2 对地输出。,几个基本概念,差模信号与共模信号,差模信号：,共模信号：,ui1=-ui2,uid=ui1-ui2,uic=ui1=ui2,晶体管输入回路方程：,通常，Rb较小，且IBQ很小，故,二.长尾式差分放大电路的分析 1. Q点：令uI1= uI2=0,2. 对共模信号的抑制作用,共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即,1) 电路对称,温度漂移等效共模信号,2) 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。 Re越大越好，但受VEE 限制。,如 T()IC1 IC2

8、 UE IB1 IB2 IC1 IC2 ,抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。,3. 对差模信号放大作用,差模放大倍数,E点和负载中点的电位在差模 信号作用下不变，相当接“地”,相当单管 放大倍数,共模抑制比KCMR： 为综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力，引进一个指标- 共模抑制比。,4. 差分放大电路的电压传输特性,uo=f(uI),uId 如下图极性且由零逐渐增大，对应的uod如实线。 如改变uId的极性，对应的uod如虚线所示。,三.差动放大器的四种接法,1. 双端输入、双端输出（双入双出） 2. 双端输入、单端输出（双入单出） 3. 单端输入、双端输出（单

9、入双出） 4. 单端输入、单端输出（单入单出）,在实际应用时，信号源需要有“ 接地”点，以避免干扰；或负载需要有“ 接地”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接法：,1. 双端输入双端输出(不再重复),2. 双端输入单端输出 1) Q点分析,由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是UCEQ1 UCEQ2。,2) 差模信号作用下的分析,如果负载接在T2的集电极,则输出与输入同相。,3）共模信号作用下的分析,加入共模信号，射极电位的变化量uE=2iERe。,3. 单端输入双端输出,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,将输入信号进行等

10、效变换,单端输入等同于双端输入。,4. 单端输入单端输出,等同于双端输入单端输出。,四种接法的比较：电路参数理想对称条件下,输入方式： Ri均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。,输出方式：Q点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。,四. 具有恒流源的差分放大电路 为什么要采用电流源？,Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，Re 越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。(IEQ=0.5mA，Re=100K， VEE100V) 怎么才能在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re？,解

11、决方法：采用电流源！,等效很大的交流电阻，直流电阻并不大。,具有恒流源的差分放大电路,等效电阻为无穷大,近似为 恒流,Ad 同长尾电路,1) RW取值应很小;,五. 差分放大电路的改进 1. 加调零电位器RW,2) RW对动态参数的影响？,3) 若RW滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。,2. 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,场效应管差分放大电路也有四种接法。, 六. 对任意输入信号的放大特性,将两个输入信号 分别写成下列两个分量之和：,=uid1+uic1,=uid2+uic2,即分解成一对差模信号和共模信号：,差模信号,共模信号,应用叠加定理可求出输出电

12、压。,例3.3.1 已知Rb=1k, Rc=10k，RL=5.1k, VCC=12V, VEE=6V; =100, rbe=2k。,（1）为使IE1=IE2=0.5mA Re=? ，UCEQ=？,（2）计算Au、Ri、RO；,（3）电路改成单出，用直 流表测得uo=3V，uI=？ （uoc可忽略不计）,（3）用直流表测得的电压既有直流（静态）量，又含有 变化量，所以要先计算静态值：,3.3.3 直接耦合互补输出级,对输出级的要求,互补输出级是直接耦合的功率放大电路。 对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗； 最大不失真输出电压最大。,（设ui为正弦波）,静态时：,ui

13、= 0V ic1、ic2均=0（乙类工作状态） uo = 0V,动态时：,ui 0V,T1截止，T2导通,ui 0V,T1导通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。,一. 基本电路及原理 (OCL),输入输出波形图,死区电压,乙类工作的缺点是产生交越失真,二.消除交越失真的互补输出级,对偏置电路的要求：有合适的Q点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。 如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因而消除了交越失真。 二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个0.60.8V的直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。,消除交越失真的互补输出级,三. 准互补输出级,为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。,3.3.4 直接耦合多级放大电路,直接耦合多级放大电路常用差分放大电路做为输入级；OCL电路做为输出级；常用共射放大电路做为中间级。,在直接耦合多级放大电路中，要合理设置静态工作点，以保证输入电压为零时输出电压为零。,例题：,第一级：双端输入单端