第4章多级放大电路

1、掌握多级放大电路的分析和计算 了解放大电路的频率响应 掌握差动放大电路的组成及工作原理 掌握集成运算放大电路的组成、理想特性及电路符号 掌握集成运算放大电路的基本运算电路 了解有源滤波器的分类和原理 了解集成运算放大电路的应用,第4章 多级放大电路,了解电压比较器的原理,4.1 分立元件放大电路 4.2 差动放大电路 4.3 集成运算放大电路 小结 习题,本章大纲,4.1 多级放大电路,在电子系统中，单级放大电路的电压放大倍数往往不能满足设计者的要求，因此要把放大电路的前一级输出接到后一级输入端，构成多级放大电路 。,4.1.1 多级放大电路 的组成,单级放大电路的电压放大倍数一般可以达到几十

2、到上百倍，然而，在实际应用中，其放大量是远远不够的。例如，话筒可以输出的信号幅值为7mV，若要求在阻抗为8的扬声器上得到50W的输出功率，那么输送给扬声器的信号幅值必须达到28V，这就要求扩音机具有很高的电压放大能力。显然，单级放大电路不能完成这个任务，这就需要把几个单级放大电路连接，组成多级放大电路。 多级放大电路方框图如下图所示。,多级放大电路方框图,4.1.2 多级放大电路的级间耦合方式,多级放大电路是将各单级放大电路、信号源及负载连接起来，这种连接方式称为耦合。常见的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合三种。 前级输出电阻与后级输入电阻通过电容连接的方式，称为阻容耦合，如图所示。由

3、于变压器能传送交流信号，因此可以利用变压器进行耦合，如图所示。为了使直流信号能够顺利传输，必须消除耦合电路中的隔直作用，采用直接耦合方式就可以实现这一要求，如图所示。由于它能够传输直流信号，所以直接耦合多级放大电路也被称为直流放大电路 。,4.1.2 多级放大电路的级间耦合方式,阻容耦合多级放大电路 变压器耦合多级放大电路,直接耦合多级放大电路,4.1.3 多级放大电路的分析,1电压放大倍数的计算 多级放大电路对放大信号而言，属串联关系，前一级的输出信号就是后一级的输入信号。所以，多级放大电路总的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积，即 2.输入电阻和输出电阻 多级放大电路的输入电阻和输出电阻

4、与单级放大电路的类似，输入电阻是从输入端看进去的等效电阻，也就是第一级的输入电阻ri=ri1，输出电阻是从输出端看进去的等效电阻，即最后一级的输出电阻ro=ron。,4.1.3 多级放大电路的分析,【例4-1】 两级放大电路如图所示，求Q、Au、ri、ro。设VCC=12V，1=2=100，UBE1=UBE2=0.7V。其他参数如图所示。,两级放大电路,4.1.3 多级放大电路的分析,解,4.1.3 多级放大电路的分析,解,4.1.3 多级放大电路的分析,解,在多级直接耦合的放大电路中，存在两个特殊问题：级间静态工作点相互影响（前后级电位互相牵制）问题；零点漂移问题。,4.2差动放大电路,1.

5、前后级电位互相牵制问题,4.2.1 直流放大电路的问题,两级直接耦合放大电路 后级发射极接电阻的直接耦合放大电路,1.前后级电位互相牵制问题,4.2.1 直流放大电路的问题,后级发射极接二极管的直接耦合放大电路 后级发射极接稳压管的直接耦合放大电路,2.零点漂移问题,4.2.1 直流放大电路的问题,零点漂移,差动放大电路，又称差分放大电路，其输出电压与输入电压之差成正比。它是另一类基本放大电路，由于它在抑制零点漂移等性能方面有很多优点，因而广泛应用于集成电路中。,4.2.2 差动放大电路的基本形式,1电路构成 差动放大电路如图所示，其中各元器件的作用如下。,差动放大电路,差动管：电路由两个完全

6、对称的单管共射极放大电路结合而成，即Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，Rs1=Rs2，VT1和VT2的特性与参数基本一致。 电路有两个输入端（输入信号分别加到两差动管的基极）和两个输出端（输出信号取自两差动管的集电极）。输出电压uo=uo1uo2。 调零电位器：引入调零电位器来抵消元器件参数的不对称，从而弥补电路不对称造成的失调。 公共发射极电阻Re：稳定静态工作点及抑制零漂。 辅助电源VeeRe越大，抑制零漂效果越好，但Re过大会使其直流压降过大，造成静态电流值下降，差动管输出动态范围减小。为保证放大电路的正常工作，电路中需要接入辅助电源 。,2抑制零点漂移的原理 由于电路的对称性，温度的变化

7、对VT1、VT2两管组成的左右两个放大电路的影响是一致的，相当于给两个放大电路同时加入了大小和极性完成相同的输入信号。因此，在电路完全对称的情况下，两管的集电极电位始终相同，差动放大电路的输出为零。不会出现普通直接耦合放大电路中的漂移电压，可见，差动放大电路利用电路对称性。抑制了零点漂移现象。,3信号输入 在实际使用时，加在差动放大电路两个输入端的信号是任意的，要想分析有输入信号时差动放大电路的工作情况，要先来认识一下共模输入信号、差模输入信号和比较输入信号。 （1）共模输入信号 两个大小相等且极性相同的输入信号称为共模输入信号，记为uic，即ui1=ui2=uic。对于完全对称的差动放大电路

8、来说，共模输入时两管的集电极电位必然相同，因此双端输出时电压为零，电压放大倍数（Auc）为零，这就说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。因此差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。,（2）差模输入信号 如果两个输入端的信号大小相等、极性相反，这样的输入信号称为差模输入信号，记uid，即 。因两侧电路对称， 放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则 ， 差模电压放大倍数（Aud）： =Aud。差模电压放大倍 数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来

9、了对零漂的抑制能力。,（3）比较输入信号 两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，又非差模，称为比较输入信号。比较输入信号可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即 式中：uic共模信号； uid差模信号。 由以上两式可解得： 对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压： 上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值特性。,（3）比较输入信号 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，因此要求对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，

10、抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。 在一般情况下，电路不可能绝对对称，Auc0。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。 共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即,共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。,【例4-2】 已知差动放大电路的输入信号ui1=1.01V，ui2=0.99V，试求差模和共模输入电压。 解 差模输入电压：uid=ui1ui2=1.010.99=0.02V 共模输入电压：uic=（ui1+ui2）/2=（1.01+0.99）/2=1V,4.差模特性分析,差

11、动放大电路差模输入时的交流通路,4.差模特性分析 （1）差模电压放大倍数 由差模电压放大倍数的定义可以得出： 若在VT1和VT2两管的集电极之间加负载（RL），由于电路的对称性，RL的中点始终为零电位，等效于接地。因此，单边电路的负载为RL的一半，这时电路的差模电压放大倍数为,4.差模特性分析 （2）差模输入电阻 差模输入时，从差动放大电路的两个输入端看进去的等效电阻为差模输入电阻（rid），即 （3）差模输出电阻 差模输出时从差动放大电路的两个输出端看进去的等效电阻为差模输出电阻（rod），即,差动放大电路有两个对地的输入端和两个对地的输出端。当信号从一个输入端输入时，称为单端输入；从两个输

12、入端之间浮地输入时，称为双端输入；当信号从一个输出端输出时，称为单端输出；从两个输出之间浮地输出时，称为双端输出。因此，差动放大电路具有4种输入、输出方式：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。差动放大电路具有4种输入、输出方式的性能特点如表所示。,4.2.3 差动放大电路的输入、输出方式,4.2.3 差动放大电路的输入、输出方式,4.2.3 差动放大电路的输入、输出方式,【例4-3】 如下图所示为单端输出的差动放大电路。指出1、2两端哪个是同相输入端，哪个是反相输入端，并求该电路的共模抑制比KCMR。设VCC=12V，VEE=6V，Rb=10k，Re

13、=6.2k，Rc=5.1k，晶体管1=2=50，rbbl=rbb2=300，UBEl=UBE2=0.7V。,4.2.3 差动放大电路的输入、输出方式,4.2.4 差动放大电路的应用,在基本差动放大电路中，公共发射电阻Re越大，抑制零点漂移效果越好，但辅助电源Vee也越高，这对电路设计不利，因此需要设计一个具有恒流源的差动放大电路。 为了使Re大时Vee能低一些，可以用三极管代替Re，这种电路称为晶体管恒流源差动放大电路，如下图所示 。,晶体管恒流源差动放大电路,4.2.4 差动放大电路的应用,【例4-4】 如图所示电路，设器件参数为rbb=100，=100。求静态工作点电流（IC1Q、IC2Q

14、），静态工作点电压（VCElQ，VCE2Q）；求差模放大倍数（Aud）；当ui为一直流电压16mV时，计算VTl、VT2集电极对地的直流电压。,4.2.4 差动放大电路的应用,4.3.1 集成电路的基本知识,集成电路是在一块半导体基片上做出许多电子元器件，并进行封装、做出引脚引线，构成一个不可分割的整体。由于集成电路中各元器件的连接线路短，元器件密度大，外部引线及焊点少，从而大大提高了电路工作的可靠性，缩小体积，减轻重量，简化组装和调试工作，降低产品成本等，因此得到了广泛应用。常用集成电路的外形如图3-1所示 。,4.3 集成运算放大电路概述,图3-1 常用集成电路的外形,电阻占用硅片面积比晶

15、体管大许多，阻值越大，占用硅片面积就越大。为此，集成电路常常由三极管构成恒流源作为大电阻来使用，也可以通过引脚外接大电阻。 集成电路中用的二极管通常是利用三极管的一个PN结作为二极管。 集成电路硅芯片上制造一只三极管比较容易，而且所占的面积也不大。但是在硅芯片上制造大电容器、电感器十分不方便，也不经济，所以集成电路内各级之间全部采用直接耦合方式，如需大电容器、电感线圈时，就需通过引脚外接。 集成电路的元器件具有良好的一致性和同向偏差，比较有利于实现需要对称结构的电路。 集成电路的芯片面积小，集成度高，因此功耗很小，一般在毫瓦以下 。,集成电路的分类,集成运算放大电路简称运放，是一种具有很高放大

16、倍数的多级直接耦合放大电路，是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路，具有运算和放大作用。 集成运算放大电路由输入级、中间级、输出级、偏置电路4部分构成，其结构框图如图所示 。,4.3.2 集成运算放大器的组成,集成运算放大电路的结构框图,集成运放741的电路原理图,1.集成运算放大电路符号 集成运算放大电路的符号如图所示。 反相输入端：表示输出信号和输入信号相位相反，即当同 相端接地，反相端输入一个正信号时，输出端输出信号为负。 同相输入端：表示输出信号和输入信号相位相同，即当反相端接地，同相端输入一个正信号时，输出端输出信号也为正。 集成运算放大电路符号的含义对应实际集成运放引脚图，如图所

17、示 。,集成运算放大电路符号 实际集成运放引脚图,4.3.3 集成运算放大器的理想模型机特点,2.理想运算放大电路的电路符号 在分析运算放大器的电路时，一般将其看成是理想的运算放大器。理想化的主要条件有图所示理想运算放大电路的电路符号 开环差模电压放大倍数：Auo； 开环差模输入电阻：ri； 开环输出电阻：ro0； 共模抑制比：KCMR； 开环带宽：fbw为0。 理想运算放大电路的电路符号如图3-6所示 。,理想运算放大电路的电路符号,3.理想运算放大电路的两个重要特点 两输入端电位相等，即uP=uN； 放大电路的电压放大倍数为 在线性区，集成运放的输出电压uo为有限值，根据运放的理想特性Au

18、o，有uP=uN，即集成运放同相输入端和反相输入端电位相等，相当于短路，此现象称为虚假短路，简称虚短，如图所示 。,集成运放的虚假短路,净输入电流等于零，即Ii+= Ii-0 在图4-8中，运算放大电路的净输入电流Ii为 根据运放的理想特性ri，有Ii+=Ii-0，即集成运放两个输入端的净输入电流约为零，好像电路断开一样，但又不是实际断路，此现象称为虚假断路，简称虚断，如图所示 。,集成运放的虚假断路,4.3.4 集成运算放大器的主要技术指标,集成运算放大电路的主要性能指标,集成运算放大电路与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行运算。 运算放大电路工作在线性区时，通

19、常要引入深度负反馈，所以，它的输出电压和输入电压的关系基本决定于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大电路本身的参数关系不大。改变输入电路和反馈电路的结构形式就可以实现不同的运算 。,4.3.5 集成运算放大器的基本单元电路,4.3.5 反相比例运算放大电路,反相比例运算放大电路,根据虚短（uP=uN）且P点接地，可得uP=uN=0，N点电位与地相等，所以N点称为“虚地”，如图所示。 根据虚地可得输出电压与输入电压之间的关系为 式中： 为比例系数 由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。 利用反相比例运算放大电路完成反相器设计，设计的反相器如图所示。反相器比例系数为1，即R1=R

20、f构成反相器。,“虚地”示意图 反相器,4.3.5 同相比例运算放大电路,同相比例运算放大电路,输出电压与输入电压的关系为： 根据上式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相同。 利用同相比例运算放大电路完成电压跟随器设计，设计的电压跟随器如图所示。电压跟随器可由比例系数 为 的同相比例运算放大电路构成，一种情况是Rf 短路、R1开路，这样 =1；另一种情况是R1开路，这样 1 由式可知，输出电压与输入电压成正比例且相位相反。,Rf短路、R1开路时的电压跟随器 R1开路时的电压跟随器,4.3.5 反相输入加法电路,根据理想特性（II=0）及集成运放的反相输入端为虚地，得 如果取R1=R2=Rf

21、，则,反相输入加法电路,4.3.5 减法电路,当外电路电阻满足R3=Rf，R1=R2时，电路输出电压与输入电压之间的关系为,减法电路,【例4-5】 在图所示电路中，运放A1和A2都是理想运放，写出输出电压uo与输入电流i1和i2之间的关系式 。,例3-5图,解： 两级运放满足“虚短”、“虚断”的条件。 设运放A1的输出信号为u1，运放A1的反相输入端信号为uN1，运放A2的反相输入端信号为uN2。 由虚断，有,4.3.5 积分电路,积分电路 积分电路波形,4.3.6 微分电路,微分电路 微分电路波形,1.查阅集成运算放大器A741的典型指标数据及管脚功能； 2.根据查阅的典型数据，计算可能的数据值（如Uo1，Uo2等），以供实验时参考 。,六 预习要求,1. 测量输入失调参数时，为什么运放反相端及同相输入端的电阻要精选，以保证严格对称? 2.测量输入失调参数时，为什么要将调零端开路，而在进行其他测试时，则要求对输出电压进行调零? 3.测试信号的频率选取的原则是什么？,七 思考题,1. 测量输入失调电压UIO时，将运放调零端开路（即不接入调零电路）；电阻R1和R2，R3和RF的阻值精确配对。 2.测量输入失调电流IIO时将运放调零端开路；两端