模拟电子技术基础--第3章--多级放大电路.ppt

1、第3章 多级放大电路,作业,3.1 3.2 3.6 3.7 3.11,3.1 多级放大电路的耦合方式,一、耦合方式,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。,1. 直接耦合,既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻,能够放大变化缓慢的信号，便于集成化， Q点相互影响，存在零点漂移现象。,当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。,输入为零，输出产生变化的现象

2、称为零点漂移,第二级,第一级,如何设置合适的静态工作点？,Q1合适吗？,对哪些动态参数产生影响？,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,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。,稳压管 伏安特性,小功率管多为5mA,由最大功耗得出,必要性？,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（集电结反偏） ，所以

3、UCQi UCQ(i-1）（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 UCQ1,2.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.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,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。,4.光电耦合,3.2 多级放大电路的动态分析,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,对

4、电压放大电路的要求：Ri大， Ro小，Au的数值大，最大不失真输出电压大。,【例】 已知两个BJT的=50，求图所示两级放大电路的Q点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻,对e点列KCL方程,对Re2应用欧姆定律,对Rc1与Rb2并联后再与rbe2串联的等效电阻应用欧姆定律,解：,画中频小信号等效电路,例题,例题,由于,则,分析举例,讨论一 失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路,共射放大电路,共射放大电路,饱和失真？截止失真？,首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。,比较Uom1和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。,在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路

5、的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。,3.3 直接耦合放大电路,直接耦合放大电路,可以放大直流信号,# 为什么一般的集成运算放大器都要采用直接耦合方式？,直接耦合放大电路的零点漂移,零漂：输入短路时，输出仍有缓慢变化的电压产生。 主要原因：温度变化引起，也称温漂。Q点位置随着温度的上升和下降而移动，从另一个角度来看：可以认为Q点没有动，而产生了一个缓慢变化的交流 信号。这种信号又因为是直接耦合方式而被逐级放大。电源电压波动也是原因之一 温漂指标：温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。,例,若第一级漂移100 uV（已折合到输入端），,则输出漂移 1

6、V。,若第二级也漂移100 uV，,则输出漂移 10 mV。,假设,第一级是关键,减小零漂的措施,用非线性元件进行温度补偿,采用恒温环境。,采用差分式放大电路,漂移 100 uV,漂移 10 mV+100 uV,漂移 1 V+ 10 mV,漂移 1 V+ 10 mV,3.3.2 差分式放大电路,一、长尾差分式放大电路,由两个结构完全对称的共射电路组成，通过射极公共电阻Ree耦合构成。,1= 2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。,ui

7、d1= - uid2,uid = uid1-uid2,瞬间真实方向,共模信号,差模信号和共模信号,差模信号：有用的信号，包含着信息，要进行放大的。传感器来的小信号以差模信号进入放大电路。 共模信号：人为引入的一个信号，不是要放大的，而是用来描述零漂的大小。直接描述、测量零漂很麻烦，要先后测量两种不同的环境温度下的静态工作点，求取它们的差值。从另外一个角度：在同样的环境温度下，在输入端施加共模信号，测量输出端的信号，求取共模放大倍数。,静态分析,直流通路,由于电路结构对称，管子特性一致。,IB1=IB2 = IB IC1=IC2=IC VC1=VC2 =VC,2.差模交流信号分析 :,2.差模交

8、流信号分析 :,画出对差模交流信号的交流通路,理想的直流电压源短路,2.1差模输入双端输出,关键是此处对Ree的处理。 在以前画交流通路时，线性电阻在交流通路中保留，阻值为线性电阻的交流电阻，因为是线性的，所以交流电阻与直流电阻相等。,某瞬间的真实方向,uid1= -uid2,Ree上交流压降为0。,因此，画差模交流信号交流通路时，Ree可视为短路， 即两管的发射极直接接地。,由uc1= -uc2可知RL两端电位一端为正，一端为负，RL的中点应是地电位，即每管对地的负载电阻为RL/2.,uid = uid1-uid2,参考方向,2.1.1求差模电压放大倍数,画差模交流信号的小信号等效电路,2.

9、1.2 求差模输入电阻,Rid=2(Rb+rbe),画求输入电阻的电路,2.1.3 求差模输出电阻,Rod 2 Rc,画求输出电阻的电路,2.2 差模输入单端输出,(a)差模输入单端输出(注意从哪边输出，左边),2.2.1求差模电压放大倍数,交流通路,差模输入单端输出小信号等效电路,如果从T2的集电极输出交流信号的话，输出电压信号与输入电压信号同相。,2.2.2 求差模输入电阻,Rid=2(Rb+rbe),画求输入电阻的电路,2.2.3 求差模输入电阻,画求输出电阻的电路,Rod Rc,3.共模交流信号分析 :,(a)双端输出,因为电路完全对称，所以双端输出时共模放大倍数为0。,3.共模交流信

10、号分析 :,（1）单端输出电压增益：,从左边输出和从右边输出完全相同,(b)单端输出,画交流通路时，单管射极电阻应为2Ree。,输入电阻,共模抑制比CMRR衡量差放的一个重要指标。,或,双端输出,单端输出,Ree的共模负反馈作用,Ree值越大，共模负反馈作用越强 Ree对差模信号短路，没有任何作用 Ree值太大，要求直流电压源越大，不现实 因此采用恒流源电路,4 对任意信号的分析方法,ui1=uic+uid/2 ui2=uic-uid/2 uic = (ui1+ui2)/2 uid=ui1-ui2 uid1= -uid2= uid /2,差模电压放大倍数,共模电压放大倍数,总输出电压,ui1=

11、uic+uid/2 ui2=uic- uid/2,例：ui1=10mV ui2=8mV,uic=(ui1+ui2)/2=9mV uid=(ui1-ui2) =2mV,ui1 =uic1+uid1 =9+1 ui2 =uic2+uid2 =9-1,输出信号与输入信号相位关系的分析,单端输入单端输出 单端输入双端输出 双端输入双端输出 双端输入单端输出,例题,例 差动放大电路如图所示，T1、T2参数相同，1=2=，RW滑动端位于中间位置。 （1）计算静态工作点（要求画出直流通路）； （2）画出差模交流通路； （3）计算差模放大倍数、差模输入电阻和差模输出电阻； （4）计算共模放大倍数和共模输入电阻

12、。,RW调零电位器，不太大，为了保证对称,解：（1）直流通路如图所示。,（2) 差模交流通路如图所示。,差模放大倍数：,差模输入电阻,差模输出电阻Rod=2Rc,（4) 共模小信号等效电路如图所示。因为是双端输出，所以共模放大倍数Auc=0。,二、恒流源差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大Ree 。但Ree加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是很不经济的。同时集成电路难以制造大电阻，为此可用恒流源来代替Ree 。 恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。恒流源可提供一个稳定的偏流，同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源。,（一）静态分析,（二）对差模交流信号的分析,（三）对共模交流

13、信号的分析,共模放大倍数为0。,近似为 恒流,射极偏置电路 直流通路,D1D2R2与T3的发射结、R3并联： VBE+I3R3=2VD+I2R2,由于IB3很小， 所以R1和R2所在的支路可以认为串联,I1I2,又R1=R2,R1=R2,列回路方程,I1I2,若VBE=VD,则I3R3=VD+I2R2,I3R3=VD+I2R2,FET差分式放大电路,1. 电路组成,2. 差模增益,3. 差模输入电阻,FET差分式放大电路,讨论一,若uI1=10mV，uI2=5mV，则uId=？ uIc=？,uId=5mV ，uIc=7.5mV,讨论二,1、uI=10mV，则uId=? uIc=? 2、若Ad=

14、102、KCMR103用直流表测uO ，uO=?,uId=10mV ，uIc=5mV,uO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1,3.3.3 直接耦合互补输出级功率放大电路,作业,3.11 9.1 9.2 9.3 9.4,例1： 扩音系统,功率放大器的作用： 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。,例2：温度控制,R1-R3:标准电阻,Ua : 基准电压,Rt :热敏电阻,A：电压放大器,Rt,T,UO,室温T,Ub,UO1,uo,例3：典型的收音机电路,变频,低频 中放,功放,Ic=0.5mA,Ic=2mA,Ic=20mA Ec=6V,Po=

15、30mW,电源供给的功率：,PDC=EcIc=120mW,转换效率：,电源供给的能量大多数以管耗的形式消耗掉，通常功放电路中的工作管必须加散热片。,检波,电压放大器与功率放大器的区别： 1. 任务不同： 电压放大不失真地提高输入信号的幅度，以驱动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态。 功率放大信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，通常工作在大信号状态。 2. 分析方法： 电压放大采用小信号模型分析法和图解法 功率放大图解法,9.1 功率放大电路的一般问题,1. 功率放大电路的主要特点,功率放大电路是以输出较大功率为目的的放大电路。 为了获得尽可能大的输出功率，必须使 输出信号电压大 输出

16、信号电流大 放大电路的输出电阻与负载匹配 管子工作在接近极限状态,一般直接驱动负载，带载能力要强。,2. 功率放大电路中的一些特殊问题,(1) 要求尽可能大的输出功率。管子工作在极限工作状态。,(2) 效率,=,负载得到的有用信号功率Po,电源供给的直流功率PDC,(3) 非线性失真要小。 在大信号状态工作必然引起信号失真，这就存在增大输出功率和信号失真之间的矛盾，这就要求在电路结构上进行改进，尽可能地提高输出功率并减小非线性失真。,(4) 半导体三极管散热的问题,3. 提高效率的途径,PDC = Po + PT 电阻、三极管均消耗功率，浪费的部分： 电阻的忽略 三极管的功耗分静态和动态，动态

17、不可避免。 降低静态功耗，即减小静态电流。 使三极管工作在乙类和甲乙类状态，可以减小静态电流，从而降低静态功耗，但是会产生严重的非线性失真 解决办法：从电路结构上采用措施，采用互补对称电路。,4. 静态工作点的三种情况,三极管根据正弦信号整个周期内的导通情况，可分为以下几个工作状态：,乙类：导通角等于180,甲类：一个周期内均导通,甲乙类：导通角大于180,丙类：导通角小于180,# 用哪种组态的电路作功率放大电路最合适？,OTL: Output TransformerLess,OCL: Output CapacitorLess,互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性

18、一致。,类型：,5.互补对称功率放大电路的分类,一、为什么共射放大电路不宜用作功率放大电路,乙类双电源互补对称功率放大电路,1. 电路组成,由一对NPN、PNP特性相同的三极管组成，采用大小相同的两个正、负直流电压源供电。,2.静态分析,T1、T2均处于截止状态，Q点在横轴上，称为乙类。 静态功耗为0,画直流通路,因为没有直流电流，所以不需要隔直电容把放大电路与信号源和负载隔离开。所以此种电路又称为无输出电容的互补对称功放电路（OCL电路） Output CapacitorLess,T1的直流负载线方程,直流负载线与iB=0的特性曲线的交点即Q点,T2的直流负载线方程,直流负载线与iB=0的特

19、性曲线的交点即Q点,3. 交流分析,画交流通路，可以看出是射极输出器,（1）当vi处于正半周时,注意：这是真实的电流、电压方向,T1导通，T2截止,iL= iE1 ,总电流就是交流成分，没有直流成分,直流、交流共同作用的电路,注意：这是电流、电压的参考方向,vi,iC1,+,-,vCE1,根据交流负载线的定义，可知T1的交流负载线与直流负载线重合。,vi,画交流通路，可以看出是射极输出器,（2）当vi处于负半周时,注意：这是真实的电流、电压方向,T2导通，T1截止,iL= iE2 ，总电流就是交流成分，没有直流成分,直流、交流共同作用的电路,vi,iE2,iC2,T2的交流负载线方程，根据定义

20、，交流负载线与直流负载线重合,两个三极管在信号的正、负半周轮流导通，使负载得到一个完整的波形。,参考方向,交越失真,消除失真的方法：设置合适的静态工作点。,4. 分析计算,（b）最大不失真输出功率Pomax,(1) 输出功率Po的计算,（a）一般情况下输出功率Po,其中，Vom是负载两端正弦电压的最大值,单个管子在半个周期内的管耗，另半个周期内的管耗为0,（2）管耗PT,此处指的是由交流电流流过三极管引起的管耗（动态管耗），三极管的静态管耗为0。,（a）一般情况下单个三极管的管耗PT1,两管管耗,最大管耗为,选管依据之一,（b）单个三极管的最大管耗PT1m,当输出功率最大时，管耗并不是最大，当Vom=0.6Vcc时，管耗最大,（3）电源供给的功率PV,当,（a）一般情况下电源供给的功率PV,（b）电源供给的最大功率PVm,也可以这样先求电源供给的功率PV ，然后再求管耗,当,（a）一般情况下电源供给的功率PV,（b）电源供给的最大功率PVm,对正弦电流而言,当,（4）效率,（a）一般情况下的效率,（b）最大的效率 ，当输出最大功率时,5. 功率管的选择,若想得到最大不失真输出功率，BJT的参数必须满足下列条件： （1）每只BJT的最大允许管耗PCM必须大于PT1m =0.2 Pom (2) 当三极管的工作点处在动态工作