多级放大与集成运放(模电).ppt

1、第3章 多级放大电路和集成运算放大电路,3.1 多级放大电路 3.2 差分放大电路 3.3 电流源电路 3.4 功率放大电路 3.5 集成运算放大电路,1,3.1 多级放大电路,3.1.1 多级放大电路的耦合方式,1 阻容耦合 将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合。,优 点：由于变化缓慢的信号和直流信号也不能通过电容，因此阻容耦合方式的放大电路，各级静态工作点相互独立。 缺 点：低频特性差，不易集成。,2,图 3-1 阻容耦合放大电路,3,2. 变压器耦合 变压器能传递交流信号，因此将放大电路的前后级利用变压器连接起来，称为变压器耦合，如图3-2所示。 图中：第一级的输出

2、信号经变压器Tr1传送到第二级， 第二级的输出信号经变压器Tr2传送给负载并进行阻抗变换， Cb是偏置电阻Rb21、Rb22的旁路电容，主要防止信号被偏置电阻所衰减。,4,图 3-2 变压器耦合放大电路,5,优点： 可以传递信号，而且还能实现阻抗变换。 利用这一特点，根据所需要的放大倍数，选择适当的匝数比，使负载电阻上获得足够大的电压，并且当匹配得当时，负载还可获得足够大的功率。 由于变化缓慢的信号和直流信号也不能通过变压器，因此变压器耦合方式的放大电路，各级静态工作点相互独立。 缺点： 是体积大、造价高、 不易于集成，目前即使是功率放大电路也较少采用变压器耦合方式。,6,3. 直接耦合 将前

3、一级的输出端直接连接到后一级的输入端，称为直接耦合，如图3 -3（a）所示。 优点：既能放大交流信号，也能放大变化缓慢的信号。 没有大容量的电容，因此易于集成。 实际使用的集成放大电路一般都采用直接耦合方式。 缺点：前后级之间是直接连接，存在着直流通路，这就造成了各级静态点相互影响。 对于直接耦合的放大电路， 需要解决以下两个问题。,7,图 3-3 直接耦合放大电路,8,1） 级间的匹配问题 在图 (a)中，V1管的集电极电位被V2管的基极限制在0.7V左右，使V1管的Q点接近于饱和区，因而不能正常放大。 So：在V2管的发射极加发射极电阻Re2，如图(b)所示。 Re2的接入，提高了第二级基

4、极电位UB2，从而保证了V1管的集电极得到较高的静态电位，使V1管不致工作在饱和区。 But：Re2接入后，使后一级的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能力。,9,So：用一只稳压管VDZ取代电阻Re2，如图(c) 。 对于直流量，稳压管相当于一个稳压电源，限流电阻R的作用是保证稳压管工作在稳压状态； 对于交流量，稳压管等效成一个很小的动态电阻，一般为十几至几十欧姆，几乎不会影响第二级的放大倍数。,In order to：各级三极管都工作在放大区，要求： Uc2 Ub2 = Uc1 But：放大电路级数增加，导致基极和集电极电位逐级上升，最终接近电源电压，会使后级的静态工作点不合适。

5、 So：将NPN管和PNP管组合，构成直接耦合放大电路，如图(d) 。后级采用PNP管，其集电极电位比基极电位低，即使耦合级数较多，也可以使各级获得合适的静态工作点。,10,2） 零点漂移问题 实验中：在直接耦合放大电路中，若将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，有一个相当可观的、随时间缓慢变化的不规则信号输出，即输出电压在静态值上下随机偏离，如图3-4 。,图 3-4 零点漂移现象,11,这种输入电压为零，输出电压不为零且缓慢变化的现象称为零点漂移，简称零漂。 ,对阻容耦合电路：这种缓慢变化的漂移电压被耦合电容阻隔，不会传送到下一级放大电路进一步放大。 对直接耦合电路：这种缓慢变化的漂移电

6、压会被毫无阻隔地传输到下一级，并且被逐级放大，以致于有时在输出端很难分辨出哪个是有用信号，哪个是漂移电压。,产生原因：放大电路中任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、器件参数随温度的变化等，都会产生零点漂移。,采用 高质量的稳压电源 采用 经过老化实验的元件,12,衡量标准：零漂的大小不以输出端漂移电压的绝对大小来衡量。因为输出端的漂移电压与放大倍数成正比，所以零漂一般都用输出的漂移电压折合到输入端后来衡量。,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的主要原因，故也将零点漂移称为温度漂移，简称温漂，定义为温度每变化1所产生的折合到输入端的等效零漂电压，即,一般：零点漂移主要取

7、决于第一级，而且级数越多，放大倍数越大，零点漂移越严重。,13,多级放大电路中： 各级之间是相互串行连接的，前一级的输出信号就是后一级的输入信号，后一级的输入电阻就是前一级的负载， So：多级放大电路电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，,(3-1),多级放大电路的 输入电阻 就是 第一级 的输入电阻， 输出电阻 就是 最后一级 的输出电阻，,Ri=Ri1 (3-2),3.1.2 多级放大电路的动态分析,Ro=Ron (3-3),14,注 意： 当共集电极电路作为输入级时，多级放大电路的输入电阻与其负载，即后一级的输入电阻有关； 当共集电极电路作为输出级时，多级放大电路的输出电阻与其信号源内

8、阻，即其前一级的输出电阻有关。,15,【例3-1】两级放大电路如图3-5所示，已知1=2=50，UBE1=UBE2=0.7V，rbb=300，电容器对交流可视为短路。 （1） 试估算该电路V-1管和V-2管的静态工作点; （2） 估算该电路的电压放大倍数、 输入电阻和输出电阻。,图 3-5 例3-1电路图,16,解： （1） V-1管和V-2管的静态工作点,所以：,因为：,17,又因为V1管和V2管之间是直接耦合方式，V1管的集电极电位等于V2管的基极电位，V2管的基极电流相对于V1管的集电极电流较小，因此忽略IB2，可得,列出第二级放大电路输入回路方程,由于,UCQ1UCC-ICQ1Rc1=

9、20-110=10 V,18,所以,19,（2） 将图3-5的小信号等效电路画于图3-6。,图 3-6 图3-5的小信号等效电路,20,由图3-6可见，第二级的输入电阻Ri2为,两级放大电路的输入电阻为,Ri=Rb11Rb12rbe1+(1+)Re1 =338.21.626+(1+50)0.284.6 k,21,输出电阻为,22,3.2 差分放大电路,一个基本的差分放大电路由两个理想对称的共射放大电路，通过公共的射极电阻Re耦合而成，因此称为射极耦合差分放大电路(长尾式差分放大电路)。 两个输入端，分别用作输入电压信号ui1和ui2， 若两端都有信号输入，称为双端输入； 若一端有信号输入，另一

10、端接地，则称为单端输入。 两个输出端， 若输出信号从V1管和V2管集电极之间取出，称为双端输出； 若输出信号从V1管或V2管的一个集电极取出，称为单端输出。,3.2.1 差分放大电路的电路组成,23,图 3-7 射极耦合差分放大电路,（2）UCC=|UEE|,（1）V1管和V2管： 特性、参数完全相同,24,优点：差分放大电路利用电路的对称性来相互抵消两管的温漂。 当两个输入端短路，即ui1=ui2=0时，由于温度等因素变化所引起的静态工作点的漂移，对两只三极管是相同的，因此两管的集电极电位将同时上升或下降相同的数值。 若采用双端输出，输出电压将保持为零。,25,若采用单端输出，由于射极电阻R

11、e的作用，将大大抑制每只三极管的温漂。 例如，温度升高使三极管集电极电流增加，将引起如下过程：,表明：每只管子产生的温漂，通过射极电阻Re上电压UE的自动调节作用而受到抑制。,26,1. 静态分析 直流通路如图(a)所示：由地、Rb、发射极和负电源-UEE构成基极直流回路。在理想对称条件下： IBQ1=IBQ2=IBQ， ICQ1=ICQ2=ICQ， IEQ1=IEQ2=IEQ， UBEQ1=UBEQ2=UBEQ， 1=2=,3.2.2 差分放大电路的分析,27,图 3-8 图3-7的直流通路 (a) 直流通路； (b) Re等效变换后的直流通路,28,通常情况下，Rb阻值很小（很多情况下Rb

12、为信号源内阻），IBQ也很小，故Rb上的压降可忽略不计，发射极电位： UEQ-UBEQ，,So：就静态而言，对于每只三极管，发射极相当于接入一个2Re的电阻，射极耦合电阻折算到每管发射极后的静态等效电路如图（b）。,基极回路电压方程： UEE=IBQRb+UBEQ+2IEQRe,发射极的静态电流：,29,由2.3节静态工作点稳定电路的分析可知：发射极电阻越大， 每管工作点的稳定性越好。 So：差分放大电路每边的静态工作点比单管放大电路稳定，抑制温漂性能也好。 由IEQ可求得IBQ、ICQ和UCEQ, 即：,(3-6),(3-7),(3-8),30,2. 动态分析,1） 对差模信号的放大作用 在

13、差分放大电路的两个输入端分别加入一对大小相等、极性相反的信号，即ui1=-ui2，这种输入方式称为差模输入。 两输入端之间的信号之差称为差模信号(Difference-Mode Signal)，用uid表示，则：,差模信号作用下的差分放大电路如图3-9（a）所示。,31,图 3-9 输入差模信号的差分放大电路 (a) 电路图； (b) 交流通路,uod ：表示差模输出电压,32,由于V1管和V2管的基极所加电压信号大小相等、极性相反，V1管的集电极电流i增加，V2管的集电极电流iC2就减小。 若两边电路完全对称，则： iC1=-i，iE1=-iE2， 流过发射极电阻Re上的电流总量： iRe=

14、iE1-iE2=0， Re上的差模信号电压降为零。因而对差模信号而言，Re可视为短路。 两管集电极输出电压也是大小相等，极性相反，故负载RL的中点，RL/2处可看成是零电位，即虚地。,33,在差模输入信号作用下，差模输出电压的变化量uod与输入电压的变化量uid之比定义为差模电压放大倍数Aud，即：,由 图3-9 (b) 可知, 双端输入、双端输出的差模电压放大倍数为：,(3-10),(3-9),34,结论：差分放大电路虽然采用了两只三极管，但是差模电压放大倍数与单管共射放大电路相同。 即以牺牲一只管子的电压放大倍数为代价来换取抑制温漂的。 若从单端输出， 则差模电压放大倍数为：,(3-12)

15、,(3-11),35,差模输入方式下，从差分放大电路两输入端看进去的等效电阻，称为差模输入电阻Rid，显然其值为两共射放大电路输入电阻之和，即,Rid=2(Rb+rbe),(3-13),差模方式下： 双端输出的输出电阻为单管共射放大电路输出电阻的两倍 Rod=2Rc 单端输出的输出电阻为单管共射放大电路输出电阻 Rod=Rc,(3-15),(3-14),36,2） 对共模信号的抑制作用 在差分放大电路的两个输入端分别加入一对大小相等、极性相同的信号， 即ui1=ui2，这种输入方式称为共模输入。 两输入端分别对地的信号称为共模信号(Common-Mode Signal)，用uic表示，ui1=

16、ui2=uic。 输入共模信号的差分放大电路如图3-10（a）所示。 在共模信号作用下，iE1=iE2， 流过射极耦合电阻Re的电流总量iRe=iE1+iE2=2iE1，Re上的共模信号电压为uRe=2iE1Re，即对共模信号而言，每管发射极等效接入一个2Re的电阻。,37,图 3-10 输入共模信号的差分放大电路 (a) 电路图； (b) 交流通路,38,在共模信号作用下，共模输出电压的变化量uoc与输入电压的变化量uic之比定义为共模电压放大倍数Auc， 即,只要电路对称，双端输出时的共模电压放大倍数为：,单端输出时的共模电压放大倍数为：,39,共模输入电阻是将两输入端并联后，由输入端到地

17、之间的等效输入电阻， 即,单端输出的共模输出电阻为,为了衡量差分放大电路放大差模信号、抑制共模信号的能力，引入一个指标参数共模抑制比(Common-Mode Rejection Ratio)，用KCMR表示。,40,共模抑制比越大，表明差分放大电路对共模信号的抑制能力越强。这在直接耦合的放大电路中是很有意义的。 因为温度、电源电压等所引起的零漂，以及外界干扰信号等对两管的影响是相同的，所以可等效地看成是作用在差放输入端上的共模信号，从而在输出端被抑制掉，使差模输入的有用信号得到放大。 应用：串行通信（USB，网线，自定义）,41,3） 输入任意信号 在实际应用中，加到差分放大电路输入端的电压信

18、号往往是任意的电压信号，它们既不是差模信号，也不是共模信号， 在这种情况下，可将ui1和ui2变换为下列形式:,其中:,42,表明：当差分放大电路两端加任意信号时，可以把它们用差模信号和共模信号来表示； 分别求出差模信号作用下的差模输出电压和共模信号作用下的共模输出电压； 然后利用叠加定理，将差模输出电压和共模输出电压相叠加，即得到任意信号作用下的输出电压。,43,单端输入的差分放大电路可以看成是任意信号输入的一个特例，即ui1=ui，ui2=0，如图3-11所示。 按照任意信号分解方法，将其用一对差模信号和一对共模信号表示如下：,即,44,差分放大电路的输出电压是由差模输入电压和共模输入电压

19、共同作用的结果。 当采用双端输出时，由于共模输出电压为零，因此输出电压仅含差模输出电压，这时的单入双出电压放大倍数等于双端输入双端输出时的电压放大倍数，此时输出电压为 uod=Auduid=Audui 当采用单端输出时，输出电压为差模输出电压与共模输出电压之和。若从V1管集电极与地之间输出，则输出电压uo1为,45,若从V2管集电极与地之间输出，则输出电压uo2为,注意：若采用单端输出，其输出的瞬时电压应为差模输出电压、 共模输出电压及该端的直流电压的叠加。,46,图 3-11 单端输入的差分放大电路,47,3. 差分放大电路的传输特性 分析可知：在小信号的情况下，可以分析出差分放大电路具有放

20、大差模信号、抑制共模信号的特性。 信号幅值较大时，差分放大电路的放大作用如何？ 描述差分放大电路输出差模信号随输入差模信号变化的规律，称为差模传输特性(Difference Transfer Characteristic)，即 uod=f(uid),它反映了大信号下的差模输入量与输出量的对应关系。 通过实验手段可以测出差模输出电压uod随输入电压uid变化的关系曲线，如图3-12所示。,48,图 3-12 差分放大电路的电压传输特性,49,（1）当uid=0时，uod=0，差分放大电路工作在静态工作点上，两管处于平衡状态。 （2）当0|uid|UT，传输特性近似为直线，其斜率为差模电压放大倍数

21、，并且是常数。显然，管子工作在线性放大区。 （3）当|uid|=UT4UT时，传输特性处于非线性段，在这段区域内仍有放大作用，但是差模电压放大倍数已不是常数，它将随着信号的增大而减小，因为这时传输特性的斜率变小了。 （4）当|uid|4UT以后，输出电压趋近于常数，其数值取决于电源电压，这时，差分放大电路中的两个管子必有一个处于截止状态，另一个处于饱和态。,50,【例3-2】在图3-13所示电路中，三极管参数1=2=50， UBE1=UBE2=0.6V，rbb=300，负载RL=20k。 (1) 估算静态工作点。 (2) 计算差模输入双端输出时的Aud、Rid和Rod。 (3) 若ui1=0.1V，ui2=0V，则输出电压uo=? (4) 若输入信号不动，仅将负载RL接在V2管的集电极与地之间，试求uo2=? KCMR=?,51,图 3-13 例3-2电路图,52,（1） 计算静态工作点:,53,（2） 计算动态指标:,双端输入-双端输出时的差模电压放大倍数为：,