模拟电子技术 第3章 多级放大电路09.ppt

1、第 3 章 多级放大电路,本章重点：,1、掌握多级放大电路的耦合方式及动态参数的计算,2、掌握直接耦合放大电路中差分放大电路的组成及动态参数的计算,3、了解多级放大电路中的互补输出级,本章讨论的问题:,1. 单管放大电路为什么不能满足多方面性能的要求？,2. 如何将多个单级放大电路连接成多级放大电路？各种连接方式有和特点？,3. 多级放大电路的的动态参数与组成它的各个单级放大电路有什么关系？,4. 直接耦合放大电路的特殊问题是什么？如何解决？,5. 差分放大电路与其它基本放大电路有什么区别？为什么它能抑制零点漂移？,6. 直接耦合放大电路输出级的特点是什么？ 如何根据要求组成多级放大电路？,当

2、单级放大电路不能满足多方面的性能要求（例如Au104、Ri=2M、 Ro=100）时，可以把多个基本放大电路连接起来，组成“多级放大电路”，其中每一个基本放大电路叫做一“级”。,为什么要多级放大电路？,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。,输出,3.1 多级放大电路的耦合方式,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。,动态: 传送信号,静态：保证各级有合适的Q点,对耦合电路的要求,一、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,第二级,第一级,3.1 多级放大电路的耦合方式,Q1合适吗？,如何解决？,如何设置合适的静态工

3、作点？,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？,Re,3.1 多级放大电路的耦合方式,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。,3.1 多级放大电路的耦合方式,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）（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 UCQ1,3.1 多级放

4、大电路的耦合方式,直接耦合方式的特点：,具有良好的低频特性，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,输入为零，输出产生变化的现象称为零点漂移,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。,3.1 多级放大电路的耦合方式,二、阻容耦合,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 多级放大电路的耦合方式,第一级,第二级,Q点相互独立 电路的零漂（温漂）小 不能放大变化缓慢的信号，低频特性差 不便于集成化,3.1 多级放大电路的耦合方式,阻容耦合方式的特点：,三、变压器耦

5、合,可能是实际的负载，也可能是下级放大电路,3.1 多级放大电路的耦合方式,为什么要用变压器耦合？,变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,Q点相互独立 电路的温漂小 可以实现阻抗变换 不能集成化 不能放大变化缓慢的信号， 低频特性差 体积大、笨重,3.1 多级放大电路的耦合方式,变压器耦合方式的特点：,四、光电耦合,3.1 多级放大电路的耦合方式,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，因而其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。,1. 光电耦合器,光电耦合器及其传输特性,发光元件,光敏元件,3.1 多级放大电路的耦合方式,2. 光电耦合放大电路,3. 光电耦

6、合的特点,光耦合，电隔离性能好； 可传送直流信号； 光电耦合器件可以集成，广泛用于集成电路中 主要缺点是光路比较复杂，光信号的操作与调试需要精心设计。,几种耦合方式放大电路的应用场合,阻容耦合放大电路：用于交流信号的放大。,变压器耦合放大电路：用于功率放大及调谐放大。,直接耦合放大电路：一般用于放大直流信号或缓慢变化的信号。,集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式。,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,一、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算公式,二、分析举例,一、电压放大倍数,3.2 多级放大电路的动态分析,注意：分析多级放大电路时，要考虑前后级之间的相互影响！

7、 即计算Aui 时 ，把后级的输入电阻当作前级的负载。,总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即,二、 输入电阻,三、 输出电阻,3.2 多级放大电路的动态分析,注意：（1）当输入级为共集放大电路时，电路的输入电阻与 负载（即第二级的输入电阻）有关；,（2）当输出级为共集放大电路时，电路的输出电阻与信号源内阻（即倒数第二级的输出电阻）有关；,四、分析举例：,3.2 多级放大电路的动态分析,第一级,第二级,负载,信号源,3.2 多级放大电路的动态分析,1、静态分析,阻容耦合：各级放大电路的静态工作点相互独立 -分别估算,3.2 多级放大电路的动态分析,2、动态分析,（1）画交流（微变）等效电

8、路,（2）计算电压放大倍数,3.2 多级放大电路的动态分析,3.2 多级放大电路的动态分析,（3）计算输入电阻,（4）计算输出电阻,当输出级为共集放大电路时，电路的输出电阻与前级有关,练习：多级放大电路的动态分析,RE1,R2,R3,RC2,RL,RS,R1,微变等效电路:,练习：多级放大电路的动态分析,(1) 电压放大倍数:,其中: RL1= Ri2 = R2 / R3 / rbe2,练习：多级放大电路的动态分析,(2) Ri = Ri1,(3) Ro = Ro2 = RC2,当输入级为共集放大电路时，电路的输入电阻与负载（即第二级的输入电阻）有关。,练习：多级放大电路的动态分析,讨论-放大

9、电路的选用,按下列要求组成两级放大电路： Ri12k，Au 的数值3000； Ri 10M，Au的数值300； Ri100200k，Au的数值150； Ri 10M ，Au的数值10，Ro100。,共射、共射；,共源、共射；,共集、共射；,共源、共集。,3.3 直接耦合放大电路,一、零点漂移现象及其产生的原因,二、差分放大电路,三、直接耦合互补输出级,四、直接耦合多级放大电路,一、零点漂移现象及其产生的原因,1. 什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。,2. 产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。,3. 克服温漂的方法：引入直

10、流负反馈、温度补偿。 典型电路：差分放大电路,二、差分放大电路,可以实现零输入零输出,若V与UC的变化一样，则输出电压就没有漂移,存在零点漂移,用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移相互抵消，这就是“差分放大电路”的设计思想。,差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路。,1、电路的组成,二、差分放大电路,特点： a. 两只特性完全相同的管子； b. 两个输入端，两个输出端； -双入双出方式 c. 电路元件参数对称。,1、电路的组成,二、差分放大电路,1、电路的组成,将Re1、Re2合并,实用的差分放大电路,二、差分放大电路,由于两个管子的特性相同，当温度变化时，将使两管的

11、集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。,共模信号uIc-指大小相等、极性（方向）相同的输入信号,2、工作原理,(1) 输入共模信号,静态时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。,差分放大电路对零点漂移（共模信号）有很强的抑制作用,如何放大有用信号？,差模信号-大小相等、极性（方向）相反的信号,二、差分放大电路,(2) 输入差模信号,uC1 = -uC2,uo= (uC1uC1 )(uC2 + uC2 ) =2 uC1,即 差分放大电路

12、可放大差模信号。,uid = ui1 ui2,二、差分放大电路,(3) 任意输入方式,ui1 、ui2 大小和极性任意。,例: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,共模信号,差模信号,差分电路能抑制零点漂移（共模信号），放大差模信号，故称为差分（动）放大电路。,二、差分放大电路,（1） 静态分析：令uI1= uI2=0,设：,3、电路的分析,二、差分放大电路,列晶体管基极回路方程：,（1） 静态分析,3、电路的分析,（2）共模电压放大倍数Ac,二、差分放大电路,因为电路参数和管子的理想对称性，有：,所以

13、差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。,（3）差模电压放大倍数Ad,iE1= iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。,电阻Re对差模信号的作用？,二、差分放大电路,差模放大倍数,（3）差模电压放大倍数Ad,差模信号作用下的交流等效电路,二、差分放大电路,（4）输入电阻,（5）输出电阻,（6）共模抑制比KCMR,共模抑制比KCMR：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。,二、差分放大电路,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMR (dB) =,(分贝),共模抑制比KCMR是差分放大电路的一个重要指标。,uO=(UCQ1

14、+ UCQ1 )(UCQ2 + UCQ2 )=0,静态时，ui1 = ui2 = 0,T ICQUCQ,uO= UCQ1 - UCQ2 = 0,UCQ1 = UCQ2,温度的影响相当于给差分放大电路加入了共模信号，所以差分放大电路能够抑制温漂。,利用电路的对称性,差分放大电路对温漂的抑制作用,温度T,IC,IRe = 2IC,UE,UBE,IB,IC,ui1 = ui2 = 0,Re 具有强负反馈作用, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。, Re的作用,UE,对IE1来说, 等效2Re,差分放大电路对温漂的抑制作用,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端

15、输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。,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。,二、差分放大电路,4、差分放大电路的四种接法,二、差分放大电路,4、差分放大电路的四种接法,二、差分放大电路,由于输入回路没有变化，所以IEQ（ICQ）、IBQ与双端输出时一样。但是UCQ1 UCQ2。,（1） 双端输入单端输出,静态分析-求Q点,二、差分放大电路,（1） 双端输入单端输出,静态分析-求Q点,差模信号作用下的动态分析,二、差分放大电路,（1） 双端输入单端输出,差模输入的等效电路,若从T2集电极输出则为正。,二、差分放大电路,（1） 双端输入单

16、端输出,共模信号作用下的动态分析,共模输入的等效电路,电阻Re对共模信号的作用？,iE1= iE2，Re中电流为2 iE2， 即Re 对共模信号有很强的反馈作用。,Re愈大， Ac愈小，KCMR愈大！,二、差分放大电路,（1） 双端输入单端输出,共模信号作用下的动态分析,共模输入的等效电路,双端输出对共模信号有较强的抑制能力；但因为有Re ，单端输出对共模信号也有一定的抑制能力。,讨论：,（1）T2的Rc可以短路吗？ （2）什么情况下Ad为“”？ （3）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？,二、差分放大电路,特点：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入。,二、差分放大电路,（2） 单端输入

17、双端输出,二、差分放大电路,（2） 单端输入双端输出,单端输入双端输出电路的静态工作点以及动态参数的分析与双端输入双端输出电路完全相同。,单端输入单端输出电路的静态工作点以及动态参数的分析与双端输入单端输出电路相同,（3） 单端输入单端输出,二、差分放大电路,差分放大电路动态参数计算总结,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双出：,单出：,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双出：,单出：,共模电压放大倍数,差模电压放大倍数,差分放大电路动态参数计算总结,-与电路连接方式无关,双出：,单出：,输出电阻,差模输入电阻,共模抑制比,双出：,单出：,KCMR =,-与输出方式

18、有关,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。 需在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re。,解决方法：采用电流源！,用三极管代替“长尾式”差分电路中的长尾电阻，即构成-恒流源式差分放大电路,二、差分放大电路,5、改进型差分放大电路,二、差分放大电路,近似为 恒流,5、改进型差分放大电路,电路组成,T3：恒流管,简化 画法,二、差分放大电路,5、改进型差分放大电路,动态分析,由于恒流三极管相当于一个阻值很大的长尾电阻，它的作用也是引入一个共模负反馈，对差模电压放大倍数没有影响，所

19、以与长尾式交流通路相同。,加调零电位器RW,二、差分放大电路,5、改进型差分放大电路,场效应管差分放大电路,二、差分放大电路,5、改进型差分放大电路,例,解：,求:,(1) 静态分析,+,-,UCE3,(2) 电压增益,+,-,UCE2,(3)输出电压,差分电路的共模增益:,忽略共模输出电压时：,共模输入电压：,差模输入电压：,输出电压,1. 基本电路,静态时，T1、T2均截止,特征：T1、T2特性理想对称。,静态分析,三、直接耦合互补输出级,IBQ= 0-乙类工作状态,T1-NPN管,T2-PNP管,输入Ui=0，输出Uo= 0,动态分析,ui正半周，电流通路为： +VCCT1RL地， uo = ui,两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。,ui负