第3章多级放大电路.ppt

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1、第3章 多级放大电路,3.1 多级放大电路概述3.2 多级放大电路的动态分析3.3 直接耦合多级放大电路,3.1.1 耦合形式,3.1.2 零点漂移,3.1 多级放大电路概述,问题提出 前面所述的单管放大电路，在实际运用中各项性能指标很难满足要求，所以需要采用多级放大电路，来满足实际要求。,多级放大器级间耦合的条件是把前级的输出信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。,3.1.1 耦合形式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采

2、用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,耦合电路的简化形式如图07.01所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决；阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点Q互不影响，可抑制温漂；变压器耦合可实现阻抗变换（不常用）。,(a)阻容耦合(b)直接耦合(c)变压器耦合 图07.01 耦合电路的形式,3.1.2 零点漂移,零点漂移,是三极管的工作点随时

3、间而逐渐偏离原有静态值的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的影响，所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,一般将在一定时间内，或一定温度变化范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。例如 V/C 或 V/min。,3.2 多级放大电路的动态分析,1.多级放大电路的构成可用如下方框图表示：,2.多级放大电路的放大倍数：,3.输入电阻与输出电阻：,Ri=Ri1,Ro=Rno,?,?,4.多级放大电路电压放大倍数的计算,在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。,输入电阻法,开路电压法,一是将后一级的输入电

4、阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联。,二是将后一级与前一级开路，计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用到后一级的输入端。,现以图07.05的两级放大电路为例加以说明，三极管的参数为:,1=2=100，VBE1=VBE2=0.7 V。计算总电压放大倍数。用输入电阻法计算。,图07.05 两级放大电路计算例,用输入电阻法求电压增益,（1）求静态工作点,（2）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,电压增益,如果求从VS算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻,Ri1=rbe1/Rb1/Rb2=3.1/51/20=3.1/14

5、.4=2.55 k,对于多级放大电路可认为：前级是后级的信号源，后级是前级的负载。多级放大器可使放大倍数提高，但是靠牺牲通频带来实现的。通频带将在频率响应中介绍。,3.3 直接耦合多级放大电路,3.3.1 复合管放大电路3.3.2 差分放大电路3.3.3 直接耦合互补输出级3.3.4 直接耦合多级放大电路,3.3.1 复合管放大电路,一、复合管（Dartington管）,（一）、为什么要组成复合管？1、用以提高输入电阻和电流放大系数。2、在电路结构有时需要组合器件。（运放输出级）,等效后的型号：与第一管型号相同等效后的参数：,条件：1）使各管均能处于放大状态，满足三极管Q 点合适条件；2）FE

6、T+BJT，应特别注意分析UGS的正负和 IG=0的情况。注意：必须使各管均处于正常的工作状态才能组成复合管。,由复合管组成的放大电路见书中113页说明,3.3.2 差分放大电路,3.3.2.1 概述3.3.2.2 差分放大电路的静态计算3.3.2.3 差分放大电路的动态计算,3.3.2.1 概述,一、差分放大电路的组成 二、差分放大电路的输入和 输出方式 三、差模信号和共模信号,一、差分放大电路的组成,差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的。如图06.01所示。对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。,即：1=2=VBE1=VBE2=VBE rbe1=

7、rbe2=rbe ICBO1=ICBO2=ICBO RC1=RC2=RC Rb1=Rb2=Rb,图06.01差分放大电路,二、差分放大电路的 输入和输出方式,差分放大电路一般有两个输入端：同相输入端，反相输入端。,信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端对地加入，称为单端输入。,差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1 和C2输出称为双端输出，仅从集电极 C1或C2 对地输出称为单端输出。,根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。,反之，如果所

8、得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。,图06.02共模信号和差模信号示意图,三、差模信号和共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。,差模信号 共模信号,是指在两个输入端加上幅度相等，极性相反的信号。,是指在两个输入端加上幅度相等，极性相同的信号。,图06.03双电源差分放大电路,3.3.2.2 差分放大电路的静态计算,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电

9、源VEE。,由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2 Re 才能获得相同的电压降。,如图06.03所示。由于接入负电源，所以偏置电阻Rb可以取消，改为VEE和Re提供基极偏置电流。基极电流为:,3.3.2.3 差分放大电路的动态计算,一、差模状态动态计算 二、共模状态动态计算 三、恒流源差分放大电路 四、差分放大电路的传输特性,一、差模状态动态计算,差分放大电路的差模工作状态分为四种:1.双端输入、双端输出（双-双）2.双端输入、单端输出（双-单）3.单端输入、双端输出（单-双）4.单端输入、单端输出（单-单）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,图06.04双

10、端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入差放电路如图06.04所示。负载电阻接在两集电极之间。vi 接在两输入端之间，也可看成 vi/2各接在两输入端与地之间。,这种方式适用于双端输入和双端输出，输入、输出均不接地的情况。,双端输入双端输出差模电压放大倍数,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入单端输出差模电压放大倍数,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,双端输入单端输出因只利用了一个集电极输出的变化量，所以它的差模电压放大倍数是双端输出的二分之一。,图06.05双端输入单端输出,单端输入双端输出差模电压放大倍数,单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图06.0

11、6。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe)/(1+)Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,这种方式用于将单端信号转换成双端差分信号,可用于输出负载不接地的情况。,图06.06 单端输入转换为 双端输入,vi1=vi2=vi/2,单端输入单端输出,通过从 T1 或 T2 的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1 输出，为反相；从C2 输出为同相。,(2)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,(3)输出电阻,输出电阻在 单端输出时，双端输出时，,二、共模状态动态计算,问题

12、引出 前面已经介绍差放电路抑制温漂的原理，在理想情况下温漂应为零，但实际电路的器件和参数很难完全对称，因此达不到预期的结果。怎样来衡量实际效果呢？,因此提出了共模信号的概念，由于温漂的变化作用于电路的两部分，且T1、T2的 变化相同，可看作在两个输入端同时输入一对极性相同、幅值相同的信号的结果。于是引入共模电压放大倍数来衡量放大电路抑制温漂的能力。,计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图 06.08 所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出时可以认为等于零。单端输出时为,图06.08 共模微变 等效电路,(1)共模放大倍数Avc,(2)共模

13、抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,三、恒流源差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大Re。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re。恒流源动态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图06.09所示。,恒流源电流数值为IE=(VZ-VBE3)/Re,图06.09恒流源差分放大电路,四、差分放大电路的传输特性,差分放大器的四种典型电路，可看书中238页表 6.2.1，加以比较应用。由BJT组

14、成的差分电路对共模输入信号有相当强的抑制能力，但它的Ri较低，因此在高输入阻抗的模拟集成电路中，常采用FET构成的差分电路，Rid大、输入偏置电流很小，书中237页有介绍，大家自学。,由差分放大电路的特性曲线可知：（1）输入信号只有在很小的范围内(Uid)，输出与输入有线性关系；（2）当输入信号幅值过大时，输出会产生失真，Uod趋于饱和值（Uom）。,3.3.3 直接耦合互补输出级,一、电路组成 乙类互补功率放大电路如图17.02所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL互补功率放大电路。,图17.02 乙类互补功率放大电路及波形,二、工作原理,当输入信号处于正

15、半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。,当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负 载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。,严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图17.03所示。,图17.03 交越失真,为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图17.04所示。也称为OCL电路，有关计算在 第九章介绍。,(a)利用二极管提供偏置电压(b)利用三极管恒压源提供偏置 图17.04 甲乙类互补功率放大电路,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作为输入级，可减小电路的温漂，提高共模抑制比；输出级一般采用OCL电路，以提高整个电路的带负载能力，为得到更高的电压放大倍数往往采用共射放大电路作为中间级。,