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第三章 多级放大电路,3.1 多级放大电路的耦合方式,3.3 直接耦合放大电路,3.2 多级放大电路的动态分析,本章重点和知识点：,1、掌握多级放大电路的耦合方式及其特点，为集成电路的学习打好基础,2、掌握阻容耦合多级放大电路的分析、直接耦合放大电路中差分放大电路的组态及电路分析,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？各种连接方式有何特点？,3.直接耦合放大电路的特殊问题是什么？如何解决？,4.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？,5.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？,3.1 多级放大电路的级间耦合方式,将多个单级基本放大电路合理连接，构成对信号放大的电路。,组成多级放大电路的每一个基本电路称为一级，级与级之间的连接（信号传输）称为级间耦合。,二、四种常见的级间耦合方式直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合 前三种多用于模拟放大电路的级间耦合，后一种多用于脉冲放大电路的级间耦合。,一、多级放大电路,1.多级放大电路,2.级间耦合,1.直接耦合,（3）特点：,既可以放大交流也可以放大缓慢变化的直流信号；频率特性较好。各级静态工作点互相影响，级间静态工作点需要联合配置；基极和集电极电位会随着级数增加而上升。存在零点漂移。便于集成化。,（1）定义：前级的信号输出端直接或通过非电抗性元件接到下一 级的信号输入端。,（2）电路举例：见书P147图3.1.1(a)、(b)、(c)、(d)(a)图电路第一级管子不能处于放大状态。,（4）多级直接耦合放大电路静态工作点的设置,后级射极接电阻Re2,电路中接入 Re2，保证前级集电极有较高的静态电位。但后级放大倍数严重下降。,后级射极接稳压二极管,稳压管动态电阻很小，可以使第后级的放大倍数损失小。但若Uz过大时管子动态范围减小。,抬高后级射极电位,在两级之间接稳压二极管,+VCC,前后级采用异型管子,可降低后级的基极电位，又不损失放大倍数。但稳压管噪声较大。,NPN管和PNP管混合使用，可获得合适的工作点。级数较多时后级电路经常采用这种方式。,(c),直接耦合放大电路静态工作点的设置,2.阻容耦合,阻容耦合放大电路,第 一 级,第 二 级,（3）特点：静态工作点相互独立，在交流放大的分立元件电路中广泛使用；耦合电容容量选择不合适时低频频率特性差。只能放大交流信号，不能放大直流信号。由于在集成电路中无法制造大容量电容，不便于集成化。,（1）定义：前级与后级之间通过电容实现信号传输。,（2）电路举例,3.变压器耦合,变压器耦合共射放大电路,（1）定义：前级与后级之间通过变压器实现信号传输。,（2）电路举例：,（3）特点：静态工作点相互独立，在交流放大器分立元件电路中广泛使用。能实现前后级阻抗匹配。输出级与负载之间采用变压器耦合，可 使负载上得到最大输出功率。多用于前置级与功放级之间的耦合。只能放大交流信号，不能放大直流信号。低频频率特性差。在集成电路中无法制造变压器，不便于集成化。,（4）变压器耦合应用放大电路,负载RL阻值较小时，通过变压器实现阻抗匹配，可使负载上得到尽可能大的输出功率。,变压器耦合放大电路,第二级VT2、VT3组成推挽式放大电路，信号正负半周VT2、VT3 轮流导通。,4.光电耦合,（1）定义：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。其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。,（2）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）光电耦合放大电路举例,光电耦合放大电路,目前市场上已有集成光电耦合放大电路，具有较强的放大能力。,（4）特点：前后级间直流隔离。抗干扰能力强。目前广泛用于脉冲信号传输，作一般交流信号传输时入端口直流偏置很重要。,3.2多级放大电路的分析,1.电压放大倍数,即总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。计算多级放大电路总的电压放大倍数时，先计算各级电压放大倍数，然后利用公式求总的电压放大倍数。,其中，n 为多级放大电路的级数。,一、多级放大电路动态性能指标的计算公式,电压增益：（多级电路总的电压放大倍数数值很大，采用 增益表示可以减小数值）Gu=Gu1+Gu2+Gu3+Gun,4.输入电阻和输出电阻,多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻；输出电阻就是输出级的输出电阻。,具体计算时，有时它们不仅仅决定于本级参数，也与后级或前级的参数有关。,2.电流放大倍数：,电流增益：Gi=Gi1+Gi2+.+Gin,3.功率放大倍数：,功率增益：Gp=Gp1+Gp2+Gpn,如图所示的两级电压放大电路，已知1=2=50,T1和T2均为3DG8D。计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.7V)及电路的动态参数。,例:1,二、阻容耦合两级放大电路分析,两级放大电路的静态值可分别计算。,RB1,C1,C2,RE1,+,+,+,RC2,C3,CE,+,+,+24V,+,T1,T2,1M,27k,82k,43k,7.5k,510,10k,解:,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,计算 R i和 R o,小信号等效电路,由等效电路可知，放大电路的输入电阻 Ri 等于第一级的输入电阻Ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻Ri1与负载有关，而射极输出器的负载RL1就是第二级输入电阻 Ri2。,rbe2,RC2,rbe1,RB1,RE1,+,_,+,_,+,_,求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,2,b,I,2,c,I,rbe2,RC2,rbe1,RB1,1,b,I,1,c,I,RE1,+,_,+,_,+,_,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,一、直接耦合放大电路零点漂移现象及其产生的原因,（2）零点漂移：直接耦合放大电路在ui=0的情况下，当环境温度变化或电源电压波动时，输出端对地电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象。,（3）产生零点漂移的主要原因：放大器件的参数受温度影响；前级静态工作点的变化被后级放大。放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。,零点漂移现象,3.3直接耦合放大电路,1.零点和零点漂移,（1）零点：直接耦合放大电路在ui=0，且环境温度不变和电源电压不波动时，电路输出端对地电位（电压）称为零点。,（4）零点漂移的危害：,当ui为交流信号时，零点漂移造成静态工作点移动，从而影响放大器件的动态范围，严重时产生信号失真;最后一级最严重。,当ui为直流信号时，输出的零点漂移信号与有用信号无法区分，严重时零点漂移信号淹没有用信号，电路失去放大信号的意义。,（5）零点漂移的衡量：,u:电路输出端的零点漂移电压数值，Au:电路的电压放大倍数，t:温度变化范围或时间范围。,即折合到输入端的温度每变化1(或经过单位时间)的漂移电压。单位：mV/,或mV/天，或mV/月。前者为温度漂移，后者为时间漂移。,2.抑制温度漂移的方法,(1)在偏置电路中引入直流负反馈以稳定 Q 点，此方法适用于输入为交流信号；,(2)在偏置电路中加入热敏元件补偿放大器的零漂；,利用热敏元件补偿零漂,T2,uI,uO,Re,(3)采用差分放大电路。,二、差分（动）放大电路,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.基本差分放大电路,（1）原理电路,电路特点:电路对称；采用双端输入，双端输出。,（2）电路的静态分析,静态就是ui=0，T1、T2在各自偏置电路作用下处于放大状态，由于电路对称则两管静态工作点相同。,（3）电路的动态分析,动态就是ui0,对交流而言，输入回路等效电路如下图所示。,输入信号：由于电路对称，则有,输入信号ui1和ui2大小相等，极性相反，即输入信号为差模信号。,输出信号：令两管集电极对地电压分别为uo1、uo2，又由于电路对称，则,即输出电压是单管输出时的2倍。当然对一只管子来说输入电压是ui的1/2。,差模电压放大倍数：,RL=时：,即差分放大电路对差模信号的放大倍数与单管共射放大电路相同。,RL时：,电路对零点漂移的抑制能力：,.电路的零点漂移电压为零 当温度变化时，iC1=iC2，则uC1=uC2，则uo=uC1-uC2=0,.共模信号（电压）输出的零点漂移电压可以等效成温度不变时，在电路输入端输入共模信号。,电路的零点漂移电压为零，可以说电路对共模电压的放大倍数为零。,共模信号：,共模抑制比：,.定义：,.电路对称时共模电压放大倍数等于零，则电路的KCMRR=,（3）基本差分放大电路存在的问题,电路只能双端输入，而任一端不能接地这是若要求电路具有共模（零点漂移）信号抑制能力，必须遵从的。因此不能放大来自一般传感器送来的信号。,信号只能双端输出，任一端不能接地这也是若要求电路具有共模（零点漂移）信号抑制能力，必须遵从的。因此不能接一般真实负载。,2.长尾式差分放大电路（射极耦合电路）,长尾式差分放大电路 可以单电源供电,（2）静态分析,UCEQ1=UCEQ2VCC+VEE(RC+2Re)IEQ1,（1）原理电路,由,或UCEQ1=UCEQ2=UCQ1-UEQ1=VCC-ICQ1Rc1-(UBQ1-UBEQ1)=VCC-ICQ1Rc1-(-IBQ1Rb1-UBEQ1),(3)对共模信号的抑制作用,共模信号的输入使两管集电极电压有相同的变化。,所以,共模增益,管集电极电流的变化，从而抑制集电极的电位的变化。,射极电阻Re对共模信号的负反馈作用，抑制了每只晶体,(4)对差模信号的放大作用及动态参数,差分放大电路加差模信号,分析时注意二个“虚地”,Re对差模信号起短路作用，则E点电位在差模信号作用下相当于接“地”。,负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。,那么电路对差模信号的放大倍数同于基本差分放大电路，即：,两式也可以利用微变等效电路求解得出,差模信号作用下的等效电路(书P160图（b）),差分放大电路加差模信号,动态参数：,Rid=2(Rb+rbe),Rod=2RC,共模抑制比,双端输出，理想情况,（5）电压传输特性,放大电路的输出电压和输入电压之间的关系曲线。,uo f(uI),如改变uI的极性，可得另一条图中虚线所示的曲线，它与实线完全对称。,（4）Re对共模信号的抑制作用,Re对共模信号起2Re的作用，即起强烈的负反馈作用。且这里的Re一般比单管放大电路中的阻值大。,3.长尾式差分放大电路的四种接法,双入、双出,前面已进行分析。,双入、单出,单入、双出,单入、单出,基于不同的应用场合，有双、单端输入和双、单端输出的情况。,所谓“单端”指另一端接地。,“单端”的情况，还具有共模抑制能力吗？,如何进一步改进呢？,静态分析：,IEQ1=IEQ2=(VEEUBEQIBQ1Rb1)2Re,UCEQ1=Uo+VEEReIEQ,（1)双端输入、单端输出电路,双端输入单端输出差分放大电路,IBQ1=IBQ2=IEQ1/(1+),注意：由于输出回路的不对称性，UCEQ1UCEQ2。,Uo=VCCRL(RC+RL)ICRLRC(RC+RL),电路对差模信号的等效电路,动态分析：,Rid=2(Rb+rbe),Rod=RC,问题：如输出信号取自T2管的集电极，动态分析结果如何？,共模电压增益,如输入共模信号：,uoc=ICRL;,uic=IBRb+rbe+(1+)2Re;,共模信号作用下的双入单出电路,增大Re是改善共模抑制比的基本措施,静态分析：,(2)单端输入、双端输出,与双入双出的一样,UCEQ1=UCEQ2VCC+VEE(RC+2RE)IEQ1,Uo=0,IBQ1=IBQ2=IEQ1/(1+),单端输入、双端输出电路a,Rb,Rb,动态分析,运用叠加定理：,电路的动态参数与双入双出的一样！,单端输入、双端输出等效电路,图中上方两个信号为共模信号，由于电路对共模信号起抑制作用，相当于共模信号为0，则输入信号仅为差模输入，即下方两个信号。,静态分析：,与双入单出的一样,UCEQ1=Uo+VEEReIEQ,Uo=VCCRL(RC+RL)ICRLRC(RC+RL),（3)单端输入、单端输出,单端输入单端输出电路,动态分析：与双入单出的一样。（略）,IBQ1=IBQ2=IEQ1/(1+),Rb,Rb,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,4.差动放大器动态参数计算的总结,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,(3)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。,(4)输出电阻,(5)共模抑制比,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、改进型差分放大电路,用三极管代替“长尾式”电路的长尾电阻，即构成恒流源式差分放大电路,（1）电路组成,T3：恒流管,作用：,能使 iC1、iC2基本上不随温度的变化而变化，从而抑制共模信号的变化。,具有恒流源的差分放大电路,1.具有恒流源的差分放大电路,（2）静态分析,当忽略 T3 的基极电流时，Rb1 上的电压为,于是得到,具有恒流源的差分放大电路,（3）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，所以与长尾式交流通路相同。,差模电压放大倍数为,差模输入电阻为,差模输出电阻为,另一种具有电流源的差分放大电路,简化画法,2.具有调零电位器的电路,（1）原理电路,若ui=0时，电路的输出电压若uo0,则调节RW滑动端位置，使输出电压uo=0。,（2）RW的调节作用,当电路两边完全对称时,RW滑动端应在中间位置,当电路两边不对称时,调节RW滑动端位置，使ui=0时，uo=0。若uo0：uo0,即UC1UC2，也就是IC1IC2。为了使uo=0，应增大IC1，减小IC2，故RW滑动端左移；若uo0:，故RW滑动端左移。,（3）Q点的计算（以RW滑动端在中间位置为例）,ui=0，看成两输入端分别接地，则,（4）动态参数的计算（RW滑动端在中间位置）,复习,1.差分放大电路的类别,基本差分放大电路,长尾差分放大电路,恒流源式差分放大电路,2.差分放大电路的接法,FET差分放大电路,恒流源电路的简化画法及电路调零措施,带调节电位器RW的恒流源电路的简化画法,调节电位器RW的滑动端位置可使电路在uI1=uI2=0时，uO=0。,FET差分式放大电路,电路图（单入单出）,分析方法相同但输入电阻很大，JEFT 1012欧姆MOSFET 1015欧姆,FET差分式放大电路,FET差分式放大电路常用于集成电路的输入级,三、直接耦合互补输出级(放到功放中讲述),1.基本电路,在输入信号的正半周，T1 导通，iC1 流过负载；负半周，T2导通，iC2流过负载。,在信号的整个周期都有电流流过负载，负载上 iL 和 uO 基本上是正弦波。,存在的问题：交越失真,交越失真,基本要求：输出电阻低，最大不失真输出电压尽可能大。,静态时，输入输出电压均为零。,2.消除交越失真的互补输出级,消除交越失真思路：,电路：,消除交越失真的其它电路,消除交越失真的互补输出级,消除交越失真的实际电路,为了增大T1和T2的电流放大倍数，以减小前级驱动电流，常采用复合管结构。,书P170为采用复合管的准互补输出级，OCL电路。,四、直接耦合多级放大电路,直接耦合多级放大电路的构成：,输入级：差分放大电路或FET差分放大电路，从而减小温漂，增大共模抑制比。,中间级：共射放大电路，从而获得高电压放大倍数。,输出级：采用复合管的准互补输出级电路，从而使输出电阻小，带负载能力增强，而且最大不失真输出电压幅值接近电源电压。,直接耦合多级放大电路举例,三级放大电路,第一级是以T1和T2 为放大管，双端输入，单端输出的差分放大电路。,第二级是以T3和T4 管组成的复合管为放大管的共射放大电路。,第三级是准互补电路，R2、R3、和T5为组成UBE倍增电路以消除交越失真。,例题1：第四版P182 3.6,解：,双入双出差分放大电路,例题分析,例题2：第四版P182 3.7,解：,双入单出差分放大电路,例题3：第三版P169 3.12,解：,带恒流源的双入单出差分放大电路,交流等效电路,Ui,Uo,例题4：第三版P169 3.13,解：,三级放大电路,带恒流源的双入单出差分放大电路,共射放大电路(PNP管）,共集放大电路（射集跟随器）,交流等效电路,