华北科技学院模拟电路第三章教学.ppt

1,第3章 多级放大电路,重点:,1.多级放大电路的耦合方式,2.多级放大电路的动态分析,3.直接耦合放大电路的零点漂移,4.差分放大电路的分析与计算,5.多级放大电路中的互补输出级工作原理,2,多级放大电路的耦合方式,将多个单级基本放大电路合理联接，构成多级放大电路。,组成多级放大电路的每一个基本电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合。,四种常见的耦合方式：,直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合,3.1,3,直接耦合,具体措施如下：,可见，静态时，,T1管靠近饱和区，而产生饱和失真。因此，要提高UCEQ1，就要提高 T2 发射极电位。,一、直接耦合放大电路静态工作点的设置,4,(1)T2射极串接Re2,(2)T2射极串接D,5,(3)T2射极串接稳压管DZ,6,常采用NPN管和PNP管混合使用的方法，解决共射电路集电极点位逐渐升高以至接近Vcc,获得合适的工作点。,(1)具有良好的低频特性,可放大交流信号、缓慢变 化的信号及直流信号。,优点：,(2)便于集成放大电路。,缺点：,(1)各级静态工作点相互影响,给电路的分析设计 和调试带来一些困难。,(2)直接耦合放大电路存在零点漂移问题。,二、直接耦合方式的优缺点,7,阻容耦合,阻容耦合放大电路,第 一 级,第 二 级,1.优点：各级静态工作点相互独立,在求解或实际调试Q点 时,可分别按单级处理,所以分析、设计和调试方 便,在分立元件电路中广泛应用。,2.缺点:(1)低频特性差,不能放大缓慢变化的信号和直流信 号,只能放大交流信号。(2)在集成电路中制造大容量电容困难,所以阻容耦 合方式不便于集成化。,8,变压器耦合,变压器耦合共射放大电路,变压器耦合优缺点与阻容耦合相同,但是变压器耦合可以实现阻抗变换,在分立元件功率放大电路中广泛应用。,9,变压器耦合的阻抗变换,10,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。,光电耦合器及其传输特性,发光元件,光敏元件,3.1.4光电耦合,（传输比）小,一、光电耦合器,11,二、光电耦合放大电路,信号源部分可以是真实的信号源，也可以是前级放大电路。当动态信号为零时，输入回路有静态电流 IDQ，输出回路有静态电流 ICQ，从而确定出静态管压降UCEQ。,当有动态信号时，随着 iD 的变化,ic 将产生线性变化，电阻 RC 将电流的变化转换成电压的变化。,12,多级放大电路的动态分析,前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗,后级的输入阻抗是前级的负载,1.两级之间的相互影响,2.电压放大倍数,在算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载。,3.2,注：,13,3.输入电阻,4.输出电阻,Ri=Ri1（最前级）,Ro=Ron（最后级）,14,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=0.6V)及电路的动态参数。,例1:,15,两级放大电路的静态值可分别计算。,解:,第一级是射极输出器:,16,第二级是分压式偏置电路,17,计算 r i和 r0,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即是第二级输入电阻 ri2。,18,小信号等效电路,19,20,求各级电压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,21,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,22,一、零点漂移现象及其产生的原因,直接耦合时，输入电压为零，但输出电压离开零点，并缓慢地发生不规则变化的现象。,零点漂移现象,放大电路级数愈多，放大倍数愈高，零点漂移问题愈严重。,直接耦合放大电路,直接耦合放大电路的零点漂移现象,3.3,1.零点漂移现象,23,在直接耦合电路中，前级的零漂将被逐级放大，从而在输出端可能将有用的信号淹没，严重时甚至使后级电路进入饱和或截止状态而无法正常地工作。所以要抑制零点漂移。,由温度变化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，因而零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。,2.产生零点漂移的原因,24,二、抑制温度漂移的方法,1.在电路中引入直流负反馈,如 静态工作点稳定电路 中RE的作用;,2.利用热敏元件补偿放大器的零漂;,利用热敏元件补偿零漂,3.采用差分放大电路。,25,1.电路的组成及特点,它由两个对称的基本共射电路组成。,（1）T1、T2 特性对称。,（2）对应电阻元件的阻值对称。,（3）电路具有两个输入端和两 个输出端。,2.工作原理,(1)抑制零点漂移,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。,3.3.2 差分放大电路,一、基本差分放大电路,26,可见，差分放大电路能抑制零点漂移。,27,（2）输入信号分类,当uI1和uI2为大小相等极性相同的输入信号,称为共模输入 信号。,当uI1和uI2为大小相等极性相反的输入信号,称为差模 输入信号。,当uI1和uI2既非共模亦非差模,可将他们等效为一对共模 分量和一对差模分量,即,(3)对差模信号的放大作用,由于,可见,对差模信号实现电压放大。也称差分放大电路为差动放大电路。,28,二、长尾式差分放大电路,1.问题的提出,基本差分电路存在的问题:,(1)基本差分放大电路单靠电路的对称性来抑制零漂是有限度的。,(2)每个管子的集电极对地电压的漂移并未受到抑制。若采用单端输出，漂移根本无法抑制。改进的方向应该着重在如何使每个管子的漂移尽量地小。前述具有发射极反馈电阻Re的工作稳定电路，就能抑制温度变化对静态工作点的影响。,2.电路的引出,在基本差分放大电路的基础上加一个射极电阻，如图示，好象从发射极拖出一个尾巴，所以称为长尾式电路。它是典型的差分放大电路。,29,(1)Re 的作用,Re的负反馈作用，可抑制每个管子的漂移范围，进一步减少零漂。对于差模信号，由于管子对称，所以对差模信号没有负反馈作用，所以Re称为共模负反馈电阻。Re对差模信号相当于短路。,(2)VEE的作用,R愈大，共模负反馈作用愈大，每个管子的零漂愈小。但是，输出电压变化范围减小。为保证输出电压变化范围，引入负电源VEE来 补偿R上的直流压降。,30,3.静态分析,直流通路,31,温度漂移等效成共模信号。可见，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。,4.对共模信号的抑制作用,当输入共模信号时，,则,可见，Re对共模信号起负反馈作用；且每边管子发射极等效电阻为Re。,32,Re中电流不变，即Re对差模信号无反馈作用。相当于接“地”。,5.对差模信号的放大作用,分析时注意二个“虚地”,负载电阻的中点电位在差模信号作用下不变，相当于接“地”。,33,双端输出时的差模电压放大倍数是半边差模等效电路的电压放大倍数。,共模抑制比,双端输出，理想情况,34,6.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。,35,三、差分放大电路的四种接法,（）双入、双出,（）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？,36,1双端输入、单端输出,可为零！,(1)静态工作点,IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时相同。,37,(2)差模动态参数,单端输出时的电压放大倍数，是半边差模等效电路电压放大倍数的一半。,问题：如输出信号取自T2管的集电极，动态分析结果如何？,38,(3)共模动态参数,在共模信号的作用下，Re上的电流变化量为2iE，产生的电压变化量为2iE Re，对每只管而言，可认为是iE流过阻值为2Re的射极电阻。,39,共模输入电阻：共模情况，两输入端是并联的，因此,共模动态参数,增大Re是改善共模抑制比的基本措施,40,(1)静态分析,2.单端输入、双端输出,与双入双出的一样,IEQ1=IEQ2=(VEEUBEQ)2Re；,UCEQ1=UCEQ2VCC+VEE(RC+2RE)IEQ,uo=0,IBQ1=IBQ2=IEQ1/(1+),单端输入、双端输出电路,41,可见，Q点以及动态参数的分析与双入双出的一样。,（2）动态分析,42,（1）静态分析:,与双入单出的一样,IEQ=(VEEUBEQ)2Re；,其中 VCQ1=VCCRL(RC+RL)ICQRLRC(RC+RL),3.单端输入、单端输出,单端输入单端输出电路,(2)动态分析：,IBQ1=IBQ2=IEQ1/(1+),UCEQ2=VCCVEQ2=VCC+UBEQ,43,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：,差动放大器动态参数计算总结,(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：,44,(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,单端输出时 双端输出时,45,(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：,(6)单端输入时，若输入信号为 uI，则uId=uI;同时,46,四、改进型差分放大电路,1.长尾式放大电路存在的问题,长尾式电路是靠电路对称性和 Re 共模负反馈作用来抑制零漂的，Re 愈大，抑制零漂效果愈好，但要保证静态工作点和电路正常工作，负电源 VEE 也应愈高。因此，既要稳定电流的作用好，又希望负电源 VEE不要过高，就成为需要进一步改进的问题。,2.恒流源的引出,Re 负反馈是稳流作用，即电流为一恒定值。用恒流源替代 Re 可解决长尾电路存在的问题，从而较好的抑制共模信号的变化。如图示,具有恒流源的差分放大电路。,47,3.电路分析,（1）静态分析,求静态工作点应该首先从恒流源开始。T3、R1、R2、R3 组成工作点稳定电路，因满足I2IB3，R2上的电压为,48,(2)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,49,具有电流源的差分放大电路,简化画法,50,总 结,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,51,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。,52,3.3.3直接耦合互补输出级,一、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,对电压放大电路的输出级要求:（1）输出电阻低。（2）最大不失真输出电压尽可能大。共集电极电路虽低,但带负载后Q点变化,且输出不失真电压将减小。便产生双向跟随的互补输出级。,53,二、消除交越失真的互补输出级,消除交越失真思路：,电路：,由于二极管的动态电阻很小，可近似认为信号无损失地加到两管的基极。,54,消除交越失真的其它电路,UBE倍增电路,合理选择R3、R4的值，可得到UBE3、任意倍直流电压，故称为UBE倍增电路。,55,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。,56,这里介绍的互补输出级(简称互补电路)常做为功率放大电路,也称OCL(第九章介绍)。,图为复合管的准互补输出级，OCL电路。,注：,57,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。,58,（）直接耦合多级放大电路分析,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。,59,（）动态参数计算,rbe6,rbe7,60,则,若,则,可见，电压放大作用是依靠晶体管的电流放大作用实现的。,自测题三（见书P179）,61,解：,(1),62,63,P182 习题3.6,解：,双入双出差分放大电路,64,P182 习题3.7,解：,双入单出差分放大电路,65,P182 习题3.10,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,66,67,本章基本要求,（1）理解以下概念及定义：零点漂移与温度漂移，共模信号与共模放大倍数，差模信号与差模放大倍数，共模抑制比，互补。,（3）理解差分放大电路的组成和工作原理，掌握静态和动态参数的分析方法。,（4）理解互补输出级（OCL电路）的正确接法和输入 输出关系。,（2）理解各种耦合方式的优缺点，能够正确估算多级放大电路的。,