教学课件PPT多级放大电路1.ppt
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1、,第3单元 多级放大电路,【学习目标】1理解多级放大电路的结构特点,掌握多级放大电路的耦合方式与分析方法。2掌握差动放大电路的结构与工作原理,理解差模、共模等的概念,为集成运算放大电路的学习打好基础。3掌握放大电路中反馈的种类与判断方法,理解负反馈对放大电路的影响。4理解效率与甲类、乙类、甲乙类放大电路的关系,掌握功率放大电路的结构、特点。5学习使用集成功率放大器。,项目一级间负反馈放大电路及测试,一、项目导入当需要大的电压放大倍数时,是否能将两个共发射极放大电路按第一级接入第二级的形式连接,分两次逐级进行放大呢?,项目一级间负反馈放大电路及测试,答案是肯定的。根据3种基本放大电路的特点,可以
2、采取组合使用的方法来获取更好的电路特性。这种由多个基本放大电路构成的电路称为多级放大电路,信号按传递方向逐级进行放大,可以获得大的电压增益。,项目一级间负反馈放大电路及测试,二、相关知识(一)多级放大电路的耦合方式1多级放大电路实际应用的放大电路应该可以对输入信号进行采集,然后将电压放大并输出驱动负载,常见的电路结构如图3-1所示。,项目一级间负反馈放大电路及测试,图3-1 多级放大电路结构示意图,图3-2 两级放大电路结构图,项目一级间负反馈放大电路及测试,项目一级间负反馈放大电路及测试,信号源与第一级放大电路构成第一个基本放大电路,作戴维南等效电路时,第二级的输入电阻Ri2相当于第一个基本
3、放大电路戴维南等效电路的负载;而第二个基本放大电路由第一级的输出、第二级和负载构成,作戴维南等效电路时,第一级放大电路的输出电阻Ro1相当于此戴维南等效电路的信号源内阻。,项目一级间负反馈放大电路及测试,2多级放大电路的耦合方式既然多级放大电路由若干个基本放大电路级联构成,那么它们之间必须传递信号,级与级之间传递信号的方式称为耦合方式。电路的耦合方式一般有以下几种。,项目一级间负反馈放大电路及测试,(1)阻容耦合。阻容耦合是指各级之间通过耦合电容和下一级的输入电阻连接。优点是各级静态工作点互不影响,可单独调整、计算,且不存在零点漂移问题;缺点是不能用来放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号,
4、且不能用在集成电路中。,项目一级间负反馈放大电路及测试,(2)直接耦合。直接耦合是指各级之间直接用导线连接。优点是可放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号,且宜于集成;缺点是各级静态工作点互相影响,且存在零点漂移问题,即当ui=0时,uo0(有静态电位)。引起零点漂移的原因主要是三极管参数(ICBO、UBE、)随温度的变化、电源电压的波动、电路元件参数的变化等。,项目一级间负反馈放大电路及测试,(3)变压器耦合。采用变压器耦合可以隔除直流,传递一定频率的交流信号,因此各放大级的静态工作点互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配,以获得有效的功率传输。,项目一级间负反馈放大电
5、路及测试,例3-1 图3-5所示的多级放大电路中,已知Ucc=12V,RB1=RB1=20k,RB2=RB2=10k,RC1=RC2=2k,RE1=RE2=2k,RL=2k,,UBE1=UBE2=0.6V。(1)求前、后级放大电路的静态值。(2)画出微变等效电路。(3)求各级电压放大倍数、和总电压放大倍数,项目一级间负反馈放大电路及测试,这是一个阻容耦合的两级放大电路,电路结构中的第一级和第二级都是一个带分压式偏置的共射放大电路。由于有电容C1、C2、C3的存在,静态的时候信号源、第一级、第二级和负载之间的直流关系是开路的状态,因此它们每级的静态工作点是独立的;动态时,电容的容抗很小,近似于短
6、路,因此交流信号可以通过电容逐级传递。分析和计算该电路也分为静态分析和动态分析。,项目一级间负反馈放大电路及测试,1.静态分析静态工作点,第一级与第二级放大电路的偏置一样而且采用电容耦合,因此静态工作点一样,项目一级间负反馈放大电路及测试,2.动态分析。注意第一级的负载电阻就是第二级的输入电阻,即RL1=ri2。画微变等效电路,项目一级间负反馈放大电路及测试,根据静态工作点计算得出:,项目一级间负反馈放大电路及测试,项目一级间负反馈放大电路及测试,(二)差动放大电路直接耦合电路结构简单,广泛应用于集成电路中,由于没有了电容容抗,因此它的低频特性好。但是直接耦合存在两个问题:前后级静态工作点相互
7、影响和零点漂移。,项目一级间负反馈放大电路及测试,零点漂移是指输入信号电压为零时(ui=0,可以理解为输入接地),输出电压发生缓慢地、无规则地变化的现象。产生的原因有晶体管参数随温度变化、电源电压波动、电路元件参数的变化等。一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电压作为衡量零点漂移的指标,即 uod为输出端漂移电压,Au为电压放大倍数,uid为输入端等效漂移电压。很明显,uid越小,说明零点漂移现象越弱,电路特性越好。,项目一级间负反馈放大电路及测试,1差模信号和共模信号的概念,差动放大电路是一个双口网络,每个端口有两个端子,可以输入两个信号,输出两个信号。,差模信号是指大小相等,相位相反的
8、两个信号。共模信号是指大小相等,相位相同的两个信号。,项目一级间负反馈放大电路及测试,两个输入端输入信号ui1和ui2令uid=ui1ui2(3-1)uic=ui1+ui2(3-2)根据式(3-1)和式(3-2)可以得到因此,任意两个输入端的信号均可分解为差模信号和共模信号两部分。,项目一级间负反馈放大电路及测试,2差动放大电路的主要指标(1)差模电压放大倍数Aud。其定义为(2)共模电压放大倍数Auc。其定义为(3)共模抑制比KCMR。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号、抑制共模信号的能力,需引入一个新的量共模抑制比,用KCMR表示,其定义式为此定义表示共模抑制比越大,差动放大电路放大差模
9、信号的能力越强,抑制共模信号的能力也越强。(4)差模输入电阻rid。差模输入电阻是指在差模信号下等效的输入电阻,定义为(5)差模输出电阻rod。差模输出电阻是指在差模信号下等效的输出电阻,定义为(6)共模输入电阻ric。共模输入电阻是指在共模信号下等效的输入电阻,定义为,项目一级间负反馈放大电路及测试,在差动放大电路中,放大的是差模信号,而共模信号是不被放大的,这也是差动放大器最显著的特点。,电路由两个完全对称的三极管与偏置电阻组成。VT1、VT2是一对完全相同的三极管,RC1与RC2也完全一样,因此看上去电路是一种左右镜像对称的结构。从结构上,电路可以分解成一左一右完全一样的两个共射放大电路
10、,如图3-9所示,分别输入ui1、输入ui2;输出uo1、输出uo2,最终电路输出uo=uo1uo2。,项目一级间负反馈放大电路及测试,(1)静态分析。静态偏置电路由UCC、UEE、RC1、RC2、RE组成,由于对称的两个共射放大电路静态偏置电流IB1=IB2,IC1=IC2,两管的集电极UC1=UC2,因此静态时(无输入信号,Ui1=Ui2=0V),Uo=UC1UC2=0V,理想情况下有严格的对称性,保证了零输入零输出,解决了零点漂移现象的问题,项目一级间负反馈放大电路及测试,静态时,输入短路,由于流过电阻RE的电流为IE1和IE2之和,且电路对称,IE1=IE2,根据电路可得,项目一级间负
11、反馈放大电路及测试,(2)动态分析。前面提到差动放大电路不放大共模信号,仅放大差模信号,该电路是如何做到呢?根据前面的知识,任意两个信号都可以分解成差模信号与共模信号的叠加,那么我们可以分别输入两类信号进行讨论。,项目一级间负反馈放大电路及测试,差模信号。输入一对大小相等、极性相反的差模信号,比如ui1=ui2=uid/2,由于电路对称,在三极管VT1、VT2也会放大产生一对大小相等、极性相反的交流信号,在E这一点两信号相交,彼此抵消,因此交流时E点的对地电位为零,相当于接地;在输出端,经过负载RL的情况也一样,在RL/2处两差模信号相交,交流对地电位为零。根据放大电路动态分析的方法,直流电压
12、源短接接地,可以画出差模输入的交流通路,项目一级间负反馈放大电路及测试,单独分析其中一个共射放大电路,可以很容易计算出VT1、VT2的电压放大倍数,即,ui1=ui2,uo=uo1uo2,可见差模放大倍数和单管的电压放大倍数在数值上是一样的。,项目一级间负反馈放大电路及测试,共模信号。输入一对大小相等、极性相同的信号,即ui1=ui2=uic,此时对称电路中的信号不再是极性相反的信号,而是完全一样的交流信号,E点不再是交流对地零点了,电阻RE有电流经过,根据基尔霍夫电流定律,流经RE的电流iE=iE1+iE2=2iE1,因此电阻RE要出现在共模信号的交流回路中,而且相对阻抗相当于增加了一倍,这
13、是与差模交流通路的一个不同点。由于左右两电路处处相同,输入信号ui1=ui2,因此uo1=uo2,而uo=uo1uo2=0,可以得出结论:输入共模信号时,差动放大电路输出为零,也就是说它对共模信号是不放大的。,项目一级间负反馈放大电路及测试,为什么差动放大电路要放大差模信号,而不要放大共模信号呢?这是因为共模信号是我们不需要的信号,比如在电路中出现的干扰噪声,在输入端的大小和相等,极性都一样相同,它加于在差动放大电路上就是一种共模信号。还有,差分电路的静态偏置电压、电流,也是一种大小和相等,极性一样相同的直流分量,属于共模信号,当电源出现波动时,直流偏置必然受到影响,但是影响在差分电路中都是一
14、致的,这种波动产生的电压、电流变化也属于共模信号,由于共模信号不放大,这种影响不会导致差模放大倍数的变化。,但是实际电路要做到理想对称是不可能的,因此往往uo1uo2,即uo=uo1uo20,于是有了共模放大倍数Auc和共模抑制比,共模抑制比用以表示该电路对共模信号的抑制能力,项目一级间负反馈放大电路及测试,例3-2 图所示电路参数理想对称,晶体管三极管的值均为50,=100,UBEQ0.7V。试计算RP滑动端在中点时VT1管和VT2管的发射极静态电流IEQ以及动态参数Ad和Ri。,RP滑动端在中点时VT1管和VT2管的发射极静态电流分析如下:,解:,项目一级间负反馈放大电路及测试,Ad和ri
15、分析如下:,例题中的RP应用在实际电路中是可调的,可以调节电路参数的对称性,以改善电路的零漂特性。,项目一级间负反馈放大电路及测试,例3-3 图3-13所示电路参数理想对称,1=2=,rbe1=rbe2=rbe。(1)写出RP的滑动端在中点时Ad的表达式;。(2)写出RP的滑动端在最右端时Ad的表达式,并比较上述两个结果有什么不同。,项目一级间负反馈放大电路及测试,解:(1)RP的滑动端在中点时,Ad的表达式为(2)RP的滑动端在最右端时,所以Ad的表达式为比较上述两个结果可知,两种情况下的Ad完全相等;但第二种情况下的,项目一级间负反馈放大电路及测试,4差分式动放大电路的输入、输出方式(1)
16、单端输入、双端输出模式。,在这种模式下,信号输入到一个输入端,另一个输入端不作输入且接地,输出端仍然是由uo1、uo2输出,uo=uo1uo2。,项目一级间负反馈放大电路及测试,在差分式放大电路的单端输入模式下输入一个信号ui,即ui1=ui,ui2=0 V,根据前面的知识,信号可以写成ui1=ui/2+ui/2,ui2=ui/2ui/2,由一对差模信号和一对共模信号加在放大器的两输入端。由此可见,单端输入下,相当于在两输入端输入了ui/2的差模信号,而共模信号不被放大,因此,单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似基本一致。,各指标也近似基本相同。,项目一级间负反馈放大电路及测试,(2)双端
17、输入、单端输出模式。单端输出就是输出信号只取uo1或者 uo2,即只取其中一个三极管的集电极输出,如图所示。因为单端输出时,仅取一管的集电极电压作为输出,使两管的零点漂移不能在输出端互相抵消,所以相对于双端输出模式共模抑制比相对较低。,项目一级间负反馈放大电路及测试,差模信号下的交流通路,双管的发射极仍然当作交流对地零电位,由于输出只使用了uo1,所以单端输出时差动放大电路的差模电压放大倍数为 称为反相输出,若使用uo2,则是,称为同相输出共模信号下呢?很明显电路的输出只使用了一个uo1,因此电路失去对称性。,项目一级间负反馈放大电路及测试,由于两管在发射极上的信号相位一致,发射极不再是交流对
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