1、2022年12月8日星期四【电子教案【电子教案-模拟电子技模拟电子技术】第三章多级放大电术】第三章多级放大电路和集成电路运路和集成电路运级间耦合问题级间耦合问题多级放大电路的分析多级放大电路的分析3.1多级放大电路多级放大电路 为什么要多级放大？为什么要多级放大？在第2章，我们主要研究了由一个晶体管组成基本放大电路，它们的电压放大倍数一般只有几十倍。但是在实际应用中，往往需要放大非常微弱的信号，上述的放大倍数是远远不够的。为了获得更高的电压放大倍数，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”，而级与级之间的连接方式则叫做“耦合方式”。实际上，单级放
2、大电路中也存在电路与信号源以及负载之间的耦合问题。引言引言极间耦合形式：极间耦合形式：直接直接耦合耦合A1A2电路简单，能放大交、直流电路简单，能放大交、直流信号，信号，“Q”互相影响，零点互相影响，零点漂移严重。漂移严重。阻容阻容耦合耦合A1A2各级各级“Q”独立，只放大交流独立，只放大交流信号，信号频率低时耦合电信号，信号频率低时耦合电容容抗大。容容抗大。变压变压 器器耦合耦合A1A2用于选频放大器、用于选频放大器、功率放大器等。功率放大器等。1、阻容耦合、阻容耦合阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，其阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，其方框图所示。方框图所示。阻容耦合放
3、大电路的方框图单级阻容耦合放大电路两极阻容耦合放大电路1）各级的直流工作点相互独立。由于电容器隔直流而 通交流，所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的，这样就给设计、调试和分析带来很大方便。2）在传输过程中，交流信号损失少。只要耦合电容选得 足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地 加到后 级，实现逐级放大。优点：优点：3）电路的温漂小。4）体积小，成本低。缺点：缺点：2）低频特性差；1）无法集成；3）只能使信号直接通过，而不能改变其参数。2、变压器耦合变压器耦合变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧，因此可以作为耦合元件。变压器耦合的两级放大电路为什么要讲变压器耦合？为
4、什么要讲变压器耦合？因为变压器在传送交流信号因为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。的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。图4-5 变压器的等效电路工作原理：优点优点：1）变压器耦合多级放大电路前后级的静态变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立、互不影响的。工作点是相互独立、互不影响的。因为变压器不能传送直流信号。2）变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。3）变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、）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。电压以及阻抗变换。缺点：缺点：1）高频和低频性能都
5、很差；）高频和低频性能都很差；2）体积大，成本高，无法集成。）体积大，成本高，无法集成。3 直接耦合直接耦合直接耦合和两级放大电路存在两个问题：存在两个问题：1）第一级的静态工作点已接近饱和区。2）由于采用同种类型的管子，级数不能太多。（1）直接耦合的具体形式为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。（a）RRB1C1uiuoTT12UCE1E2RRC2(a)加入电阻加入电阻RE2RRB1C1R C2uiuoTT12RUz z+VDz zCC（b）在）在T2的发射极加入稳压管的发射极加入稳压管RRB1C1R E2uiuoTT12RC2VCC+为了解决第二个
6、问题：可以在电路中采用不同类型为了解决第二个问题：可以在电路中采用不同类型的管子，即的管子，即NPN和和PNP管配合使用，如下图所示管配合使用，如下图所示。利用利用NPN型管和型管和PNP型管进行电平移动型管进行电平移动（1）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号号。由于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。（2）便于集成便于集成。由于电路中只有晶体管和电阻，没有电容器和电感器，因此便于集成。缺点：缺点：优优点点：（1）各级的静态工作点不独立，相互影响。会给设计、计算和调试带来不便。（2）引入了零点漂移问题。零点漂移对直接耦合放大电路的影响比
7、较严重。（2）直接耦合放大电路的优缺点）直接耦合放大电路的优缺点（3）直接耦合放大电路中的零点漂移问题）直接耦合放大电路中的零点漂移问题1）何谓零点漂移？）何谓零点漂移？2）产生零点漂移的原因）产生零点漂移的原因3）零点漂移的严重性及其抑制方法）零点漂移的严重性及其抑制方法电阻，管子参数的变化，电源电压的波动。如果采用高精度电阻并经经过老化处理和采 用高稳定度的电源，则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点
8、漂移。注意：为什么只对直接耦合多级放大电注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变输出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多
9、时，造成的影响化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。尤为严重。抑制零点漂移的方抑制零点漂移的方法：法：1）采用恒温措施，使晶体管工作温度稳定。需要恒温室或槽，因此设备复杂，成本高。2）采用温度补偿法。就是在电路中用热敏元件或二极管（或晶体管的发射结）来与工作管的温度特性互相补偿。最有效的方法是设计特殊形式的放大电路，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“差动放大电路”的设计思想。3）采用直流负反馈稳定静态工作点。4）各级之间采用阻容耦合。4）零点漂移大小的衡量）零点漂移大小的衡量uIdr=uOdr/Au TuOdr是输出端的漂移电压；uIdr就是温度每变化1
10、折合到放大电路输入端的漂移电压。T是温度的变化；Au是电路的电压放大倍数；思路：根据电路的约束条件和管子的思路：根据电路的约束条件和管子的IB、IC和和IE的相互的相互关系，列出方程组求解。如果电路中有特殊电位点，则关系，列出方程组求解。如果电路中有特殊电位点，则应以此为突破口，简化求解过程。应以此为突破口，简化求解过程。3.1.2多级放大电路的分析多级放大电路的分析1、静态工作点的分析、静态工作点的分析变压器耦合变压器耦合 同第二章单级放大电路同第二章单级放大电路阻容耦合阻容耦合直接耦合直接耦合如图所示的两级电压放大电路，如图所示的两级电压放大电路，已知已知1=2=50,T1和和T2均为均为
11、3DG8D。RB1C1C2RE1+RC2C3CE+24V+T1T21M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k oU.Ui.解解:两级放大电路的静态值可分别计算。两级放大电路的静态值可分别计算。RB1C1C2RE1+RC2C3CE+24V+T1T21M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k oU.Ui.解解:RB1C1C2RE1+RC2C3CE+24V+Ui.T1T21M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k oU.2、动态性能分析、动态性能分析Au1第一级第一级Au2第二级第二级Aun末末 级级uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii=Au1Au2
12、AunAu1(dB)=Au1(dB)+Au2(dB)+Aun(dB)考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!（1）放大倍数的计算（2）输入和输出电阻的计算多级放大电路的多级放大电路的输入电阻输入电阻为第一级放大电路的输入电阻。为第一级放大电路的输入电阻。多级放大电路的多级放大电路的输出电阻输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻。为最后一级放大电路的输出电阻。如图所示的两级电压放大电路，如图所示的两级电压放大电路，已知已知1=2=50,T1和和T2均为均为3DG8D
13、。RB1C1C2RE1+RC2C3CE+24V+T1T21M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k oU.Ui.（1 1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数2bI2cIrbe2RC2rbe1RB11bI1cIRE1+_+_+_Ui.oU.o1U.总电压放大倍数总电压放大倍数2bI2cIrbe2RC2rbe1RB11bI1cIRE1+_+_+_Ui.oU.o1U.2bI2cIrbe2RC2rbe1RB11bI1cIRE1+_+_+_Ui.oU.o1U.由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等于第一级
14、的输入电阻等于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出器，。第一级是射极输出器，它的输入电阻它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻即是第二级输入电阻 ri2。2bI2cIrbe2RC2rbe1RB11bI1cIRE1+_+_+_Ui.oU.o1U.2bI2cIrbe2RC2rbe1RB11bI1cIRE1+_+_+_Ui.oU.o1U.1=60,2=100;rbe1=2 k,rbe2=2.2 k。求求 Au,Ri,Ro。例例 3:解解 Ri2=R6/R7/rbe2R L1=R3/Ri2AU=AU1AU2Ri=Ri1=R1/R2/rbe1
15、+(1+1)R4Ro=R8=4.7 k 3、三种耦合方式放大电路的应用场合、三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。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。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。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。为了抑集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式。为了抑制零漂，它的输入级采用特殊形式的差动放大电路。制零漂，它的输入级采用特殊形式的差动放大电路。3.2.1 差分放大电路的工作原理
16、差分放大电路的工作原理3.2.3 具有恒流源差分放大电路具有恒流源差分放大电路3.2.2 差分放大电路的输入输出形式差分放大电路的输入输出形式3.2.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理(Differential Amplifier)一一 电路组成及抑制零漂的工作原理电路组成及抑制零漂的工作原理1、电路组成、电路组成 特点：特点：a.两只完全相同的两只完全相同的管子；管子；b.两个输入端，两个输入端，两个输出端；两个输出端；c.元件参数对称；元件参数对称；2、抑制零漂的工作原理、抑制零漂的工作原理 原理：原理：静态时，输入信号为零，即将输入端静态时，输入信号为零，即将输入端和短接。
17、由于两管特性相同，所以当温度或其他外界和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流条件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和和ICQ2的变化的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始始终相等，从而使终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂，因此消除了零点漂移。移。具体实践：具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。结论：结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是
18、说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。3、信号的输入方式和电路的响应、信号的输入方式和电路的响应（1）差模输入方式）差模输入方式Ui1=Uid，Ui2=Uid差模输入信号为差模输入信号为Ui1 Ui2=2 Uid差模输入方式若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：ui1ib1 ic1 uc1ui2 ib2 ic2 uc2 输出电压uO=uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。定义：定义：Ad=Uod/2Uid结论：差模电压放大倍数结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。等于半电路电压放大倍数。（2）共模输入方）共模输入方式式Ui1=Ui2=
19、Uic在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。ui1=ui2=0，uo=0Ui1=Ui2=Uic时，时，Uoc=0。定义：定义：Ac=Uoc/Uic共模输入方式下的差放电路Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为为0，实际上，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般，一般Ac1。既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用下，Uo
20、c=0或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。（3）任意输入方式）任意输入方式 输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若若则则Uid=(Ui1-Ui2)/2任意输入方式（3）任意输入方式）任意输入方式 输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。Uic=(Ui1+Ui2)/2Ui1=Uic+UidUi2=Uic+（-Uid）若若则则Uid=(Ui1-Ui2)/2例如例如：Ui1=10mVUi2=6mV则则 Uid=2mV Uic=8mV
21、利用叠加原理得到利用叠加原理得到：Uo=Ad2Uid+AcUic=Ad（Ui1-Ui2）结论：在任意结论：在任意输入方式下，输入方式下，被放大的是输被放大的是输入信号入信号Ui1和和Ui2的差值。这的差值。这也是这种电路也是这种电路为什么叫做为什么叫做“差差动放大的原因动放大的原因”。（4）存在的问题及改进的方案）存在的问题及改进的方案以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而
22、这种与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出单端输出”方式的形式又是经常采用的。方式的形式又是经常采用的。稳定静态工作点，就是要减小稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是的变化，而抑制零点漂移也同样是减小减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如图这样，基本的差动放大电路就改进为如图4-15所示。所示。图4-15可以想见，可以想
23、见，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越小。越大，则工作点越稳定，零点漂移也越小。但，但，RE太大，在一定的工作电流下，太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太大，上的压降太大，管子的动态范围就会变小，如图管子的动态范围就会变小，如图4-16所示。为了保证一所示。为了保证一定的静态工作电流和动态范围，而定的静态工作电流和动态范围，而RE又希望取得大些，又希望取得大些，常采用双电源供电，用电源常采用双电源供电，用电源VEE提供提供RE上所需的电压。上所需的电压。采用双电源供电后的的负载线也如图采用双电源供电后的的负载线也如图4-16所示，可以看所示，可以看出在同一个出在同一个ICQ下，输出电压
24、的动态范围大多了。下，输出电压的动态范围大多了。改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路。改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路。射极耦合差动放大电射极耦合差动放大电路路因为有负电源因为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压，所以提供发射极正偏所需要的电压，所以RB可可以去掉。以去掉。VT1和和VT2的射极之间还接入了电位器的射极之间还接入了电位器RW，用于电，用于电路调零。路调零。二二 射极耦合差动放大电路的静态分析射极耦合差动放大电路的静态分析静态工作点的计算：静态工作点的计算：忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0V三三 射极耦合差动放大电路的动态分析射极耦合差动放大电路的动态
25、分析以双端输入双端输出为例。以双端输入双端输出为例。在讨论基本差动放大电路时已经讨论过在讨论基本差动放大电路时已经讨论过（1）Ad=Ad1（2）对于任意输入信号）对于任意输入信号Ui1和和Ui2，可以用一个差模信号和，可以用一个差模信号和一个共模信号叠加来表示。其中一个共模信号叠加来表示。其中Uid=(Ui1-Ui2)/2Uic=(Ui1+Ui2)/2因此总是分别求电路的差模电压放大倍数和共模因此总是分别求电路的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数。电压放大倍数。1、差模电压放大倍数、差模电压放大倍数关键在于画出差模信号作用下，半电路的交流通路和微变关键在于画出差模信号作用下，半电路的交流通路和
26、微变等效电路。等效电路。A、对差模信号，若一管的射极电流增大、对差模信号，若一管的射极电流增大I，则另一管的射极电流必然减小则另一管的射极电流必然减小I，因而流过，因而流过射极电阻射极电阻RE的总电流不变，即的总电流不变，即RW的滑动端的滑动端C点的电位恒定，相当于交流接地。点的电位恒定，相当于交流接地。B、负载、负载RL中点电位为交流地电位。中点电位为交流地电位。解释原因。解释原因。由此画出半电路的交流通路如图所示。由此画出半电路的交流通路如图所示。图4-192、共模电压放大倍数、共模电压放大倍数在理想情况下，共模电压放大倍数在理想情况下，共模电压放大倍数Ac=0。3、差模输入电阻、差模输入
27、电阻Rid图4-20 差模输入电阻的等效电路Rid=2R1+rbe+(1+)Rw/24、差模输出电阻、差模输出电阻Rod=2RC5、共模输入电阻、共模输入电阻 6、共模输出电阻、共模输出电阻Roc=2RC10、差动放大电路的电压传输特性、差动放大电路的电压传输特性差放双入双出电压传输特性差放双入双出电压传输特性7、共模抑制比、共模抑制比KCMR=Ad/Ac 用分贝表示：KCMR=20lg Ad/AcAd越大越好，越大越好，Ac越小越好，因此越小越好，因此KCMR越大越好越大越好。8、最大共模输入电压、最大共模输入电压UICM9、最大差模输入电压、最大差模输入电压UIDM3.2.2.差分放大电路
28、的输入输出形式差分放大电路的输入输出形式 差动放大器共有四种输入输出方式差动放大器共有四种输入输出方式:1.双端输入、双端输出（双端输入、双端输出（双入双出双入双出）2.双端输入、单端输出（双端输入、单端输出（双入单出双入单出）3.单端输入、双端输出（单端输入、双端输出（单入双出单入双出）4.单端输入、单端输出（单端输入、单端输出（单入单出单入单出）主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻差模输入电阻 输出电阻输出电阻1.双端输入双端输出双端输入双端输出(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）共模电压放大倍数）共
29、模电压放大倍数（3）差模输入电阻）差模输入电阻（4）输出电阻）输出电阻输入幅值不同，如何处理2.双端输入单端输出双端输入单端输出 这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。(1)差模电压放大倍数差模电压放大倍数（2）差模输入电阻）差模输入电阻（3）输出电阻）输出电阻（4）共模电压放大倍数）共模电压放大倍数共模等效电路：共模等效电路：3.单端输入双端输出单端输入双端输出单端输入等效双端输入单端输入等效双端输入:因为右侧的因为右侧的Rb+rbe归算到发射极归算到发射极回路的值回路的值(Rs+rbe)/(1+)u时，时，uo=Uomaxu+80 dB7)最大差模输入电压最大差模输入电压 UIdM
30、共模输入共模输入 U IC 过大，过大，K CMR下降下降当当 UId 过大时，反偏的过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击穿结可能因反压过大而被击穿。NPN 管管 UIdM=5 V横向横向 PNP 管管 UIdM=30 VCF741 为为 30 V8)最大共模输入电压最大共模输入电压 UICM9)最大输出电压幅度最大输出电压幅度 UOPP输出级为输出级为 OCL 电路电路一般比电源电压小一个一般比电源电压小一个 UCE(sat)如电源电压如电源电压 15 V，U OPP 为为 13 14 VCF741 为为 13 V二二、集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项(一一)集成运放的封装和
31、引脚排列集成运放的封装和引脚排列封装形式封装形式:金属圆形、双列直插式、扁平式金属圆形、双列直插式、扁平式封装材料封装材料:陶瓷、金属、塑料陶瓷、金属、塑料例例:塑封双列直插式塑封双列直插式(DIP)CF741DIPDual In-Line Pakage(二二)集成运放使用注意事项集成运放使用注意事项1.查阅手册了解引脚的排列及功能；查阅手册了解引脚的排列及功能；2.检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电电 源短路；源短路；3.输入信号应远小于输入信号应远小于 UIdM 和和 UICM，以防阻塞或损，以防阻塞或损 坏器件；坏器件；4.电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；5.输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流 放大需调零。放大需调零。小小 结结第第 3 章章
