电子科大模电第3章-多级放大电路

第 三 章 多 级 放 大 电 路第 三 章 多 级 放 大 电 路 第 三 章 多 级 放 大 电 路 3.1 多 级 放 大 电 路 的 耦 合 方 式 3.2 多 级 放 大 电 路 的 动 态 分 析 3.3 差 分 放 大 电 路 3.4 互 补 输 出 级 3.5 直 接 耦 合 多 级 放 大 电 路 读 图 3.1 多 级 放 大 电 路 的 耦 合 方 式一 、 直 接 耦 合二 、 阻 容 耦 合三 、 变 压 器 耦 合 一 、 直 接 耦 合 既 是 第 一 级 的 集 电 极 电 阻 ，又 是 第 二 级 的 基 极 电 阻 能 够 放 大 变 化 缓 慢 的 信号 ， 便 于 集 成 化 ， Q点 相 互影 响 ， 存 在 零 点 漂 移 现 象 。 当 输 入 信 号 为 零 时 ， 前 级 由 温 度 变 化 所 引 起 的 电 流 、 电位 的 变 化 会 逐 级 放 大 。第 二 级第 一 级Q 1合 适 吗 ？直 接连 接 输 入 为 零 ， 输 出产 生 变 化 的 现 象称 为 零 点 漂 移求 解 Q点 时 应 按 各 回 路 列 多 元 一 次 方 程 ， 然 后 解 方 程 组 。 如 何 设 置 合 适 的 静 态 工 作 点 ？对 哪 些 动 态 参数 产 生 影 响 ？ 用 什 么 元 件 取 代 R e既 可 设 置 合 适 的 Q点 ， 又 可 使 第二 级 放 大 倍 数 不 至 于 下 降 太 多 ？若 要 UCEQ 5V， 则 应 怎 么 办 ？ 用 多 个 二 极 管 吗 ？二 极 管 导 通 电 压 UD？ 动 态 电 阻 rd特 点 ？Re 必 要 性 ？稳 压 管伏 安 特 性 UCEQ1太 小 加 Re（ Au2数 值 ） 改 用 D若 要 UCEQ1大， 则 改 用 DZ。 NPN型 管 和 PNP型 管 混 合 使 用 在 用 NPN型 管 组 成 N级 共 射 放 大 电 路 ， 由 于 U CQi UBQi，所 以 UCQi UCQ(i-1） （ i=1 N） ， 以 致 于 后 级 集 电 极 电 位 接近 电 源 电 压 ， Q点 不 合 适 。 UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1UCQ2 UCQ1 UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1UCQ2 UCQ1 二 、 阻 容 耦 合 Q点 相 互 独 立 。 不 能 放 大 变 化 缓 慢 的 信 号 ， 低 频特 性 差 ， 不 易 集 成 化 。共 射 电 路 共 集 电 路 有 零 点 漂 移 吗 ？ 利 用 电 容 连 接 信 号源 与 放 大 电 路 、 放 大电 路 的 前 后 级 、 放 大电 路 与 负 载 ， 为 阻 容耦 合 。 可 能 是 实 际 的 负 载 ， 也可 能 是 下 级 放 大 电 路三 、 变 压 器 耦 合 L2L2c21 RIRIPP l ， 理 想 变 压 器 情况 下 ， 负 载 上 获得 的 功 率 等 于 原边 消 耗 的 功 率 。 2 21L L L2c 2( )lI NR R RI N 可 实 现 阻， 抗 变 换 ！从 变 压 器 原边 看 到 的 等效 电 阻 讨 论 ： 两 级 直 接 耦 合 放 大 电 路选 择 合 适 参 数 使电 路 正 常 工 作 电 位 高低 关 系 从 Multisim “ 参 数 扫 描 ” 结 果 分 析 两 级 放 大 电 路 Q点 的相 互 影 响 。 R1取 何 值 时 T2工 作 在 饱 和区 ？ uC1uC2T 2工 作 在放 大 区 3.2 多 级 放 大 电 路 的 动 态 分 析二 、 分 析 举 例一 、 动 态 参 数 分 析 一 、 动 态 参 数 分 析1.电 压 放 大 倍 数 nj ujnu AUUUUUUUUA 1ioi2o2io1io 2. 输 入 电 阻 i1i RR 3. 输 出 电 阻 nRR oo 对 电 压 放 大 电 路 的 要 求 ： Ri大 ， Ro小 ， Au的 数 值大 ， 最 大 不 失 真 输 出 电 压 大 。 )(1( L622be5i2 RRrRR 21 L62be2 L622 1be i231 )( ) 1( )( ) 1( )( uuuuu AAA RRr RRA r RRA be121i rRRR 1 be2536o rRRRR 二 、 分 析 举 例 讨 论 一 失 真 分 析 ： 由 NPN型 管 组 成 的 两 级 共 射 放 大 电 路共 射 放大 电 路 共 射 放大 电 路iu ou饱 和 失 真 ？ 截 止 失 真 ？ 首 先 确 定 在 哪 一 级 出 现 了 失 真 ， 再 判 断 是 什 么 失 真 。 比 较 Uom1和 Uim2， 则 可 判 断 在 输 入 信 号 逐 渐 增 大 时哪 一 级 首 先 出 现 失 真 。 在 前 级 均 未 出 现 失 真 的 情 况 下 ， 多 级 放 大 电 路 的 最大 不 失 真 电 压 等 于 输 出 级 的 最 大 不 失 真 电 压 。 讨 论 二 ： 放 大 电 路 的 选 用1. 按 下 列 要 求 组 成 两 级 放 大 电 路 ： Ri 1 2k， Au 的 数 值 3000； Ri 10M， Au的 数 值 300； Ri 100 200k， Au的 数 值 150； Ri 10M ， Au的 数 值 10， Ro100。 共 射 、 共 射2. 若 测 得 三 个 单 管 放 大 电 路 的 输 入 电 阻 、 输 出 电 阻 和 空 载电 压 放 大 倍 数 ， 则 如 何 求 解 它 们 连 接 后 的 三 级 放 大 电 路 的电 压 放 大 倍 数 ？注 意 级 联 时 两 级 的 相 互 影 响 ！ 共 源 、 共 射 共 集 、 共 射 共 源 、 共 集 。 3.3 差 分 放 大 电 路一 、 零 点 漂 移 现 象 及 其 产 生 的 原 因二 、 长 尾 式 差 分 放 大 电 路 的 组 成三 、 长 尾 式 差 分 放 大 电 路 的 分 析四 、 差 分 放 大 电 路 的 四 种 接 法五 、 具 有 恒 流 源 的 差 分 放 大 电 路六 、 差 分 放 大 电 路 的 改 进 一 、 零 点 漂 移 现 象 及 其 产 生 的 原 因1. 什 么 是 零 点 漂 移 现 象 ： uI 0， uO0的 现 象 。产 生 原 因 ： 温 度 变 化 ， 直 流 电 源 波 动 ， 元 器 件 老 化 。 其 中 晶体 管 的 特 性 对 温 度 敏 感 是 主 要 原 因 ， 故 也 称 零 漂 为 温 漂 。克 服 温 漂 的 方 法 ： 引 入 直 流 负 反 馈 ， 温 度 补 偿 。 典 型 电 路 ： 差 分 放 大 电 路 零 点 漂 移 零 输 入零 输 出 理 想 对 称二 、 长 尾 式 差 分 放 大 电 路 的 组 成信 号 特 点 ？能 否 放 大 ？共 模 信 号 ： 大 小 相 等 ， 极 性 相 同 。差 模 信 号 ： 大 小 相 等 ， 极 性 相 反 .信 号 特 点 ？ 能 否 放 大 ？ 典 型 电 路 0 2CQ1CQO CQ2CQ1CQ EQ2EQ1EQ CQ2CQ1CQ BQ2BQ1BQ UUu UUU III III III在 理 想 对 称 的 情 况 下 ： R R RRt +VCC uI2. 零 输 入 零 输 出 ； 1. 可 克 服 零 点 漂 移 ；4. 放 大 差 模 信 号 。3. 抑 制 共 模 信 号 ； 三 、 长 尾 式 差 分 放 大 电 路 的 分 析 e BEQEEEQ 2RUVI 1 EQBQ II 02CQ1CQO CQ2CQ1CQ EQ2EQ1EQ CQ2CQ1CQ BQ2BQ1BQ UUu UUU III III IIIRb是 必 要 的 吗 ？1. Q点 ： EE BQ BEQ EQ e2V U U I R 晶 体 管 输 入 回 路 方 程 ：通 常 ， Rb较 小 ， 且 IBQ很 小 ， 故 BEQcCQCCCEQ URIVU 选 合 适 的 VEE和 Re就可 得 合 适 的 Q 2. 抑 制 共 模 信 号 0 )()( C2CQ2C1CQ1C2C1O uuuuuuu 0 cIcOcc AuuA ， 参 数 理 想 对 称 时共 模 放 大 倍 数C21C C21C B21B uu ii ii 共 模 信 号 ： 数 值 相 等 、 极 性 相 同 的输 入 信 号 ， 即 IcI2I1 uuu 2. 抑 制 共 模 信 号 ： Re的 共 模 负 反 馈 作 用 0 c IcOcc A uuA参 数 理 想 对 称 时共 模 放 大 倍 数R e的 共 模 负 反 馈 作 用 ： 温 度 变 化 所 引 起 的 变 化 等 效 为 共 模 信 号对 于 每 一 边 电路 ， Re=?如 T( )IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 抑 制 了 每 只 差 分 管 集 电 极 电 流 、 电 位 的 变 化 。 3. 放 大 差 模 信 号 C1O C21C C21C B21B 2 uu uu ii ii iE1= iE2， Re中 电 流 不 变 ， 即 Re 对 差 模 信 号 无 反 馈 作 用 。2/IdI2I1 uuu 差 模 信 号 ： 数 值 相 等 ， 极 性 相 反的 输 入 信 号 ， 即 2Idu 2Idu )(2 bebBId rRiu 为 什 么 ？差 模 信 号 作 用 时 的 动 态 分 析 Lcd b be ( )2RRA R r （ 3.3.7）差 模 放 大 倍 数 IdOdd uuA )2(2 LcCOd RRiu 2 )(2 cobebi RRrRR ， 4. 动 态 参 数 ： Ad、 Ri、 Ro、 Ac、 KCMR 共 模 抑 制 比 KCMR： 综 合 考 察 差 分 放 大 电 路 放 大 差 模 信号 的 能 力 和 抑 制 共 模 信 号 的 能 力 。dCMR c CMR3.3.10AK A K （ ）在 参 数 理 想 对 称 的 情 况 下 ， 。 在 实 际 应 用 时 ， 信 号 源 需 要 有 “ 接 地 ” 点 ， 以 避 免干 扰 ； 或 负 载 需 要 有 “ 接 地 ” 点 ， 以 安 全 工 作 。 根 据 信 号 源 和 负 载 的 接 地 情 况 ， 差 分 放 大 电 路 有 四 种接 法 ： 双 端 输 入 双 端 输 出 、 双 端 输 入 单 端 输 出 、 单 端 输入 双 端 输 出 、 单 端 输 入 单 端 输 出 。 四 、 差 分 放 大 电 路 的 四 种 接 法 cCQCCCQ2 LcCQCCLc LCQ1 )(RIVU RRIVRR RU 由 于 输 入 回 路 没 有 变化 ， 所 以 IEQ、 IBQ、 ICQ与 双 端 输 出 时 一 样 。 但是 UCEQ1 UCEQ2。 1. 双 端 输 入 单 端 输 出 ： Q点 分 析 1. 双 端 输 入 单 端 输 出 ： 差 模 信 号 作 用 下 的 分 析 c Ld b be ( )1 (3.3.16)2 R RA R r cobebi )(2 RRrRR ， 1. 双 端 输 入 单 端 输 出 ： 共 模 信 号 作 用 下 的 分 析 beb Lcd )( 21 rR RRA c Lc b be e ( ) (3.3.17)2(1 )R RA R r R b be eCMR b be2(1 ) (3.3.18)dcA R r RK A R r 1. 双 端 输 入 单 端 输 出 ： 问 题 讨 论 beb Lcd )( 21 rR RRA （ 1） T 2的 Rc可 以 短 路 吗 ？（ 2） 什 么 情 况 下 Ad为 “ ” ？（ 3） 双 端 输 出 时 的 Ad是 单 端 输 出 时 的 2倍 吗 ？ beb ebebCMR )1(2rR RrRK cobebi )(2 RRrRR ， 2. 单 端 输 入 双 端 输 出 共 模 输 入 电 压差 模 输 入 电 压 输 入 差 模 信 号 的 同 时 总 是 伴 随 着 共 模 信 号 输 入 ： 在 输 入 信 号 作 用 下 发 射 极的 电 位 变 化 吗 ？ 说 明 什 么 ？ 2/IIcIId uuuu ， 2. 单 端 输 入 双 端 输 出 问 题 讨 论 ：（ 1） UOQ产 生 的 原 因 ？（ 2） 如 何 减 小 共 模 输 出电 压 ？ OQIcIdO 2 UuAuAu 测 试 :差 模 输 出 共 模 输 出 静 态 时 的 值单 端 输 入 单 端 输 出 的 情 况 请 同 学 们 自 行 分 析 ！ 3. 四 种 接 法 的 比 较 ： 电 路 参 数 理 想 对 称 条 件 下输 入 方 式 ： Ri均 为 2(Rb+rbe)； 双 端 输 入 时 无 共 模 信 号 输 入 ，单 端 输 入 时 有 共 模 信 号 输 入 。输 出 方 式 ： Q点 、 Ad、 Ac、 KCMR、 Ro均 与 之 有 关 。 coCMRc beb Lcd 2 0 )2(RRKA rR RRA 双 端 输 出 ： co beb ebebCMR ebeb Lcc beb Lcd )(2 )1(2 )1(2 )( )(2 )(RR rR RrRK RrR RRA rR RRA 单 端 输 出 ： 五 、 差 分 放 大 电 路 的 改 进 由 前 分 析 可 知 ： Re 越 大 ， 每 一 边 的 漂 移 越 小 ，共 模 负 反 馈 越 强 ， Ac越 小 ， KCMR越 大 ， 差 分 放大 电 路 的 性 能 越 好 。 但 为 使 静 态 电 流 不 变 ， Re 越 大 ， VEE越 大 ， 以至 于 Re太 大 就 不 合 理 了 。 需 在 低 电 源 条 件 下 ， 设 置 合 适 的 IEQ， 并 得 到得 到 （ 等 效 ） 趋 于 无 穷 大 的 Re。解 决 方 法 ： 采 用 电 流 源 取 代 R e！ 1、 具 有 恒 流 源 差 分 放 大 电 路 的 组 成 3 BEQEE21 23EB32 R UVRR RIII ，等 效 电 阻为 无 穷 大 近 似 为恒 流 1) RW取 值 应 大 些 ？ 还 是 小 些 ？2) RW对 动 态 参 数 的 影 响 ？3) 若 RW滑 动 端 在 中 点 ， 写 出 Ad、Ri的 表 达 式 。2)1( Wbeb cd RrR RA Wbebi )1()(2 RrRR 2、 加 调 零 电 位 器 RW（ 改 善 对 称 性 ） doidmd 2 RRRRgA ， 六 、 场 效 应 管 差 分 放 大 电 路 若 uI1=10mV， uI2=5mV， 则uId=？ uIc=？uId=5mV ， uIc=7.5mV讨 论 一 R R RRt +VCC uI 若 将 电 桥 的 输 出 作 为 差 放的 输 入 ， 则 其 共 模 信 号 约 为多 少 ？ 设 置 Q点 时 如 何 考 虑 ？ 1、 uI=10mV， 则 uId=? uIc=? 2、 若 Ad= 102、 KCMR 103用 直 流 表 测 uO ， uO=?uId=10mV ， uIc=5mVuO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1=?=? =?讨 论 二 单 端 输 入 单 端 输 出 例 3.3.1 电 路 如 侧 。 已 知1 , 10 , 5.1 ,12 , 6 , 100, 2 ,0.7 , 0.5b c LEE beBEQ EQR k R k R kVcc V V V r kU V I mA 12 0.5 10 7CQ CQU Vcc I Rc V 6 0.7Re 5.32 2 0.5EE BEQEQV U kI （ 1） Re的 取 值 应 为 多 少 ？ T1和 T2管 的 UCEQ为 多 少 ？（ 2） 试 求 Au、 Ri和 Ro ;（ 3） 若 将 电 路 改 成 单 端 输 出 （ 如 图 3.3.7） ， 用 直 流 表 测 得 输出 电 压 uo=3V， 试 问 输 入 电 压 约 为 多 少 ？ 设 共 模 电 压 可 忽 略 。解 ： （ 1） 7 0.7 7.7CEQ CQ EQU U U V 例 3.3.1 电 路 如 侧 。 已 知1 , 10 , 5.1 ,12 , 6 , 100, 2 ,0.7 , 0.5b c LEE beBEQ EQR k R k R kVcc V V V r kU V I mA 2( ) 2 (1 2) 6i b beR R r k 10 2.55100( / / ) 10 2.552 681 2Lb beRRcAu R r （ 1） Re的 取 值 应 为 多 少 ？ T1和 T2管 的 UCEQ为 多 少 ？（ 2） 试 求 Au、 Ri和 Ro ;（ 3） 若 将 电 路 改 成 单 端 输 出 （ 如 图 3.3.7） ， 用 直 流 表 测 得 输出 电 压 uo=3V， 试 问 输 入 电 压 约 为 多 少 ？ 设 共 模 电 压 可 忽 略 。解 ： （ 2） 据 (3.3.7)、 (3.3.8)、 (3.3.9)可 得2 20o cR R k 交 流 等 效 例 3.3.1 电 路 如 侧 。 已 知1 , 10 , 5.1 ,12 , 6 , 100, 2 ,0.7 , 0.5b c LEE beBEQ EQR k R k R kVcc V V V r kU V I mA 0 3 2.36 0.64u V 动 态 电 压 ：1 5.1 10 5.1( / / ) 12 0.5 2.3610 5.1 10 5.1LCQ CQ C LC LRU Vcc I R R VR R （ 3） 若 将 电 路 改 成 单 端 输 出 （ 如 图 3.3.7） ， 用 直 流 表 测 得 输 出 电 压 uo=3V，试 问 输 入 电 压 约 为 多 少 ？ 设 共 模 电 压 可 忽 略 。 据 (3.3.12)、 (3.3.13)、 (3.3.14)可 得 0 / 0.64/( 56) 11.4i du u A mV 解 ： （ 3） 因 直 流 表 测 得 的 输 出 电 压 包 涵 静 态 和 动 态 两 部 分 ！再 据 (3.3.16) 可 得 ( / / )1 1 100 (10/ /5.1) 562 2 1 2C Ld b beR RA R r 忽 略 共 模 影 响 有 ： 3.4 互 补 输 出 级二 、 基 本 电 路三 、 消 除 交 越 失 真 的 互 补 输 出 级四 、 准 互 补 输 出 级一 、 对 输 出 级 的 要 求 互 补 输 出 级 是 直 接 耦 合 的 功 率 放 大 电 路 。 对 输 出 级 的 要 求 ： 带 负 载 能 力 强 ； 直 流 功 耗 小 ；负 载 电 阻 上 无 直 流 功 耗 ；最 大 不 失 真 输 出 电 压 最 大 。一 、 对 输 出 级 的 要 求 射 极 输 出 形 式静 态 工 作 电 流 小输 入 为 零 时 输 出 为 零 双 电 源 供 电 时 Uom的 峰值 接 近 电 源 电 压 。 单 电 源 供 电 U om的 峰 值接 近 二 分 之 一 电 源 电 压 。不 符 合要 求 ！ 二 、 基 本 电 路静 态 时 T 1、 T2均 截 止 ， UB= UE=01. 特 征 ： T1、 T2特 性 理 想 对 称 。2. 静 态 分 析 T1的 输 入 特 性理 想 化 特 性动 态 时 T1、 T2交 替 工 作 ， 对 称 情 况 计 算 增益 可 仅 考 虑 一 个 放 大 管 ！ 3. 动 态 分 析 ui正 半 周 ， 电 流 通 路 为 +VCCT1RL地 ， uo = ui 两 只 管 子 交 替 工 作 ， 两 路 电 源 交 替 供 电 ，双 向 跟 随 。 ui负 半 周 ， 电 流 通 路 为 地 RL T2 -VCC， uo = ui 4. 交 越 失 真 消 除 失 真 的 方 法 ：设 置 合 适 的 静 态 工 作 点 。 信 号 在 零 附 近 两只 管 子 均 截 止开 启电 压 静 态 时 T 1、 T2处 于 临 界 导 通 状 态 ，有 信 号 时 至 少 有 一 只 导 通 ； 偏 置 电 路 对 动 态 性 能 影 响 要 小 。 三 、 消 除 交 越 失 真 的 互 补 输 出 级 ib2b1 D2D1B1B2 uuu UUU 动 态 ：静 态 ： 倍 增 电 路故 称 之 为 ， 则 若 BE BE4 43B1B2 B2 U UR RRU II 四 、 准 互 补 输 出 级 BE5 45 EB3BE2BE1 )1( URR UUU 静 态 时 ： ib3b1 uuu 动 态 时 ： 为 保 持 输 出 管 的 良 好 对 称 性 ， 输 出 管 应 为同 类 型 晶 体 管 。大 ！ 3.5 直 接 耦 合 多 级 放 大 电 路 读 图一 、 放 大 电 路 的 读 图 方 法二 、 例 题 一 、 放 大 电 路 的 读 图 方 法1. 化 整 为 零 ： 按 信 号 流 通 顺 序 将 N级 放 大 电 路 分为 N个 基 本 放 大 电 路 。2. 识 别 电 路 ： 分 析 每 级 电 路 属 于 哪 种 基 本 电 路 ，有 何 特 点 。3. 统 观 总 体 ： 分 析 整 个 电 路 的 性 能 特 点 。4. 定 量 估 算 ： 必 要 时 需 估 算 主 要 动 态 参 数 。信 号 从 放 大 管 的 哪 个 极 输 入 ？又 从 哪 个 极 输 出 ？ 二 、 例 题第 一 级 ： 双 端 输 入 单 端 输 出 的 差 放第 二 级 ： 以 复 合 管 为 放 大 管 的 共 射 放 大 电 路第 三 级 ： 准 互 补 输 出 级 动 态 电 阻 无 穷 大1. 化 整 为 零 ， 识 别 电 路 2. 基 本 性 能 分 析 输 入 电 阻 为 2r be、 电 压 放 大 倍 数 较 大 、 输 出 电 阻 很小 、 最 大 不 失 真 输 出 电 压 的 峰 值 接 近 电 源 电 压 。 整 个 电 路 可 等 效 为 一 个 双 端 输 入 单 端 输 出 的 差 分 放大 电 路 。 3. 交 流 等 效 电 路 可 估 算 低频 小 信 号 下的 电 压 放 大倍 数 、 输 入电 阻 、 输 出电 阻 等 。 6 作 业 3.1 3.2 3.5 3.7 3.8 3.10 3.11