第3章多级放大电路

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 多级放大电路,3.1,多级放大电路概述,3.2,多级放大电路的动态分析,3.3,直接耦合多级放大电路,3.1.1,耦合形式,3.1.2,零点漂移,3.1,多级放大电路概述,问题提出,前面所述的单管放大电路，在实际运用中各,项性能指标很难满足要求，所以需要采用多级放,大电路，来满足实际要求。,多级放大器级间耦合的条件是把前级的输出,信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。,3.1.1,耦合形式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,耦合电路采用直接连接或电阻连接，,不采用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号，,漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而,缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的,性质,，就可决定级间耦合电路的形式。,耦合电路的简化形式如,图,07.01,所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决；阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点,Q,互不影响，可抑制温漂；变压器耦合可实现阻抗变换（不常用）。,(a),阻容耦合,(b),直接耦合,(c),变压器耦合,图,07.01,耦合电路的形式,3.1.2,零点漂移,零点漂移,是三极管的工作点随时间而,逐渐偏离原有静态值的现象。,产生零点漂移的主要原因是温度的影响,，,所以有时也用,温度漂移,或,时间漂移,来表示。,工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,一般将在一定时间内，或一定温度变化,范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数，,即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。,例如,V/,C,或,V/min,。,3.2,多级放大电路的动态分析,1.,多级放大电路的构成可用如下方框图表示：,Uo,A1,A2,An,R,L,-,+,-,+,Ui,2.,多级放大电路的放大倍数：,3.,输入电阻与输出电阻：,R,i,=R,i1,R,o,=R,no,?,?,4.,多级放大电路电压放大倍数的计算,在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。,输入电阻法,开路电压法,一是将后一级的输入电阻作为前一级的,负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级,集电极负载电阻并联。,二是将后一级与前一级开路，计算前,一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并,将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用,到后一级的输入端。,现以图,07.05,的两级放大电路为例加以说明，三极管的参数为,:,1,=,2,=,=100,，,V,BE1,=,V,BE2,=0.7,V,。计算总电压,放大倍数。,用输入电阻法,计算。,图,07.05,两级放大电路计算例,用输入电阻法求电压增益,（,1,）求静态工作点,（,2,）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,电压增益,如果求从,V,S,算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻,R,i1,=r,be1,/R,b1,/R,b2,=3.1/51/20,=3.1/14.4=2.55 k,对于多级放大电路可认为：前级是后级的信号源，后级是前级的负载。,多级放大器可使放大倍数提高，但是靠牺牲,通频带来实现的。通频带将在频率响应中介绍。,3.3,直接耦合多级放大电路,3.3.1,复合管放大电路,3.3.2,差分放大电路,3.3.3,直接耦合互补输出级,3.3.4,直接耦合多级放大电路,3.3.1,复合管放大电路,一、,复合管（,Dartington,管）,（一）、为什么要组成复合管？,1,、用以提高输入电阻和电流放大系数。,2,、在电路结构有时需要组合器件。（运放输出级）,b,e,c,1,i,b1,(1+,1,)i,b1,i,b1,(1+,1,)(1+,2,)i,b1,(1+,1,),2,i,b1,i,c,（二）、复合管的结构和参数,1,、结构如图所示,b,e,c,i,b,i,e,i,c,等效后的型号：与第一管型号相同,等效后的参数：,条件：,1,）使各管均能处于放大状态，满足三极管,Q,点合适条件；,2,）,FET+BJT,，应特别注意分析,U,GS,的正负和,I,G,=0,的情况。,注意：必须使各管均处于正常的工作状态才能组成,复合管。,由复合管组成的放大电路见书中,113,页说明,3.3.2,差分放大电路,3.3.2.1,概述,3.3.2.2,差分放大电路的静态计算,3.3.2.3,差分放大电路的动态计算,3.3.2.1,概述,一、差分放大电路的组成,二、差分放大电路的输入和,输出方式,三、差模信号和共模信号,一、差分放大电路的组成,差分放大电路是由,对称,的两个基本放大电路，,通过射极公共电阻耦合构成的。如图,06.01,所示。,对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数,对应相等。,即：,1,=,2,=,V,BE1,=,V,BE2,=,V,BE,r,be1,=,r,be2,=,r,be,I,CBO1,=,I,CBO2,=,I,CBO,R,C1,=,R,C2,=,R,C,R,b1,=,R,b2,=,R,b,图,06.01,差分放大电路,二、差分放大电路的 输入和输出方式,差分放大电路一般有两个输入端：,同相输入端，,反相输入端。,信号的输入方式：若信号同时加到同相输入,端和反相输入端，称为,双端输入；,若信号仅从,一个输入端,对地,加入，称为,单端输入。,差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极,C,1,，另一个是集电极,C,2,。,从,C,1,和,C,2,输出称为,双端输出,，仅从集电极,C,1,或,C,2,对地输出称为,单端输出,。,根据规定的正方向，在一个,输入端加上一定极性的信号，如,果所得到的输出信号极性与其相,同，则该输入端称为同相输入端。,反之，如果所得到的输出,信号的极性与其相反，则该输,入端称为反相输入端。,图,06.02,共模信号和差模信号示意图,三、差模信号和共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对三极管电流的影响相当于加入了共模,信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。,差模信号,共模信号,是指在两个,输入端加上幅度,相等，极性相反,的信号。,是指在两个,输入端加上幅度,相等，极性相同,的信号。,图,06.03,双电源差分放大电路,3.3.2.2,差分放大电路的静态计算,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电,路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端,基本上是零电位，将,R,e,从接地改为接负电源,V,EE,。,由,I,B,的计算式可知，,R,e,对一半差分电路而言，只有,2,R,e,才能获得相同的电压降。,如图,06.03,所示。由于接入负电源，,所以偏置电阻,R,b,可以取消，改为,V,EE,和,R,e,提,供基极偏置电流。,基极电流为,:,3.3.2.3,差分放大电路的动态计算,一、差模状态动态计算,二、共模状态动态计算,三、恒流源差分放大电路,四、差分放大电路的传输特性,一、差模状态动态计算,差分放大电路的差模工作状态分为四种,:,1.,双端输入、双端输出（,双,-,双,）,2.,双端输入、单端输出（,双,-,单,）,3.,单端输入、双端输出（,单,-,双,）,4.,单端输入、单端输出（,单,-,单,）,主要讨论的问题有：,差模电压放大倍数,差模输入电阻,输出电阻,图,06.04,双端输入双端输出,(1),差模电压放大倍数,A,v,d,双端输入差放电路如图,06.04,所示。负载电阻接在两集电极之间。,v,i,接在两输入端之间，也可看成,v,i,/2,各接在两输入端与地之间。,这种方式适用于,双端输入和双端输出，,输入、输出均不接地,的情况。,双端输入双端输出差模电压放大倍数,(1),差模电压放大倍数,A,v,d,双端输入单端输出差模电压放大倍数,这种方式适用于将,差分信号转换为单端输出,的信号。,双端输入单端输出因只利,用了一个集电极输出的变化量，,所以它的差模电压放大倍数是,双端输出的二分之一。,图,06.05,双端输入单端输出,单端输入双端输出差模电压放大倍数,单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图,06.06,。右侧的,R,s,+,r,be,归算到发射极回路的值,(,R,s,+,r,be,)/(1+,),R,e,，故,R,e,对,I,e,分流极小，可忽略，于是有,这种方式用于将单,端信号转换成双端差分,信号,可用于输出负载,不接地的情况。,图,06.06,单端输入转换为,双端输入,v,i1,=,v,i2,=,v,i,/,2,单端输入单端输出,通过从,T,1,或,T,2,的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从,T,1,的基极输入信号，从,C,1,输出，为反相；从,C,2,输出为同相。,(2),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,R,id,是基本放大电路的两倍。,(3),输出电阻,输出电阻在,单端输出时，,双端输出时，,二、共模状态动态计算,问题引出,前面已经介绍差放电路抑制温漂的原理，在理想情况下温漂应为零，但实际电路的器件和参数很难完全对称，因此达不到预期的结果。,怎样来衡量实际效果呢？,因此提出了共模信号的概念，由于温漂的变化作用于电路的两部分，且,T,1,、,T,2,的 变化相同，可看作在两个输入端同时输入一对极性相同、幅值相同的信号的结果。,于是引入共模电压放大倍数来衡量放大电路抑制温漂的能力。,计算共模放大倍数,A,v,c,的微变等效电路，如图,06.08,所示。其中,R,e,用,2,R,e,等效，这与差模时不同。,A,v,c,的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出,时可以认为等于零。,单端输出时为,图,06.08,共模微变,等效电路,(1),共模放大倍数,A,v,c,(2),共模抑制比,共模抑制比,K,CMR,是差分放大器的一个重要指标。,，,或,双端输出时,K,CMR,可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,三、恒流源差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大,R,e,。但,R,e,加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源,T,3,来代替,R,e,。,恒流源动态电阻大，可提高,共模抑制比。同时恒流源的,管压降只有几伏，可不必提,高负电源之值。这种电路称,为恒流源差分放大电路，电,路如图,06.09,所示。,恒流源电流数值为,I,E,=(,V,Z,-,V,BE3,)/,R,e,图,06.09,恒流源差分放大电路,四、差分放大电路的传输特性,差分放大器的四种典型电路，可看书中,238,页,表,6.2.1,，加以比较应用。由,BJT,组成的差分电路对,共模输入信号有相当强的抑制能力，但它的,Ri,较低，因此在高输入阻抗的模拟集成电路中，常采用,FET,构成的差分电路，,Rid,大、输入偏置电流很小，书中,237,页有介绍，大家自学。,由差分放大电路的,特性曲线,可知：,（,1,）输入信号只有在很小的范围内,(,Uid),，输出与输入有线性关系；,（,2,）当输入信号幅值过大时，输出会产生失真，,Uod,趋于饱和值（,Uom,）。,3.3.3,直接耦合互补输出级,一、电路组成,乙类互补功率放大电路如图,17.02,所示。它由,一对,NPN,、,PNP,特性相同的互补三极管组成。这,种电路也称为,OCL,互补功率放大电路。,图,17.02,乙类互补功率放大电路及波形,二、工作原理,当输入信号处于正半周时，且,幅度远大于三极管的开启电压，此,时,NPN,型三极管导电，有电流通过,负载,R,L,，按图中方向由上到下，与,假设正方向相同。,当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时,PNP,型三极管导电，有电流通过负 载,R,L,，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个