多级放大电路及模拟集成电路基础.ppt

模拟电子技术基础,电子教案V1.0第4章,4多级放大电路及模拟集成电路基础,4.1多级放大电路的耦合方式,4.2多级放大电路的性能分析,4.3模拟集成电路基础,4多级放大电路及模拟集成电路基础,3,4.1多级放大电路的耦合方式,4.1.1直接耦合,4.1.2阻容耦合,4.1.3变压器耦合,4.1.4光电耦合,不论采用何种耦合方式，都必须保证：,前级的输出信号能顺利传递到后一级的输入端。,各级放大电路都有合适的静态工作点。,4,4.1.1直接耦合,4.1多级放大电路的耦合方式,图4.1.1两个共射放大电路简单地直接耦合,如果把前一级的输出端直接（或通过电阻）连接到后一级的输入端，就是“直接耦合”方式。,两个特殊问题:,1.级间直流电位匹配问题,2.零点漂移问题,5,1.级间直流电位匹配问题,4.1.1直接耦合,图4.1.2采用提高后级射极电位实现级间电位匹配,6,图4.1.3常用的直流电平移动电路,1.级间直流电位匹配问题,4.1.1直接耦合,7,例4.1.1,两级放大电路如图4.1.4所示。已知三极管的1=2=50，VBE1=VBE2=0.7V，稳压管DZ的工作电压VZ=4V。,(1)试确定各级的静态工作点。(2)若由于温度的升高使IC1增加1%，试问输出直流电压变化了多少？,图4.1.4例4.1.1的电路,解:(1),首先确定T1的静态工作点:,4.7V,0.7V,8,(1)试确定各级的静态工作点。(2)若由于温度的升高使IC1增加1%，试问输出直流电压变化了多少？,图4.1.4例4.1.1的电路,例4.1.1,两级放大电路如图4.1.4所示。已知三极管的1=2=50，VBE1=VBE2=0.7V，稳压管DZ的工作电压VZ=4V。,解:(1),确定T2的静态工作点：,4.7V,0.7V,9,(1)试确定各级的静态工作点。(2)若由于温度的升高使IC1增加1%，试问输出直流电压变化了多少？,图4.1.4例4.1.1的电路,例4.1.1,两级放大电路如图4.1.4所示。已知三极管的1=2=50，VBE1=VBE2=0.7V，稳压管DZ的工作电压VZ=4V。,解:(2),此时输出电压比原来升高了1.5V，约变化了21%。,零点漂移,10,2.零点漂移问题,4.1.1直接耦合,零点漂移现象（简称零漂）如果将直接耦合放大电路的输入端短路或接固定的直流电压，其输出端应为一固定的直流电压，即静态输出电压。但是实际上输出电压将随时间偏离初始值而缓慢地随机波动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。,造成零点漂移的主要原因放大电路的静态工作点受温度影响而上下波动。由于直接耦合电路可以放大缓慢变化的信号，因此前级静态工作点的波动将被后级看作信号逐级放大，输出端的波动电压可能将有用信号“淹没”，严重时甚至使后级电路进入饱和或截止状态，无法正常工作。很明显，输入级的零漂影响最大，而且直接耦合电路的级数越多，增益越高，零点漂移问题越严重。所以控制输入级的漂移是至关重要的问题，应选择漂移很小的单元电路作输入级。,11,为了抑制零漂，可以采取多种补偿措施：（1）引入直流负反馈以稳定静态工作点来减小零点漂移，如第3章中的分压式射极偏置电路；（2）利用温敏元件补偿放大管的零漂；（3）采用差分放大电路作为输入级,2.零点漂移问题,4.1.1直接耦合,直接耦合方式的优点既能放大交流信号，也能放大缓慢变化和直流信号。更重要的是，直接耦合方式便于集成化，实际的集成运算放大电路，一般都是采用直接耦合放大电路。,12,4.1.2阻容耦合,4.1多级放大电路的耦合方式,图4.1.5两级阻容耦合放大电路,阻容耦合的优点各级的静态工作点相互独立阻容耦合的缺点不能用来放大变化缓慢的信号或直流信号。,13,图4.1.6变压器耦合放大电路,图4.1.7变压器的阻抗变换,变压器耦合的最大优点在传送交流传号的同时，还可以进行电压、电流和阻抗的变换。,4.1.3变压器耦合,4.1多级放大电路的耦合方式,14,图4.1.8红外光耦合话筒电路,4.1.4光电耦合,4.1多级放大电路的耦合方式,在需要电气隔离的场合或进行远距离信号传输时，多级放大电路也可采用光电耦合形式进行连接。,15,4.2多级放大电路的性能分析,4.2.1多级放大电路的分析方法,4.2.2多级放大电路的分析举例,4.2.3多级放大电路的频率响应,16,图4.2.1三级放大电路方框图,1.电压增益,2.输入电阻和输出电阻,多级放大电路的输入电阻Ri就是第一级放大电路的输入电阻;,4.2.1多级放大电路的分析方法,4.2多级放大电路的性能分析,多级放大电路的输出电阻Ro就是末级放大电路的输出电阻。,在计算每级电压增益时，必须考虑前后级之间的影响（如RL1=Ri2）,17,图4.2.2共射-共集两级阻容耦合放大电路,共射-共集两级阻容耦合放大电路如图4.2.2所示。已知三极管T1、T2的1=2=50，VBE=0.7V。,4.2.2多级放大电路的分析举例,4.2多级放大电路的性能分析,例4.2.1,(1)求电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro；,(2)当RL接在第一级输出端A、O点之间，并断开电容C2时，求第一级电压增益。,(3)当RL按图所示连接在第二级输出端时，试计算电路总的电压增益。,18,图4.2.3图4.2.2的小信号等效电路,图4.2.2共射-共集两级阻容耦合放大电路,19,图4.2.4共射-共射两级直接耦合放大电路,直接耦合两级共射放大电路如图4.2.4所示。已知1=2=50，IC2=2mA，VBE1=0.7V，VBE2=0.2V，DZ稳压管的稳压值VZ=8V。,例4.2.2,(1)为使电路实现零输入时为零输出，试问RP1=？,(2)计算静态时VCE1和VCE2的值；,(3)如D、DZ的动态电阻均为零，求放大电路的输入电阻Ri、输出电阻Ro及电压增益。,20,图4.2.5图4.2.4的小信号等效电路,图4.2.4共射-共射两级直接耦合放大电路,21,4.2.3多级放大电路的频率响应,4.2多级放大电路的性能分析,分析方法,求频率响应表达式:,确定上限频率fH和下限频率fL（近似公式）,画出对数频率响应曲线（波特图）,幅频响应,相频响应,只要把各级的幅频响应和相频响应在同一横坐标下的纵坐标值叠加起来，就可以得到总的频率响应曲线。,22,图4.2.6两级放大电路的对数频率响应,定性结论,例如:有一个两级共射放大电路，每一级的频率响应相同，那么，总的频率响应曲线就是将单级频率响应的纵坐标值加大一倍，如图4.2.6所示。,显然有：fHfL1因此，采用多级放大电路提高了电压增益，但总的通频带比单级的要窄。,23,4.3模拟集成电路基础,4.3.1电流源电路,4.3.2长尾式差分放大电路,4.3.3改进型差分放大电路,24,模拟集成电路与分立元件电路相比有以下特点:,4.3模拟集成电路基础,由集成工艺制造出来的元器件的参数分散性大，然而相邻元器件的参数对称性却比较好。,电路结构上采用直接耦合的方式,为克服直接耦合电路的温漂，常采用具补偿特性的差动放大电路,采用三极管代替电容、电阻和二极管等元器件,25,4.3.1电流源电路,4.3模拟集成电路基础,1.镜像电流源,2.多路输出比例电流源电路,3.微电流源,4.威尔逊(Wilson)电流源,5.电流源用作有源负载举例,在集成电路中，三极管除作为放大元件外，还用于构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流，或作为有源负载取代高阻值的电阻，从而增大放大电路的电压增益。,26,1.镜像电流源,4.3.1电流源电路,(a)镜像电流源电路,(b)镜像电流源伏安特性图4.3.1镜像电流源及其伏安特性,T1、T2为参数相同的对管,所以,由图可得,27,图4.3.2带缓冲级的镜像电流源电路,图4.3.1镜像电流源及其伏安特性,1.镜像电流源,4.3.1电流源电路,当值较小时，IC2与IREF的差别较大。,利用T3射极跟随器的电流放大作用来减小IB1和IB2对IREF的分流，以提高镜像精度的。,28,2.多路输出比例电流源电路,4.3.1电流源电路,图4.3.3多路输出比例电流源电路,T1、T2和T3管的基极电位相等，即,T1的VBE1、R和R1决定基准电流,由于各管的VBE近似相等，因此有,改变射极电阻的大小可以获得不同比例的输出电流,29,图4.3.4微电流源电路,3.微电流源,4.3.1电流源电路,T1的参数和R决定基准电流，由图可见,由于(VBE1-VBE2)很小，故用阻值不大的Re2就可获得微小的工作电流。例如，当IREF=0.73A时，可求出,30,图4.3.5威尔逊电流源电路,4.威尔逊(Wilson)电流源,4.3.1电流源电路,设图中T1、T2和T3特性相同，由图可得,整理后得,由式(2)可得IC2为,将式(1)中的IC1用IC2代替，可得,(2),(1),31,图4.3.6共发射极有源负载电路,5.电流源用作有源负载举例,4.3.1电流源电路,T1是共射极接法的放大管,把直流电阻小、交流电阻很大的电流源作为集电极电阻或射极电阻构成基本放大电路时，可提高电路的电压增益及动态输出范围。,T2、T3组成的镜像电流源就是放大电路的集电极负载，称有源负载。,例如，在图4.3.6所示电路中，,32,图4.3.7长尾式差分放大电路,4.3.2长尾式差分放大电路,4.3模拟集成电路基础,典型差分放大电路，结构特点为:,由于Re接负电源VEE，拖一个尾巴，常称为长尾式电路。,电路参数对称，1=2和rbe1=rbe2，由两个特性完全相同的单管共发射极电路组成。,双端输入：输入信号从差分对管的两个基极加入；单端输入：输入信号从其中任一个基极输入，另一个基极接地。,工作方式:,双端输出：输出信号从两个集电极之间取出；单端输出：输出信号从其中任一个集电极输出。,33,图4.3.7长尾式差分放大电路,4.3.2长尾式差分放大电路,1.静态特性,静态时，,电路参数完全对称,考虑到IBIE，且Rb通常很小，所以,此时有：,故：,当温度变化引起两管集电极电流变化时，由于Re具有稳定工作点电流的作用，使集电极电流变化减小，又由于电路的对称性，使两管集电极电流变化量相等。因此，输出电压总为零，即对称差分放大电路的温度漂移等于零。,静态分析方法同第3章，但应注意：,34,4.3.2长尾式差分放大电路,2.差模特性,图4.3.7长尾式差分放大电路,当差分放大电路的两输入端加上大小相等、极性相反的信号时，称为差模输入方式。,差模输入信号,(1)差模电压增益,(2)差模输入电阻Rid,(3)差模输出电阻Rod,差模特性分析任务：,差模输入电压,差模输出电压,35,(b)差模信号作用下半边等效电路图4.3.8差模特性分析,差模输入信号,交流分析等效电路的变换,图4.3.7长尾式差分放大电路,4.3.2长尾式差分放大电路,2.差模特性,(a)差模信号交流通路,36,4.3.2长尾式差分放大电路,2.差模特性,(a)差模信号交流通路图4.3.8差模特性分析,(1)差模电压增益,双端输入双端输出:,双端输入单端输出:,即从T1或T2的集电极接负载RL对地输出,(2)差模输入电阻,(3)差模输出电阻,双端输出时,单端输出时,37,4.3.2长尾式差分放大电路,3.共模特性,图4.3.7长尾式差分放大电路,当差分放大电路的两输入端加上大小相等、极性相同的信号时，称为共模输入方式。,共模输入信号,(1)共模电压增益,(2)共模输入电阻Ric,共模特性分析任务：,共模输入电压,共模输出电压,折合到输入端的漂移电压，或者伴随输入信号一起引入到两管基极相同的干扰信号都是共模信号,38,交流分析等效电路的变换,图4.3.7长尾式差分放大电路,4.3.2长尾式差分放大电路,3.共模特性,共模输入信号,(b)半边共模微变等效电路图4.3.9共模特性分析,(a)共模等效电路,39,(2)共模输入电阻,(1)共模电压增益,双端输入双端输出:,双端输入单端输出:,4.3.2长尾式差分放大电路,3.共模特性,(b)半边共模微变等效电路图4.3.9共模特性分析,(a)共模等效电路,40,4.3.2长尾式差分放大电路,4.共模抑制比,共模抑制比KCMR是用来衡量差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力的指标，它定义为：,在电路完全对称（理想）时：,KCMR趋于无限大,若采用双端输出,若采用单端输出,为了提高电路对共模信号的抑制能力，必须选用大的Re，因此，常采用直流电阻小、交流电阻大的电流源代替Re,41,4.3.2长尾式差分放大电路,5单端输入的差模特性,在实际系统中，有时要求放大电路的输入电路有一端接地。这种输入方式称为单端输入（或不对称输入）。,图4.3.10单端输入差分放大电路的交流通路,图4.3.7长尾式差分放大电路,42,4.3.2长尾式差分放大电路,6.传输特性,图4.3.11图4.3.7所示差分放大电路的传输特性,传输特性是描述差分放大电路输出信号电压(或电流)随差模输入电压变化的规律。,43,4.3.2长尾式差分放大电路,四种典型的差分放大电路的性能指标,双端输入,单端输入,双端输入,单端输入,双端输出,单端输出,适应于输出不需要一端接地，对称输入、对称输出的场合,适应于单端输入转换为双端输出的场合,适应于双端输入转换为单端输出的场合,适应于输入、输出电路均需要有一端接地的电路中,44,双端输入,单端输入,双端输入,单端输入,双端输出,单端输出,四种典型的差分放大电路的性能指标,45,双端输入,单端输入,双端输入,单端输入,双端输出,单端输出,四种典型的差分放大电路的性能指标,46,设放大电路如图4.3.10所示，且负载RL接在T2的集电极与地之间。输入信号vi1=50V，vi2=0，单端输出时的差模电压增益Avd2=15，共模电压增益Avc=0.125。试求输出电压vo2=？,图4.3.10单端输入差分放大电路的交流通路,例4.3.1,47,4.3.3改进型差分放大电路,4.3模拟集成电路基础,图4.3.12具有电流源的差分放大电路,1.具有电流源的差分放大电路,为了提高电路对共模信号的抑制能力，常采用直流电阻小、交流电阻大的电流源代替，如图4.3.12所示。其共模抑制比可提高12个数量级。,48,图4.3.13复合管差分放大电路,4.3.3改进型差分放大电路,4.3模拟集成电路基础,2.复合管差分放大电路,49,图4.3.14例4.3.4电路,例4.3.4,电路如图4.3.14所示，试计算复合管共射接法的电流放大系数和输入电阻rbe，共基接法输入电阻reb，说明复合管的组成原则及其等效管型。,同管型复合管,异型复合管,50,图4.3.14例4.3.4电路,例4.3.4,电路如图4.3.14所示，试计算复合管共射接法的电流放大系数和输入电阻rbe，共基接法输入电阻reb，说明复合管的组成原则及其等效管型。,(1)同管型复合管如图4.3.14a、b所示。,解:,51,(2)异型复合管如图4.3.14(c)、(d)所示。,图4.3.14例4.3.4电路,例4.3.4,电路如图4.3.14所示，试计算复合管共射接法的电流放大系数和输入电阻rbe，共基接法输入电阻reb，说明复合管的组成原则及其等效管型。,解:,52,4.3.3改进型差分放大电路,4.3模拟集成电路基础,3.场效应管差分放大电路,场效应管差分放大电路的特点是输入电阻高，可达数十兆欧；输入偏置电流小，仅为几个纳安，甚至更小，但由于工艺上难以做到良好的配对，导致输入失调电压较大。有关场效管差分放大电路的讨论请参阅第8章。,