第3章多级放大电路.

华南理工大学广州学院电气工程学院第3章多级放大电路3.1多级放大电路的耦合方式3.2差动放大电路3.3互补对称功率放大电路3.4集成运算放大器3.5放大电路中的负反馈前言华南理工大学广州学院电气工程学院前言多级放大电路的组成输入级电压放大级电压放大级功率输出级推动级～信号源中间级小信号放大电路功率放大电路负载输入信号微弱→单级放大电路放大倍数小→输出电压、功率不够大→由多级放大电路连续放大→输出端获得足够的电压、功率→推动负载工作华南理工大学广州学院电气工程学院各级特点：输入级：（前置级）要求尽可能高的输入电阻和低的静态电流。中间级：主要提高电压放大倍数。推动级：输出一定信号幅度推动功率输出级工作。输出级：以一定功率驱动负载。多级放大电路的组成输入级电压放大级电压放大级功率输出级推动级～信号源中间级小信号放大电路功率放大电路负载华南理工大学广州学院电气工程学院3.1多级放大电路的耦合方式耦合：在多级放大电路中，组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，每两个单级放大电路之间的连接方式称为耦合。耦合方式：有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合三种。阻容耦合、变压器耦合放大电路只能放大交流信号；直接耦合放大电路既能还能放大交流信号、也能放大直流信号。华南理工大学广州学院电气工程学院3.1.1阻容耦合放大电路各级之间通过耦合电容连接：信号源与第一级放大电路用电容C1进行耦合；两级放大电路之间通过耦合电容C2连接；第二级放大电路与负载用电容C3进行耦合。1．阻容耦合放大电路的特点第一级第二级负载信号源RB1RC1C1C2RB2CE1RE1+++++–RS+–RC2C3CE2RE2RL+++UCC+––oU1OUiUSUB1RB2RV1V2华南理工大学广州学院电气工程学院优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。应用：在多级分立元件放大电路中广泛应用。Rsus+－+ui－RC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo－+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1－+++++华南理工大学广州学院电气工程学院2．阻容耦合放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析:电压放大倍数：电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。unuuiiuAAAUUUUUUUUA21inoi2o2o1on级放大电路的前级输出电压就是后级的输入电压：Uo1=Ui2，Uo2=Ui3，…，Uo(n-1)=Uin，所以华南理工大学广州学院电气工程学院两级放大电路电压放大倍数：1122ooouuuiiiUUUAAAUUU注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。输入电阻：就是第一级的输入电阻。输出电阻：就是最后一级的输出电阻。华南理工大学广州学院电气工程学院例在图示两级组容耦合放大电路中，已知12CCUV，30B11RkΩ，15B21RkΩ，3C1RkΩ，3E1RkΩ，20B12RkΩ，10B22RkΩ，5.2C2RkΩ，2E2RkΩ，5LRkΩ，5021，7.0BE2BE1UUV。求：（1）各级电路的静态值；（2）各级电路的电压放大倍数1uA、2uA和总电压放大倍数uA；（3）各级电路的输入电阻和输出电阻。Rsus+－+ui－RC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo－+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1－+++++华南理工大学广州学院电气工程学院解（1）静态值的估算。第一级：）（V412153015CCB12B11B12B1URRRU）（mA1.137.04E1BE1B1E1C1RUUII）（）（A22mA501.11C1B1II）（V4.5)33(1.112)(E1C1C1CCCE1RRIUU第二级：）（V412102010CCB22B21B22B2URRRU）（mA65.127.04E2BE2B2E2C2RUUII）（）（A33mA5065.12C2B2II）（V62.4)25.2(65.112)(E2C2C2CCCE2RRIUU华南理工大学广州学院电气工程学院（2）求各级电路的电压放大倍数1uA、2uA和总电压放大倍数uA。首先画出电路的微变等效电路。如图所示。rbe1+o1U－b1I+iU－b1IRC1RB11Rs+sU－RB12rbe2+oU－b2Ib2IRC2RLRB21RB22第一级第二级三极管V1的动态输入电阻为：15001.126)501(30026)1(300E11be1Ir(Ω)5.1(kΩ)三极管V2的动态输入电阻为：110065.126)501(30026)1(300E22be2Ir(Ω)1.1(kΩ)华南理工大学广州学院电气工程学院第二级输入电阻为：94.01.1//10//20////be2B22B212rRRri（kΩ）第一级等效负载电阻为：72.094.0//3//2C1L1irRR（kΩ）第二级等效负载电阻为：67.15//5.2//LC2L2RRR（kΩ）第一级电压放大倍数为：245.172.050be1L111rRAu第二级电压放大倍数为：761.167.150be2L222rRAu两级总电压放大倍数为：1824)76()24(21uuuAAA华南理工大学广州学院电气工程学院（3）求各级电路的输入电阻和输出电阻。第一级输入电阻为：3.15.1//15//30////be1B12B111rRRri（kΩ）第二级输入电阻在上面求出，为0.94kΩ。第一级输出电阻为：3C1o1Rr（kΩ）第二级输出电阻为：5.2C2o2Rr（kΩ）第二级的输出电阻就是两级放大电路的输出电阻。华南理工大学广州学院电气工程学院3．阻容耦合放大的频率特性和频率失真前面对放大电路的讨论仅限于中频范围——信号频率不太高也不太低的情况。放大电路中存在耦合电容、发射极旁路电容、晶体管结电容和连线之间的分布电容，它们的容抗随输入信号频率的变化而变化。在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。放大倍数模|Au|与频率f的关系称为幅频特性、相位与频率f的关系称为相频特性，二者统称为频率特性或频率响应。华南理工大学广州学院电气工程学院fOAum)()(ffAAuu0.707AumfOAufLfH阻容耦合放大电路的频率特性2.频带宽度(带宽、通频带)BW(BandWidth)BW=fHfLfHAu(f)—幅频特性(f)—相频特性fL—下限截止频率fH—上限截止频率1.幅频特性和相频特性fL和fH为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率。华南理工大学广州学院电气工程学院fOAum0.707AumfOAufLfH阻容耦合放大电路的频率特性中频段：中频段是指在通频带以内的频率范围。电压放大倍数近似为常数。低频段：低频段是指ffL的频率范围。耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高频段：高频段是指ffH的频率范围。晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。华南理工大学广州学院电气工程学院这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真。AuAum0.707AumfHfLf通频带阻容耦合放大电路的幅频特性一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。华南理工大学广州学院电气工程学院3.1.2直接耦合放大电路+ui－RC1V1RB1+uo－+UCCRC2V2RE2+uo1－优点：A.有良好的低频特性，能放大缓慢变化的信号和直流信号。B.电路中没有大容量的电容，便于集成化。直接耦合放大电路，前后级之间没有耦合电容。缺点：A.前后级Q点相互影响。B.存在零点漂移现象。华南理工大学广州学院电气工程学院V1管的集电极电阻RC1也是后级的偏置电阻，RC1越小，V2基极偏流越大，导致V2深度饱和状态。简单的直接耦合不能工作：UCE1=UBE2≈0.7VV1管的集电极电位被V2管的基极限制在0.7V左右，使V1管的Q点接近于饱和区，因而不能正常放大。——第一级的静态工作点已接近饱和区。1．前、后级静态工作点相互影响华南理工大学广州学院电气工程学院+ui－RC1V1RB1+uo－+UCCRC2V2RE2+uo1－改进方法：提高后级的发射极电位。如：在V2发射极加电阻RE2提高V1的集电极电位，增大输出电压幅度。使V2有合适的Q。华南理工大学广州学院电气工程学院2．零点漂移在直接耦合放大电路中，若将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，有一个随时间缓慢变化、不规则信号输出，即输出电压在静态值上下随机偏离。这种输入电压为零，输出电压不为零且缓慢变化的现象称为零点漂移：ui＝0，uo≠0（1）何谓零点漂移？华南理工大学广州学院电气工程学院（2）零点漂移的严重性？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漂移。（3）产生零点漂移的原因？三级管参数随温度的变化，电路元件参数的变化，电源电压的波动。温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因，故也将零点漂移称为温度漂移，简称温漂。华南理工大学广州学院电气工程学院在阻容耦合的放大电路中，这种缓慢变化的漂移电压被耦合电容阻隔，不会传送到下一级电路进一步放大。在直接耦合放大电路中，前一级的漂移电压和有用信号一起被送到下一级且逐级放大，导致输出不能区分有用信号和漂移电压。一般来说，直接耦合放大电路的零点漂移主要取决于第一级，而且级数越多，放大倍数越大，零点漂移越严重。华南理工大学广州学院电气工程学院uodIdAuu从数值上衡量零点漂移严重程度：CVTAuuod/温漂是零点漂移主要部分，所以把温度每变化1℃在输出端的温漂电压折合到输入端：华南理工大学广州学院电气工程学院抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。RCRCRE－UEE+UCCV1V2+ui1－+uo－+ui2－+uo1－+uo2－3.2差动放大电路3.2.1差动放大电路的工作原理由完全相同的两个共发射极单管放大电路组成。输入信号电压ui1、ui2加在两个输入端上。输出信号uO从两个输出端取。华南理工大学广州学院电气工程学院o2o1o21uuuuuuiiiRCRCRE－UEE+UCCV1V2+ui1－+uo－+ui2－+uo1－+uo2－1．抑制零点漂移的原理静态时，uil=ui2=0，由于电路的对称性，有：IC1=IC2，UC1=UC2输出电压：uo＝UC1－UC2=0温度变化时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即：ΔIC1=ΔIC2，ΔUC1=ΔUC2输出电压：uo＝(UC1+ΔUC1)－(UC2+ΔUC2)=0即消除了零点漂移。华南理工大学广州学院电气工程学院2．信号输入共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。iciiuuu210o2o1oo2o1uuuuAuuicu共模电压放大倍数：0icuuAo