第5章 差分放大器与多级放大器.

第5章差分放大器与多级放大器5.1多级放大电路的一般结构及耦合方式5.2多级阻容耦合放大电路的分析5.3直接耦合式放大电路5.4差分放大电路5.5恒流源差分放大电路与电流源5.6集成运算放大器及读图方法5.1多级放大电路的一般结构及耦合方式5.1.1多级放大电路的一般结构一个三极管（或场效应管）构成的单管放大电路的放大倍数一般为几倍～几十倍。而在实际应用的电子设备中，要求的放大倍数往往很大。为此，需要把若干单级放大电路串接起来，组成多级放大电路。图5-1-1为三级放大电路示意图：图5-1-15.1.1多级放大电路的一般结构1、电压放大倍数（5-1-1）对于n级放大器：（5-1-3）式中：各级电压放大倍数都是把后级的输入电阻作为前级的负载的情况下求得的。（即考虑了后一级放大电路对前一级放大电路的负载效应）32130322101103····vvviioiiiovAAAvvvvvvvvvvAvnvvvAAAA···21图5-1-15.1.1多级放大电路的一般结构2、输入电阻Ri：多级放大电路的输入电阻Ri就是第一级的输入电阻Ri1。（5-1-4）3、输出电阻Ro：三级放大电路的输出电阻Ro就是第三级的输出电阻Ro3。（5-1-5）对于级n级放大电路：（5-1-6）多级放大电路的级与级之间、信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的连接均称为耦合。常用的耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等。1iiRR030RRonRR0图5-1-15.1.2多级放大电路的级间耦合方式1、阻容耦合在多级放大电路中，级与级之间通过电容连接的耦合方式称为阻容耦合。图中：电容C1将输入信号耦合到三极管T1的基极；电容C2将T1的输出信号耦合到T2的基极；电容C3将T2的输出信号耦合到外接负载RL。阻容耦合的优点：①前后级通过电容相连，所以各级的静态工作点相互独立，不相互影响。②只要电容选得足够大，在一定频率范围内的信号可以几乎不衰减地传送到下一级。阻容耦合又称为电容耦合。阻容耦合的不足：①不能传送直流信号。②不适用于传送缓慢变化的信号（因为对于缓慢变化的信号，信号频率低，电容容抗大，使信号衰减很大）。③大容量电容在集成电路中难以制造。图5-1-2两级阻容耦合放大电路5.1.2多级放大电路的级间耦合方式2、直接耦合为了克服电容对缓慢变化的信号在传输过程中带来的不良影响，可采用将级与级之间直接用导线连接起来的方式，称为直接耦合。图中，输入信号与T1的B极直接耦合，T1的C极与T2的B极直接耦合，T2的C极与负载之间直接耦合。直接耦合的优点：①既可以放大交流信号，也可以放大直流和缓慢变化的信号，频率响应好。②电路简单，便于集成。直接耦合的不足：①各级静态工作点相互牵制，彼此不独立。导致设计和调整比较麻烦。②零点漂移。图5-1-3两级直接耦合放大电路5.1.2多级放大电路的级间耦合方式3、变压器耦合变压器耦合是以变压器作为耦合元件的电路。变压器通过磁路的耦合，把初级的交流信号传送到次级，而直流电流、电压不能耦合到次级。变压器耦合的优点：①使级与级之间达到阻抗匹配，以获得最大的功率增益。②各级静态工作点彼此独立，互不影响，设计和调整比较方便。变压器耦合的不足：①频带比较窄。②体积大、笨重、价格也比较贵。图5-1-4变压器耦合放大电路5.1.2多级放大电路的级间耦合方式4、光电耦合光电耦合是依靠光电耦合器完成的。发光二极管为输入回路，它将电能转换成光能。光敏三极管为输出回路，它将光能再转换成电能。光电耦合主要应用在输入电路地线与输出电路地线需要相互隔离的场合。图5-1-5光电耦合放大电路5.2多级阻容耦合放大电路的分析多级放大电路的动态性能指标与单级放大电路相同。即：电压增益，输入电阻，输出电阻。分析交流性能时，各级之间是互相联系的。第一级的输出电压是第二级的输入电压；第二级的输入电阻又是第一级的负载电阻。例5-2-1两级阻容耦合放大电路如图5-2-2所示，试计算Av、Ri、Ro。（1）求静态工作点画出直流通路，如图5-2-3所示。由于两级放大电路的参数相同，所以两级的静态工作点相同。图5-2-2两级阻容耦合放大电路图5-2-3直流通路VkmAVRIVVmAIIImAkVVRVVICCQCCCEQBQCQEQBBEQCCBQ63212204.05004.02807.012例5-2-1(2)求出输入和输出电阻画出微变等效电路，如图5-2-4所示。(3)求电压放大倍数kRRRRkkkrRRRRImVrrCbebiiiEQbebe386.0863.028086322651200261200201020112121倍倍倍33729.86)8.38(·9.86863.05.150··5.1338.38863.067.050··67.086.032122222220222211112111011211vvvbeLbebLCbivLCLbeLbebiCbiviCLAAAkkrRriRRivvAkkkRRRkkrRriRRivvAkkkRRR图5-2-4微变等效电路5.3直接耦合式放大电路直接耦合放大电路的静态工作点的计算是逐级进行的，每级的工作点不是独立的，求解时需要考虑它们之间的关系。5.3.1静态工作点的计算5.3.2级间电位配置5.3.3温漂的现象：5.3.1静态工作点的计算由T1管的偏置电路可求得：由T2管的输入电路可知：求得：(5-3-5)当IB2IC1时，即忽略IB2对IC1的影响，则QBQCQBQCBBECCQBIIIIIRVVI21111111CCEQEBECVRIVRI22112111122CRECQCBECCQERRIVVI222212111CQCCCCEBEQCQECQCCCCRIVVRVVIRIVV图5-3-1二级直接耦合放大电路5.3.2级间电位配置在直接耦合式放大电路中，前一级的输出电位是后一级的输入电位，因此存在级间电位配置是否合理的问题。例如图5-3-2中：T1管的VCE1等于T2管的导通电压VBE2≈0.7V，为了扩大T1的输出电压范围，需要提高T1管的集电极电位。方法是在T2管的发射极串入一个电阻RE。这样，三极管的集电极电位随着放大级数的增加逐级提高，动态范围却越来越小，因此很难设置合适的静态工作点。对于这样的电平移动，解决的方法通常是采用PNP管来改变。图5-3-2直接耦合电路5.3.2级间电位配置直接耦合电路的主要特点有：①能放大缓慢变化甚至直流信号。②电路中只有三极管和电阻等，没有大电容、变压器等，便于集成。所以在集成电路中广泛采用直接耦合方式。③各级的工作点相互影响，因此必须合理安排各级的直流电平。④输入端和输出端的直流电位要考虑满足“零输入时零输出”。⑤存在“零点漂移”现象，即在输入为零时，输出电压有可能偏离零值点。5.3.3温漂的现象：当把放大器的输入端短路时，从理论上说输出端信号电压应为零（即输出端电压等于它的静态值）。但对于直接耦合电路而言：实际上电路的输出端存在缓慢变化的电压，即输出电压偏离静态值而上下漂移，这种现象称为温度漂移，简称温漂或零漂。放大电路的放大倍数越大，输出端的温漂越严重。为了比较，一般都把输出端的漂移电压折合到输入端，即用输出端的漂移电压△v0除以电压放大倍数Av的相对值，作为输入端的等效漂移电压，同时还应考虑引起零漂的温度变化范围。vAv05.3.3温漂的现象：温度漂移是指在输入端短路时输出端的温漂电压△v0折合到输入端后得到的等效漂移电压△vi与温度变化量之比。温度漂移的单位是(5-3-9)式中：Av为电压放大倍数，△T（℃）为温度变化量。而在阻容耦合电路中，由于电容的作用，电路中存在各级本身的温漂，但不会传到下一级。℃V/TAvTvvi05.4差分放大电路由于在直接耦合放大电路中，存在着级间耦合问题，电平匹配问题以及零点漂移问题。其中前二个问题可以通过改进电路结构和管子类型等来解决，但零点漂移问题却无法解决。为解决这些问题，需要设计新的放大电路来解决零点漂移等问题。本节主要内容：5.4.1基本差分电路5.4.2长尾式差分电路5.4.3长尾式差分电路的工作原理分析5.4.4差分放大电路四种接法的分析与比较5.4.1基本差分电路1、基本差分电路的组成基本差分电路如图5-4-1和图5-4-2。其工作原理是利用对称性来解决和克服零漂问题。电路左右两边对称，指电路结构及元件的特性与参数完全相同，使T1、T2在同一个直流电源供电情况下具有相同的静态工作点。输入信号：（5-4-2）输出信号：（5-4-3）电压放大倍数：（5-4-4）图5-4-1基本差分电路形式之一图5-4-2基本差分电路形式之二★当输出信号从其中任一个集电极输出时，称为单端输出。★当输出信号从两个集电极之间输出时，称为双端输出或浮动输出。21iiivvv02010vvv2102010iiivvvvvvvA5.4.1基本差分电路2、基本差分电路的工作原理若差分电路两个输入端的电压分别为vi1和vi2。①当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相反时，定义为差分输入信号或差模输入信号vd。vi1=-vi2，此时，放大电路的输入电压为：或：式中，vd称为差分输入电压或差模输入电压。②当输入信号vi1和vi2大小相等、极性相同时，定义为共模输入信号vc。则：或：图5-4-1基本差分电路形式之一121222iiiidivvvvvv22211iidivvvv22212iidivvvv21iicvvv2211iicivvvv2212iicivvvv5.4.1基本差分电路2、基本差分电路的工作原理③当输入信号中既有差模信号，又有共模信号时，则基本差分电路输入端的信号可分解为二种信号的叠加，即（5-4-11a）（5-4-11b）根据式（5-4-11a、b）可得出如下结论：在差分放大电路输入端施加的任意形式的信号都可以分解为差模信号与共模信号的叠加，输出端的响应都可视为差模信号与共模信号共同作用的结果。图5-4-1基本差分电路形式之一22221211iiiidcivvvvvvv22221212iiiidcivvvvvvv例5-4-1，已知基本差分放大电路如图5-4-1所示vi1=5V、vi2=3V，求此时作用于放大电路输入端的差模电压为多少？共模电压为多少？解：根据差模信号的定义，总的差模输入信号为：由电路的对称性可知，每个输入端的输入电压为：根据共模信号的定义有：于是，两个实际的输入信号电压可等效为图5-4-3(a)或图5-4-3(b)的形式。12532diivvVvVVVvvVvvdidi121221Vvvviic42352215.4.1基本差分电路3、放大倍数的计算：由图5-4-1可见，对于差模输入信号，由于vi1=-vi2则根据共射放大电路输出与输入反相的特点：得，差模输入信号作用下的电压放大倍数为：（5-4-12）Ad称为差模电压放大倍数。对于共模输入信号：由于电路对称，则（5-4-13）AC称为共模电压放大倍数。图5-4-1基本差分电路形式之一1212iiidivvvvv01020102vvvv0010111(/2)22CLdiiibeRRvvvAvvvr21iicivvvv00201vvvo000iiCvvvA5.4.1基本差分电路3、放大倍数的计算(续)：基本差分放大电路只对差模输入信号进行放大，而不对共模