第5章-多级放大电路和集成运算放大器

第5章多级放大电路和集成运算放大电路5.多级放大电路和集成运算放大器5.1多级放大电路的分析5.2差分放大电路5.3集成运算放大器1、多级放大电路的基本概念以及多级放大电路的耦合方式；2、熟练掌握多级放大电路的动态分析；3、直接耦合放大电路的零点漂移现象；4、掌握差分放大电路的共模信号、差模信号、共模放大倍数、差模放大倍数、共模抑制比的概念。5、差分放大电路的组成、抑制零点漂移的原理以及四种接线方式的分析计算。6、了解集成运算放大器的原理。要求5.1多级放大电路的分析5.1.1多级放大电路的耦合方式5.1.2多级放大电路的分析方法5.1.3多级放大电路的频率特性5.1.4多级直接耦合放大电路的零点漂移现象5.1.1多级放大电路的耦合方式四种常见的耦合方式：直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如Au＝104、Ri=2MΩ、Ro=100Ω）时，应考虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先应考虑如何“连接”几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻第二级第一级(1)可以放大交流和缓慢变化及直流信号；(2)便于集成化。(3)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随着级数增加而上升；(4)零点漂移（如何克服）。特点：5.1.1多级放大电路的耦合方式一、直接耦合Q1合适吗？对哪些动态参数产生影响？用什么元件取代Re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大？二极管导通电压UD＝？动态电阻rd＝？Re5.1.1多级放大电路的耦合方式一、直接耦合UCEQ1太小→加Re（Au2数值↓）→改用D→若要UCEQ1大，则改用DZ。稳压管伏安特性小功率管多为5mA由最大功耗得出必要性？rz＝Δu/Δi，小功率管多为几欧至二十几欧。5.1.1多级放大电路的耦合方式一、直接耦合NPN型管和PNP型管混合使用问题的提出：在用NPN型管组成N级共射放大电路，由于UCQi＞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＜UCQ15.1.1多级放大电路的耦合方式一、直接耦合共射电路共集电路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。特点：(1)静态工作点相互独立，在分立元件电路中广泛使用。(2)不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。(3)在集成电路中无法制造大容量电容，不便于集成化，尽量不用。5.1.1多级放大电路的耦合方式二、阻容耦合从变压器原边看到的负载等效电阻。可能是实际的负载，也可能是下级放大电路理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。以前功率放大电路广泛采用此耦合方式。目前基本不用。5.1.1多级放大电路的耦合方式三、变压器耦合5.1.2多级放大电路的动态分析1.电压放大倍数njujnuAUUUUUUUUA1ioi2o2io1io2.输入电阻i1iRR3.输出电阻nRRoo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.由于电容的隔直作用，各级放大器的静态工作点相互独立，分别估算。2.前一级的输出电压是后一级的输入电压。3.后一级的输入电阻是前一级的交流负载电阻。4.总电压放大倍数=各级放大倍数的乘积5.总输入电阻为第一级的输入电阻6.总输出电阻为最后一级的输出电阻由此可知，射极输出器接在多级放大电路的首级可提高输入电阻；接在末级可减小输出电阻；接在中间级可起匹配作用，从而改善放大电路的性能。)])(1([L622be5i2RRrRR∥∥21L62be2L6221bei231)()1()()1()(uuuuuAAARRrRRArRRA∥＋∥＋∥be121irRRR∥∥1be2536orRRRR∥∥分析举例例题oiiouRRUUA、、1.已知=50，求下图所示放大电路的mA.IIB2C2691解：uA.R)(RUVIe1b1BECCB293316984261200.)mA(I)mV()(rE2be2I/)mV(rAKVRVIBbe1bCCB186326200403001211Rb1Rc1Rb2Re2RLRb1Rc1Rb2Re2RLRSuS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLuo1+_uo+_RiRi2RouS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLuo1+_uo+_RiRi2RouS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLuo1+_uo+_RiRi2Rorbe1ßIb1ßIb2Ib1rbe2Ib2k)]//RR)((r//[RRLebe2bi2611225217.r)R//R(UUAbe1i2c1io1u11o1ou2UUA5217.AAUUUUUUAu2u1o1oio1iou8633001be1be1be1birr//kr//RR951r)R//R(//RRbe2b2c1e2ouS+_RSRb1RC1Rb2Re2RLuo1+_uo+_RiRi2Rorbe1ßIb1ßIb2Ib1rbe2Ib2例题电路如图，1）说明T1、T2管的组态及其具有的特点；2）写出电路的电压放大倍数表达式。5.1.3多级放大电路的频率响应一个两级放大电路每一级（已考虑了它们的相互影响）的幅频特性均如图所示。6dB3dBfLfH≈0.643fH1121lg40lg20lg20lg20uuuuAAAAfLfL1，fHfH1，频带变窄！直接耦合放大电路可以放大直流信号或者变化比较缓慢的信号。主要原因：温漂指标：温度变化引起，也称温漂。温度每升高1度时，输出漂移电压按电压增益折算到输入端的等效输入漂移电压值。电源电压波动也是原因之一5.1.4直接耦合放大电路的零点漂移现象一、零点漂移零漂：ΔuI＝0，ΔuO≠0的现象。二、零点漂移的原因例如100,=u1A若第一级漂了100uV，则输出漂移1V。若第二级也漂了100uV，则输出漂移10mV。假设第一级是关键。1=100,=u3u2AA三、减小零漂的措施漂了100uV漂移10mV+100uV漂移1V+10mV漂移1V+10mV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5.2差分放大电路5.2.1典型长尾式差分放大电路5.2.2具有电流源的差分放大电路一、电路二、工作原理三、指标计算零输入零输出若V与UC的变化一样，则输出电压就没有漂移信号特点？能否放大？零点漂移参数理想对称：Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，Re1=Re2;T1、T2在任何温度下特性均相同。5.2.1典型长尾式差分放大电路5.2.1典型长尾式差分放大电路在理想对称的情况下：1.克服零点漂移；2.零输入零输出。信号特点？差模信号一对大小相等，极性相反的信号，用uid1、uid2表示，uid1=-uid2共模信号一对大小相等，极性相同的信号，用uic1、uic2表示，uic1=uic2一、电路的组成二、工作原理1.静态工作情况：令uI1=uI2=002CQ1CQOCQ2CQ1CQEQ2EQ1EQCQ2CQ1CQBQ2BQ1BQUUuUUUIIIIIIIIIeBEQEEEQBQbeEQBEQbBQEE22RUVIIRRIURIV很小，所以小，且因为Rb是必要的吗？2.放大差模信号C1OC21CC21CB21B2uuuuiiii△iE1=－△iE2，Re中电流不变，即Re对差模信号。2/IdI2I1uuu差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即差模信号作用下的交流通路，射极电阻应对地短接。二、工作原理3.抑制共模信号0)()(C2CQ2C1CQ1C2C1Ouuuuuuu0cIcOccAuuA，参数理想对称时共模放大倍数C21CC21CB21Buuiiii共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即IcI2I1uuu共模信号作用下画交流通路，单管射极电阻应为2Ree。以双倍的元器件换取抑制零漂的能力二、工作原理3.抑制共模信号：Re的共模负反馈作用0cIcOccAuuA参数理想对称时共模放大倍数Re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。RcT12ReeIec1uoc1uicRb当温度变化或电源电压波动时，都将使集电极电流产生变化，且变化趋势是相同的，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号。差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，这就意味着差放对由温度变化或电源电压波动所引起的输出漂移有很强的抑制作用。这就是研究共模输入信号的意义。3.抑制共模信号1.静态计算eEQBEQbBQEE2RIURIVBEQcCQCCCEQEQBQ1URIVUII，晶体管输入回路方程：eBEQEEEQ2RUVI通常，Rb较小，且IBQ很小，故三、指标计算为什么？2.差模信号作用时的动态指标RbRcuid12RLT1RbRcuid22RLT2uid三、指标计算bebLcud)2(rRRRA∥差模放大倍数IdOduduuA2)(2codbebidRRrRR，差放的特点：输入无差别，输出就不动；输入有差别，输出就变动。2.差模信号作用时的动态指标三、指标计算在实际应用时，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2.差模信号作用时的动态指标三、指标计算双端输入单端输出时：bebLcud)(21rRRRA∥codbebid)(2RRrRR，2.差模信号作用时的动态指标三、指标计算cCQCCCQ2LcCQCCLcLCQ1)(RIVURRIVRRRU∥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。双端输入单端输出时静态计算：3.共模信号作用时的动态指标三、指标计算0ucIcOcucAuuA参数理想对称时共模放大倍数RcT12ReeIec1uoc1uicRb（1）双端输出共模动态指标cocebeb1BIcIcIcic2β)(12212RRRrRiuiuR输出电阻输入电阻ebebLcc)1(2)(RrRRRA∥3.共模信号作用时的动态指标三、指标计算（1）单端输出共模动态指标共模抑制比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。ucudCMRAAK4.共模抑制比三、指标计算（1）双端输入双端输出共模抑制比CMRuc0KA所以因为)dB(20lgucudCMRAAK（2）双端输入单端输出共模抑制比bebLcud)(21rRRRA∥ebebLcuc)1(2)(RrRRRA∥bebebebCMR)1(2rRRrRKbebLcud)(21rRRRA∥（1）T2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？bebebebCMR)1(2rRRrRKcodbebid)(2RRrRR，讨论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/IIcIIduuuu，5.单端输入的指标计算三、指标计算其中的差模指标和共模指标的计算与双端输入相同。ui1=uic+uid/2ui2=uic-uid/2uic=u