第3章 多级放大电路

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1、n n主编主编 李中发李中发n n制作制作 李中发李中发n n20042004年年1 1月月电子技术基础电子技术基础第第3 3章章 多级放大电路多级放大电路n n多级放大电路电压放大倍数的计算多级放大电路电压放大倍数的计算n n互补对称功率放大电路的工作原理互补对称功率放大电路的工作原理n n差动放大电路的工作原理及输入输差动放大电路的工作原理及输入输 出方式出方式n n运算放大器的性能特点运算放大器的性能特点n n反馈极性和类型的判别方法反馈极性和类型的判别方法学习要点学习要点n n3.1 3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式n n3.23.2 差动放大电路差动放大电路n n

2、3.3 3.3 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路n n3.4 3.4 集成运算放大器集成运算放大器n n3.5 3.5 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈第第3 3章章 多级放大电路多级放大电路3.1 3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式多级放大电路的组成多级放大电路的组成3.1.1 阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。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。1 1阻容耦合放大电路的特点

3、2 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等于各级电压放大倍数的乘积。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。3 3阻容耦合放大的频率特性和频率失真中频段中频段：电压放大倍数近似为常数。 低频段低频段：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：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。除了

4、电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段 ，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所 以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频 率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅频特幅频特 性性，相位移与频率的函数关系称为相频特性相频特性，二者统称 为频率特性或频率响应频率特性或频率响应。放大电路呈现带通特性。图中fH 和fL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，分别称为上限频率上限频率和下限频率下限频率 ，其差值称为通频带通频带。 一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其 中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

5、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。这种 失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真频率失真。3.1.2 直接耦合放大电路直接耦合放大电路优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号 ；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。 缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题 。 零点漂移零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo 却出现缓慢、不规则波动的现象。 产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。3.2 3.2 差动放大电路差动放大电路3.2.1 差动放大电路的工

6、作原理差动放大电路的工作原理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。静态时静态时，uil=ui20 ，此时由负电源UEE通过电阻RE和两 管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对称性，两 管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即： IC1= IC2 UC1= UC2 输出电压： uo UC1 UC2=0 温度变化时温度变化时，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： IC1= IC2 UC1= UC2 输出电压： uo (UC1 + UC1)( UC2 +

7、UC2 )=0 即消除了零点漂移。1 1抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理2 2信号输入信号输入共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同 。共模电压放大倍数 ： 说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号 。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑 制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑 制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。（1 1）共模输入）共模输入因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表 示，则：差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反 。差模电压放大倍数：可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍 数。差动放大电路用多一

8、倍的元件为代价，换来了对零 漂的抑制能力。（2 2）差模输入）差模输入（3 3）比较输入）比较输入比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任 意的，既非共模，又非差模。 比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的 组合，即：式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得 ：对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压 ：上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关， 而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值 特性。 对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对 差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号， 因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放

9、大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能 力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映 出信号的偏差值。共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号 的能力越强。在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac0。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力 ，引入共模抑制比，以KCMR表示。共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：或用对数形式表示：在发射极电阻在发射极电阻R RE E的作用的作用：是为了提高整个电路以及单管 放大电路对共模信号的抑制能力。负电源负电源U UEEEE的作用的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发 射极基本保持零电位。 恒流源比发射极电阻R

10、E对共模信号具有更强的抑制作用 。3.2.2 差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相 位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端 称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输 入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式 。单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个 输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流 之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变 时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情 况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极 电阻RE的耦合作用，两

11、个单管放大电路都得到了输入信号 的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属 于差模输入。单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。3.3 3.3 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路3.3.1 功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型1 1功率放大电路的特点 功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就 要求功率放

12、大电路不仅要有较高的输出电压，还要有 较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工 作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶 体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分 利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运 用状态，非线性失真也要比小信号的电压放大电路严 重得多。此外，功率放大电路从电源取用的功率较大， 为提高电源的利用率，必须尽可能提高功率放大电路 的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率 与直流电源供出功率的比值。2 2功率放大电路的类型甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点 。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功 率损耗较大，

13、效率较低，最高只能达到50。 乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止 点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率 损耗减到最少，使效率大大提高。 甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间， 晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类和 乙类之间。3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路1 1OCLOCL功率放大电路功率放大电路 静态（ui=0）时，UB=0、UE=0，偏置 电压为零，V1、V2均处于截止状态，负 载中没有电流，电路工作在乙类状态。 动态（ui0）时，在ui的正半周V1导通 而V2截止，V1以射极输出器的形式将正 半周信号输出给负载；

14、在ui的负半周V2 导通而V1截止，V2以射极输出器的形式 将负半周信号输出给负载。可见在输入 信号ui的整个周期内，V1、V2两管轮流 交替地工作，互相补充，使负载获得完 整的信号波形，故称互补对称电路。 由于V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可 与低阻负载RL直接匹配。从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真称为交越失真。产生交越失真的原因是由于V1、V2发射结静态偏压为零，放大电路工作在乙类状态。当输入信号ui小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压为零，使波形失真。为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏

15、压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V2虽然都已基本导通，但因它们对称，UE仍为零，负载中仍无电流流过。2 2OTLOTL功率放大电路功率放大电路因电路对称，静态时两个晶 体管发射极连接点电位为电 源电压的一半，负载中没有 电流。动态时，在ui的正半周 V1导通而V2截止，V1以射极 输出器的形式将正半周信号 输出给负载，同时对电容C充 电；在ui的负半周V2导通而V1 截止，电容C通过V2、RL放电 ，V2以射极输出器的形式将 负半周信号输出给负载，电 容C在这时起到负电源

16、的作用 。为了使输出波形对称，必 须保持电容C上的电压基本维 持在UCC/2不变，因此C的容 量必须足够大。3.4 3.4 集成运算放大器简介集成运算放大器简介3.4.1 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成通常由差动放 大电路构成， 目的是为了减 小放大电路的 零点漂移、提 高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是 为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对 称电路构成， 目的是为了减 小输出电阻， 提高电路的带 负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作 用是为上述各级电路提供稳定、 合适的偏置电流，决定各级的静 态工作点。集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入 端，标端，标“+”“+”的输入端称为同相输入端，输入信的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相号由此端输入时，输出信