模拟电子技术基础LESSON3多级放大电路和集成运算

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1、多级放大电路和集成 电路运算放大器,第 三 章,3.1 多级放大电路,3.3 集成电路运算放大器,小结,3.2 差分放大电路,引 言,3.1.1 级间耦合问题,3.1.2 多级放大电路的分析,3.1 多级放大电路,为什么要多级放大？在第2章，我们主要研究了由一个晶体管组成基本放大电路，它们的电压放大倍数一般只有几十倍。但是在实际应用中，往往需要放大非常微弱的信号，上述的放大倍数是远远不够的。为了获得更高的电压放大倍数，可以把多个基本放大电路连接起来，组成“多级放大电路”。其中每一个基本放大电路叫做一“级”，而级与级之间的连接方式则叫做“耦合方式”。 实际上，单级放大电路中也存在电路与信号源以及

2、负载之间的耦合问题。,引 言,3.1.1 级间耦合问题,极间耦合形式：,直接 耦合,电路简单，能放大交、直流 信号，“Q” 互相影响，零点 漂移严重。,阻容 耦合,各级 “Q” 独立，只放大交流 信号，信号频率低时耦合电 容容抗大。,变压 器 耦合,用于选频放大器、 功率放大器等。,1、阻容耦合 阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，其方框图所示。,阻容耦合放大电路的方框图,单级阻容耦合放大电路,两极阻容耦合放大电路,1）各级的直流工作点相互独立。由于电容器隔直流而 通交流，所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的，这样就给设计、调试和分析带来很大方便。,2）在传输过程中，交流信号损失少。

3、只要耦合电容选得 足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地 加到后 级，实现逐级放大。,优点：,3）电路的温漂小。 4）体积小，成本低。,缺点：,2）低频特性差；,1）无法集成；,3）只能使信号直接通过，而不能改变其参数。,2、 变压器耦合,变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧，因此可以作为耦合元件。,变 压 器 耦 合,的 两 级 放 大 电 路,为什么要讲变压器耦合？因为变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,图4-5 变压器的等效电路,工作原理：,优点：,1）变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立、互不影响的。因为变压器不能传送直

4、流信号。,2）变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。,3）变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,缺点：,1）高频和低频性能都很差；,2）体积大，成本高，无法集成。,3 直接耦合,直接耦合和两级放大电路,存在两个问题：,1）第一级的静态工作点已接近饱和区。,2）由于采用同种类型的管子，级数不能太多。,（1）直接耦合的具体形式,为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。,（a）,R,R,B1,C1,u,i,u,o,T,T,1,2,U,CE1,R,C2,(a) 加入电阻RE2,R,R,B1,C1,R,C2,u,i,u,o,T,T,1,2,R,Uz,+V,Dz,CC,（b）在

5、T2的发射极加入稳压管,R,R,B1,C1,R,E2,u,i,u,o,T,T,1,2,R,C2,为了解决第二个问题：可以在电路中采用不同类型的管子，即NPN和PNP管配合使用，如下图所示。,利用NPN型管和PNP型管进行电平移动,（1）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。由于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。,（2）便于集成。由于电路中只有晶体管和电阻，没有电容器和电感器，因此便于集成。,缺点：,优点：,（1）各级的静态工作点不独立，相互影响。会给设计、计算和调试带来不便。,（2）引入了零点漂移问题。零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重。,（2）直接耦合放大电路的

6、优缺点,（3）直接耦合放大电路中的零点漂移问题,1）何谓零点漂移？,2）产生零点漂移的原因,3）零点漂移的严重性及其抑制方法,电阻，管子参数的变化，电源电压的波动。如果采用高精度电阻并经经过老化处理和采 用高稳定度的电源，则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。,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。,注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是

7、，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。,抑制零点漂移的方法：,1）采用恒温措施，使晶体管工作温度稳定。需要恒温室或槽，因此设备复杂，成本高。,2）采用温度补偿法。就是在电路中用热敏元件或二极管（或晶体管的发射结）来与工作管的温度特性互相补偿。最有效的方法是设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移相互抵消。这就是“差动放大电路”的设计思想。,3）采用直流负反馈稳定静态工作点。,4）各级之间采用阻容耦合。,4）零点漂移大小的衡量,uIdr= uOdr/Au T,u

8、Odr是输出端的漂移电压；,uIdr就是温度每变化1折合到放大电路输入端的漂移电压。,T是温度的变化；,Au是电路的电压放大倍数；,思路：根据电路的约束条件和管子的IB、IC和IE的相互关系，列出方程组求解。如果电路中有特殊电位点，则应以此为突破口，简化求解过程。,3.1.2多级放大电路的分析,1、静态工作点的分析,变压器耦合 同第二章单级放大电路 阻容耦合 直接耦合,例:1,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。 计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);,解:,两级放大电路的静态值可分别计算。,RB1,C1,C2,RE1,+,+,+,RC2

9、,C3,CE,+,+,+24V,+,T1,T2,1M,27k,82k,43k,7.5k,510,10k,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,解:,RB1,C1,C2,RE1,+,+,+,RC2,C3,CE,+,+,+24V,+,T1,T2,1M,27k,82k,43k,7.5k,510,10k,2、动态性能分析,= Au1Au2 Aun,Au1(dB) = Au1 (dB) + Au2 (dB) + + Aun (dB),考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!,（1）放大倍数的计算,（2）输入和输出电阻的计算,多级放大电路的输入电阻为

10、第一级放大电路的输入电阻。,多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻。,例:2,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。,（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。 （2）求放大电路的输入电阻和输出电阻,（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,2,b,I,2,c,I,rbe2,RC2,rbe1,RB1,1,b,I,1,c,I,RE1,+,_,+,_,+,_,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,(2) 计算 r i和 r 0,微变等效电路,由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等于第一级的输

11、入电阻ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻 ri2。,2,b,I,2,c,I,rbe2,RC2,rbe1,RB1,1,b,I,1,c,I,RE1,+,_,+,_,+,_,1 = 60, 2 = 100; rbe1= 2 k, rbe2 = 2.2 k。 求 Au, Ri, Ro。,例 3:,解,Ri2 = R6 / R7 / rbe2,RL1 = R3 / Ri2,AU=AU1AU2,Ri = Ri1= R1 / R2 / rbe1 + (1+ 1)R4,Ro = R8 = 4.7 k,3、三种耦合方式放大电路的应用场合,阻容耦合放大电

12、路：用于交流信号的放大。,变压器耦合放大电路：用于功率放大及调谐放大。,直接耦合放大电路：一般用于放大直流信号或缓慢变化的信号。,集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式。为了抑制零漂，它的输入级采用特殊形式的差动放大电路。,3.2 差分放大电路,3.2.1 差分放大电路的工作原理,3.2.3 具有恒流源差分放大电路,3.2.2 差分放大电路的输入输出形式,3.2.1 差动放大电路的工作原理,(Differential Amplifier),一 电路组成及抑制零漂的工作原理,1、电路组成,特点： a.两只完全相同的管子； b.两个输入端， 两个输出端； c.元件参数对称；,2、抑制零漂的工作原理

13、,原理：静态时，输入信号为零，即将输入端和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。,具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。,结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,3、信号的输入方式和电路的响应,（1）差模输入方式,Ui1=Uid，Ui2=

14、Uid,差模输入信号为Ui1 Ui2=2 Uid,差模输入方式,若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：,ui1ib1 ic1 uc1,ui2 ib2 ic2 uc2 ,输出电压uO= uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。,定义：Ad=Uod/2Uid,结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。,（2）共模输入方式,Ui1=Ui2=Uic,在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。,ui1=ui2=0，uo=0,Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。,定义：Ac=Uoc/Uic,共模输入方式下的差放电路,Ac叫做共模电压放大

15、倍数。理论上讲，Ac为0，实际上 由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般Ac1。,既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？ 差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时 温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同 的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用 下，Uoc=0或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化 而引起的零漂。,（3）任意输入方式,输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。,Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2,Ui1=Uic+Uid,Ui2=Uic+（-Uid）,若,则,Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2,任意输入方式,（3）任意输入方式,输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性， 叫“任意输入方式”。,Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2,Ui1=Uic+Uid,Ui2=Uic+（