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1、第三章 多级放大电路l 当单级放大电路不能满足多方面的性能当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如要求（如Au104、Ri=2M、 Ro=100）时，应考虑采用多级放大电路。）时，应考虑采用多级放大电路。l组成多级放大电路时首先应考虑如何组成多级放大电路时首先应考虑如何“连连接接”几个单级放大电路，耦合方式即连接几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。方式。三种接法的比较：空载情况下空载情况下 接法接法 共射共射 共集共集 共基共基 Au 大大 小于小于1 大大 Ai 1 Ri 中中 大大 小小 Ro 大大 小小 大大 频带频带 窄窄 中中 宽宽 多级放大电路输入电阻的大小取决于输入级所用放大
2、管的类型和电路的基本形式。 带负载的能力（输出电阻的大小）取决于输出级电路的基本形式。 放大倍数取决于各级电路的放大倍数。 低频特性取决于电路的耦合方式及耦合电容、旁路电容的大小。第三章 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3.2 3.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析3.3 3.3 差分放大电路差分放大电路3.4 3.4 互补输出级互补输出级3.5 3.5 直接耦合多级放大电路读图直接耦合多级放大电路读图3.1 多级放大电路的耦合方式一、直接耦合一、直接耦合二、阻容耦合二、阻容耦合三、变压器耦合三、变压器耦合一、直接耦合既是第一级的集电极电阻
3、，既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻又是第二级的基极电阻 能够放大变化缓慢的信能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，号，便于集成化， Q点相互点相互影响，影响，存在零点漂移现象。存在零点漂移现象。 当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。的变化会逐级放大。第二级第二级第一级第一级Q1合适吗？合适吗？直接直接连接连接输入为零，输出输入为零，输出产生变化的现象产生变化的现象称为零点漂移称为零点漂移求解求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。如何设置合适的静态工
4、作点？如何设置合适的静态工作点？Q1合适吗？合适吗？对哪些动态参对哪些动态参数产生影响？数产生影响？ 用什么元件取代用什么元件取代Re既可设置合适的既可设置合适的Q点，又可使第点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？二级放大倍数不至于下降太大？若要若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？则应怎么办？用多个二极管吗？二极管导通电压二极管导通电压UD？动态电阻动态电阻rd？Re如何设置合适的静态工作点？如何设置合适的静态工作点？ UCEQ1太小太小加加Re（Au2数值数值）改用改用D若要若要UCEQ1大，大，则改用则改用DZ。稳压管稳压管伏安特性伏安特性小功率管多为小功率管多为5mA由由最大
5、功耗得出最大功耗得出必要性？必要性？rzu /i，小功率管多为几欧至二十几欧。小功率管多为几欧至二十几欧。NPN型管和PNP型管混合使用 在用在用NPN型管组成型管组成N级共射放大电路，由于级共射放大电路，由于UCQi UBQi，所以所以 UCQi UCQ(i-1）（i=1N），以致于后级集电极电位接），以致于后级集电极电位接近电源电压，近电源电压，Q点不合适。点不合适。UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1UCQ2 UCQ1 UCQ1 （ UBQ2 ） UBQ1UCQ2 UCQ1 二、阻容耦合 Q点相互独立点相互独立。低频时容抗太大，不能放大变化缓慢的信号，。低频时容抗太大，不能放大变化缓慢的
6、信号，所以低频特性差，集成电路中制造大容量电容很困难，不能集所以低频特性差，集成电路中制造大容量电容很困难，不能集成化。只有信号频率很高、输出功率很大的特殊情况下，才使成化。只有信号频率很高、输出功率很大的特殊情况下，才使用阻容耦合方式的分立元件电路。用阻容耦合方式的分立元件电路。共射电路共射电路共集电路共集电路有有零点漂移吗？零点漂移吗？ 利用电容连接信号利用电容连接信号源与放大电路、放大源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容电路与负载，为阻容耦合。耦合。三、变压器耦合 电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合的电路一样，各级静态工作点相互独立，便于分析、设计
7、和调试。 但是电路的低频特性差，且笨重，更不能集成化。 可能是实际的负载，也可能是实际的负载，也可能是下级放大电路可能是下级放大电路电路分析 理想变压器情理想变压器情况下，负载上获况下，负载上获得的功率等于原得的功率等于原边消耗的功率。边消耗的功率。从变压器原从变压器原边看到的等边看到的等效电阻效电阻光电耦合 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。在光电耦合器输入端加电信号使发
8、光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 四、光电耦合光电耦合器内部结构 普通光电耦合器 以单只光敏三极管作输出级，通常是密封在一个六引脚的封装之内，而光敏三极管的基极被引到封装的外面以备使用。在平常的使用中，基极是开路不用的，在此情况下，光电耦合器具有300kHz的有效带宽。 若将基极(引脚6)和发射极(引脚4)的引出端短接在一起即可将光敏三极管能够转换为光敏二极管，在这种情况下，带宽却上升到约30MHz。 达林顿光电耦合器 密封在一个六引脚的封装当中，而且其光敏三极管的基极亦引到封
9、装之外以供使用。其有效带宽仅为30kHz。 双双光光和和四四光光电电耦耦合合器器都都是是利利用用单单只只光光敏敏三三极极管管作作为为输输出出级级的的，而而这这些些光光敏敏三极管的基极却不能外部引用。三极管的基极却不能外部引用。 双光和四光电耦合器 以以上上四四种种器器件件里里，输输入入引引脚脚都都是是在在封封装装的的某某一一边边上上而而输输出出引引脚脚则则是是在在封封装装的的另另一一边边上上。这这种种结结构构有有利利于于增增加加隔隔离离电电压压的的最最大大可可能能值值。前前后后级级间间电电阻阻可可达达到到10109 91313欧姆。因此又统称为欧姆。因此又统称为隔离光电耦合器隔离光电耦合器 双
10、双光光和和四四光光电电耦耦合合器器件件中中，尽尽管管它它们们具具有有1.5KV1.5KV的的隔隔离离电电压压值值，但但是是在在相相邻邻通通道道之之间间所所出出现现的的电电位位差差却却绝对不允许超过绝对不允许超过500V500V。注意：3.2 多级放大电路的动态分析二、分析举例二、分析举例一、动态参数分析一、动态参数分析一、动态参数分析1.电压放大倍数2. 输入电阻3. 输出电阻 对电压放大电路的要求：对电压放大电路的要求：Ri大，大， Ro小，小，Au的数值的数值大，最大不失真输出电压大。大，最大不失真输出电压大。二、分析举例第一级：第二级：动态分析讨论一 失真分析：由失真分析：由NPN型管组
11、成的两级共射放大电路型管组成的两级共射放大电路共射放共射放大电路大电路共射放共射放大电路大电路饱和失真？截止失真？饱和失真？截止失真？ 首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。 比较比较Uom1和和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。哪一级首先出现失真。 在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。讨论二：放大电路的选用1. 按下列要求组成两级放大电路：按下列要求组成两
12、级放大电路：l Ri12k，Au 的数值的数值3000；l Ri 10M，Au的数值的数值300；l Ri100200k，Au的数值的数值150；l Ri 10M ，Au的数值的数值10，Ro100。共射、共射；共射、共射；共源、共射；共源、共射；共集、共射；共集、共射；共源、共集。共源、共集。2. 若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻和空载若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻和空载电压放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数？电压放大倍数？注意级联时两级注意级联时两级的相互影响！的相互影响！清华大学 华成英 3.
13、3 差分放大电路一、零点漂移现象及其产生的原因一、零点漂移现象及其产生的原因二、长尾式差分放大电路的组成二、长尾式差分放大电路的组成三、长尾式差分放大电路的分析三、长尾式差分放大电路的分析四、差分放大电路的四种接法四、差分放大电路的四种接法五、具有恒流源的差分放大电路五、具有恒流源的差分放大电路六、差分放大电路的改进六、差分放大电路的改进一、零点漂移现象及其产生的原因1. 什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。的现象。产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。体管的特性对温度敏感
14、是主要原因，故也称零漂为温漂。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路典型电路：差分放大电路零点漂移零点漂移零输入零输入零输出零输出理想对称理想对称二、长尾式差分放大电路的组成信号特点？信号特点？能否放大？能否放大？共模信号：大小相等，极性相同。共模信号：大小相等，极性相同。差模信号：大小相等，极性相反差模信号：大小相等，极性相反.信号特点？能否放大？信号特点？能否放大？典型电路在理想对称的情况下：在理想对称的情况下：1. 克服零点漂移；克服零点漂移；2. 零输入零输出；零输入零输出；3. 抑制共模信号；抑制共模信号；4. 放
15、大差模信号。放大差模信号。三、长尾式差分放大电路的分析 Rb是必要的吗？是必要的吗？1. Q点：通常，通常，Rb较小，且较小，且IBQ很小，故很小，故选合适的选合适的VEE和和Re就就可得合适的可得合适的Q晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程：2. 抑制共模信号 共模信号：数值相等、极性相同的共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即输入信号，即2. 抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用的共模负反馈作用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对于每一边电路，路，Re=?如如 T()IC1 IC2 UE IB1 I
16、B2 IC1 IC2 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。3. 放大差模信号iE1= iE2，Re中电流不变，即中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。对差模信号无反馈作用。差模信号：数值相等，极性相反差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即的输入信号，即为什么？为什么？差模信号作用时的动态分析差模放大倍数差模放大倍数4.电压传输特性 放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电放大电路输出电压与输入电压之间的关系曲线称为电压传输特性。压传输特性。 根据图线可以看出，只有中间一段是线性的。斜率表根据图线可以看出，只有中间一段是线性的。斜率表示差
17、模放大倍数。当输入过大时输出电压就会发生失真，示差模放大倍数。当输入过大时输出电压就会发生失真，以致输出不再发生变化。以致输出不再发生变化。5. 动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR 共模抑制比共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信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。号的能力和抑制共模信号的能力。 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“ 接地接地”点，以避免点，以避免干扰；或负载需要有干扰；或负载需要有“ 接地接地”点，以安全工作。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根据信号源和负载的接地情况，差分放大电
18、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。入双端输出、单端输入单端输出。四、差分放大电路的四种接法 由于输入回路没有变化，所以由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是与双端输出时一样。但是UCEQ1 UCEQ2。1. 双端输入单端输出：Q点分析点分析双端输入单端输出：差模信号作用下的动态分析：差模信号作用下的动态分析双端输入单端输出：共模信号作用下的分析：共模信号作用下的分析双端输入单端输出：问题讨论：问题讨论（1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？（2）什么情况下）什么
19、情况下Ad为为“”？从？从T2输出时。输出时。（3）双端输出时的）双端输出时的Ad是是单端输出时的单端输出时的2倍吗？倍吗？2. 单端输入双端输出共模输入电压共模输入电压差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：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在输入信号作用下发射极的电位变化吗？说明什么？的电位变化吗？说明什么？单端输入双端输出问题讨论：问题讨论：（1）UOQ产生的原因？产生的原因？（2）如何减小共模输出）如何减小共模输出电压？电压？测试测试:差模输出差模输出共模输出共模输出静态时的值静态时的值3. 单端输入单端输出4. 四种接法的比
20、较：电路：电路参数参数理想对称条件下理想对称条件下输入方式：输入方式： Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。单端输入时有共模信号输入。输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。五、具有恒流源的差分放大电路 Re 越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时的强，单端输出时的Ac越小，越小，KCMR越大，差分放越大，差分放大电路的性能越好。大电路的性能越好。 但为使静态电流不变，但为使静态电流不变，Re 越大，越大，VEE越越大，以大，以至
21、于至于Re太大就太大就不合理了。不合理了。 需在低电源条件下，需在低电源条件下，设置合适的设置合适的IEQ，并得到，并得到得到趋于无穷大的得到趋于无穷大的Re。解决方法：采用电流源取代解决方法：采用电流源取代Re！具有恒流源差分放大电路的组成等效电阻等效电阻为无穷大为无穷大近似为近似为恒流恒流1) RW取值应大些？还是小些？取值应大些？还是小些？2) RW对对动态参数的影响？动态参数的影响？3) 若若RW滑动端在中点，写出滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。的表达式。六、差分放大电路的改进1. 加调零电位器 RW2. 场效应管差分放大电路若若uI1=10mV，uI2=5mV，则，则uId=？
22、 uIc=？uId=5mV ，uIc=7.5mV讨论一 若将电桥的输出作为差放若将电桥的输出作为差放的输入，则其共模信号约为的输入，则其共模信号约为多少？如何设置多少？如何设置Q点时如何点时如何考虑？考虑？1、uI=10mV，则，则uId=? uIc=? 2、若、若Ad=102、KCMR103用直流表测用直流表测uO ，uO=?uId=10mV ，uIc=5mVuO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1=?=?=?讨论二3.43.4 互补输出级二、基本电路二、基本电路三、消除交越失真的互补输出级三、消除交越失真的互补输出级四、准互补输出级四、准互补输出级一、对输出级的要求一、对输出级的要求
23、 互补输出级是直接耦合的功率放大电路。互补输出级是直接耦合的功率放大电路。 对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。最大不失真输出电压最大。一、对输出级的要求射极输出形式射极输出形式静态工作电流小静态工作电流小输入为零时输出为零输入为零时输出为零 双电源供电时双电源供电时Uom的峰的峰值接近电源电压。值接近电源电压。 单电源供电单电源供电Uom的峰值的峰值接近二分之一电源电压。接近二分之一电源电压。不符合不符合要求！要求！二、基本电路静态时静态时T1、T2均截止，均截止，UB= UE
24、=01. 特征：T1、T2特性理想对称。特性理想对称。2. 静态分析T1的输入特性的输入特性理想化特性理想化特性3. 动态分析ui正半周，电流通路为正半周，电流通路为 +VCCT1RL地，地， uo = ui 两只管子交替工作，两路电源交替供电，两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。双向跟随。ui负半周，电流通路为负半周，电流通路为 地地 RL T2 -VCC， uo = ui4. 交越失真消除失真的方法：消除失真的方法：设置合适的静态工作点。设置合适的静态工作点。信号在零附近两信号在零附近两只管子均截止只管子均截止开启开启电压电压 静态时静态时T1、T2处于临界导通状态，处于临界导通
25、状态，有信号时至少有一只导通；有信号时至少有一只导通； 偏置电路对动态性能影响要小。偏置电路对动态性能影响要小。三、消除交越失真的互补输出级四、准互补输出级 为保持输出管的良好对称性，输出管应为同为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。类型晶体管。大！大！3.5 直接耦合多级放大电路读图一、放大电路的读图方法一、放大电路的读图方法二、例题二、例题一、放大电路的读图方法1. 化整为零：按信号流通顺序将：按信号流通顺序将N级放大电路分级放大电路分为为N个基本放大电路。个基本放大电路。2. 识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，分析每级电路属于哪种基本电路，有何特点。有何特点。3. 统观
26、总体：分析：分析整个电路的性能特点。整个电路的性能特点。4. 定量估算：必要时需估算主要动态参数。：必要时需估算主要动态参数。信号从放大管的哪个极输入信号从放大管的哪个极输入？又从哪个极输出？又从哪个极输出？二、例题第一级：双端输入单端输出的差放第一级：双端输入单端输出的差放第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第三级：准互补输出级第三级：准互补输出级动态电阻无穷大动态电阻无穷大1. 化整为零，识别电路2. 基本性能分析 输入电阻为输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电阻很电压放大倍数较大、输出电阻很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。 整个电路可等效为一个双端输入单端输出的差分放整个电路可等效为一个双端输入单端输出的差分放大电路。大电路。3. 交流等效电路 可估算低可估算低频小信号下频小信号下的电压放大的电压放大倍数、输入倍数、输入电阻、输出电阻、输出电阻等。电阻等。清华大学 华成英
