1、第三章 多级放大电路,模拟电路,耦合方式：直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合。,3.1 多级放大电路,耦合：即信号的传送。,多级放大电路对耦合电路要求：,1. 静态：保证各级Q点设置,2. 动态: 传送信号。,要求：波形不失真，减少压降损失。,引言：在实际的电子设备中， 为了得到足够大的增益或者考虑到输入电阻和输出电阻等特殊要求，放大器往往由多级组成。 多级放大器由输入级、中间级和输出级组成。如图2.4.1所示， 输出级一般是大信号放大器，我们只讨论由输入级到中间级组成的多级小信号放大器。,3.1.1 耦合形式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦
2、合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,耦合电路采用直接连接或电阻连接， 不采用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号， 漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而 缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,耦合电路的简化形式如图4.7.1所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点 互相影响，应认真加以解决。,(a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合图4.7.1 耦合电路的形式,3.1.2 零点漂移,零点漂移,是三极管的工作点
3、随时间而 逐渐偏离原有静态值的现象。 产生零点漂移的主要原因是温度的影响， 所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。 工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,一般将在一定时间内，或一定温度变化 范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数， 即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。 例如 V/C 或 V/min 。,设: 1=2=50, rbe1 = 2.9k , rbe2 = 1.7 k,3.1.3多级阻容耦合放大电路典型电路,关键:考虑级间影响。,1. 静态: Q点同单级。,2. 动态性能:,方法:,ri2 = RL1,性能分析,考虑级间影响,1,微变等效电路:,1. ri = R1 / rb
4、e1 +（ +1)RL1,其中: RL1= RE1/ ri2 = RE1/ R2 / R3 / rbe1=RE1/RL1= RE1/ri2= 27 / 1.7 1.7k, ri =1000/(2.9+511.7) 82k,2. ro = RC2= 10k,3. 中频电压放大倍数:,其中：,多级阻容耦合放大器的特点：,(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 ri 即为第一级的输入电阻ri1 。 (6) 总
5、输出电阻即为最后一级的输出电阻。,由上述特点可知，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。,例1：放大电路由下面两个放大电路组成。已知EC=15V ，R1=100k， R2=33k ，RE1=2.5k，RC=5k，1=60，； RB=570k，RE2=5.6k， 2 =100，RS=20k ，RL=5k,求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au、ri和ro 。 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Au和Aus 。,ri = R1
6、/ R2/ rbe =1.52 k,(1) 由于RS大，而ri小，致使放大倍数降低； (2) 放大倍数与负载的大小有关。例：RL=5k 时, Au= - 93；RL=1k 时, Au= - 31 。,求直接采用放大电路一的放大倍数Au和Aus。,2. 若信号经放大电路一放大后，再经射极输出器输出，求放大倍数Au 、ri和ro 。,讨论：带负载能力。,2. 输出不接射极输出器时的带负载能力：,RL=5k 时： Au=-93 RL=1k 时： Au=-31,即：当负载电阻由5k变为1k时，放大倍数降低到原来的92.3%,放大倍数降低到原来的30%,RL=5 k时： Au1=-185，Au2=0.9
7、9，ri2=173 k,RL=1 k时： Au1=-174 ，Au2=0.97，ri2=76 k,1. 输出接射极输出器时的带负载能力：,3. 若信号经射极输出器后，再经放大后放大电路一输出，求放大倍数Aus 。,Au2=-93 ri2=1.52 k,Au1=0.98 ri=101 k,输入不接射极输出器时：,可见，输入接射极输出器可提高整个放大电路的放大倍数Aus。,例题2：设 gm=3mA/V，=50，rbe = 1.7k,求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,（1）估算各级静态工作点: （略）,（2）动态分析:,微变等效电路,首先计算第二级的输入电阻：ri2= R3/ R4/ rbe
8、=82/43/1.7=1.7 k,第二步：计算各级电压放大倍数,第三步：计算输入电阻、输出电阻,ri=R1/R2=3/1=0.75M ,ro=RC=10k ,第四步：计算总电压放大倍数,Au=Au1Au2 =(-4.4) (-147) =647,阻容耦合电路的频率特性：,耦合电容造成,三极管结电容造成,采用直接耦合的方式可降低放大电路的下限截止频率，扩大通频带。下面将要介绍的差动放大器即采用直接耦合方式。,3.1.4变压器耦合的特点,采用变压器耦合也可以隔除直流，传递一定频率的交流信号，因此各放大级的Q互相独立。变压器耦合的优点是可以实现输出级与负载的阻抗匹配，以获得有效的功率传输。变压器耦合
9、阻抗匹配的原理见图。,在理想条件下，变压器原副边的安匝数相等，即I1 N1=I2 N2I2 =（I1 N1 / N2 ）=I1 (V1 / V2 ) =(V2 /RL)( V1 / R1 ) (V1 / V2 ) =(V2 /RL)(N1 / N2 )2 =R1 /RLn2 =R1 /RL可以通过调整匝比n来使 原、副端阻抗匹配。,变压器的阻抗匹配,3.1.5 直接耦合放大电路的构成,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，这是构成直接耦合多级放大电路时必须要加以解决的问题。,电位移动直接耦合放大电路,NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路,电流源电平移动放大电路,(1),(2),(
10、3),电位移动直接耦合放大电路,(1),于是VC1=VB2VC2= VB2+ VCB2VB2（ VC1 ） 这样，集电极电位就要逐级提高，为此后面的放大级要加入较大的发射极 电阻，从而无法设置 正确的工作点。这种 方式只适用于级数较 少的电路。,如果将基本放大电路去掉耦合电容，前后级直接连接，如图4.7.2所示。,图4.7.2 前后级的直接耦合,(2),NPN+PNP组合电平移动直接耦合放大电路,级间采用NPN管和PNP管搭配的方式，如图4.7.3所示。由于NPN管集电极电位高于基极电位，PNP管集电极电位 低于基极电位， 它们的组合使用 可避免集电极电 位的逐级升高。,图4.7.3 NPN和
11、PNP管组合,电流源电平移动放大电路,(3),电流源在电路中的作用实际上是个有源负载，其上的直流压降小，通过R1上的压降可实现直流电平移动。但电流源交流电阻大， 在R1上的信号损失相 对较小，从而保证信 号的有效传递。同时, 输出端的直流电平并 不高，实现了直流电 平的合理移动。,在模拟集成电路中常采用一种电流源电平移动电路，如图4.7.4所示。,图4.7.4 电流源电平移动电路,例一、如图4.7.5所示电路三极管的参数为,1=2=100，VBE1=VBE2=0.7 V。计算总电压 放大倍数。 分别用输入 电阻法和开 路电压法计 算。,图4.7.5 两级放大电路计算例,3.1.6直接耦合放大电
12、路计算,1.用输入电阻法求电压增益,（1）求静态工作点,先计算三极管的输入电阻,如果求从VS算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻,Ri1 =rbe1 / Rb1 / Rb2 =3.1/51/20 =3.1/14.4=2.55 k,2.用开路电压法求电压增益,第一级的开路电压增益,第二级的电压增益,第一级的输出电阻,总电压增益,内容难，大家辛苦！,3.2.1 直接耦合电路的特殊问题,R2 、RE2 : 用于设置合适的Q点。,问题 1 :前后级Q点相互影响。,3.2 差动放大电路,问题 2 :零点漂移。,有时会将信号淹没,当 ui 等于零时， uo不等于零。,一、结构,特点：结构对称。,3.2.
13、2 基本型差动放大器,ui1,ui2,3.2.3 差分放大电路的 输入和输出方式,差分放大电路一般有两个输入端：同相输入端，反相输入端。,差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1 和C2输出称为双端输出，仅从集电极 C1或C2 对地输出称为单端输出。,根据规定的正方向，在一个 输入端加上一定极性的信号，如 果所得到的输出信号极性与其相 同，则该输入端称为同相输入端。,反之，如果所得到的输出 信号的极性与其相反，则该输 入端称为反相输入端。,信号的输入方式：若信号同时加到同相输入 端和反相输入端，称为双端输入； 若信号仅从 一个输入端对地加入，称为单端输入。,共
14、模信号和差模信号示意图,3.2.4 差模信号和共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对三极管电流的影响相当于加入了共模信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。,差模信号共模信号,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相反 的信号。,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相同 的信号。,二、 抑制零漂的原理,uo= uC1 - uC2 = 0,uo= (uC1 + uC1 ) - (uC2 + uC2 ) = 0,当 ui1 = ui2 =0 时：,当温度变化时：,+UCC,一、结构,为了使左右平衡，可设置调零电位器:,3.2.5 双电源
15、长尾式差放,二、 静态分析,温度T,IC,IE = 2IC,UE,UBE,IB,IC,1. RE的作用,设ui1 = ui2 = 0,RE 具有强负反馈作用, 抑制温度漂移，稳定静态工作点。,IC1= IC2= IC= IB,UC1= UC2= UCCICRC,UE1= UE2 =IBRBUBE,UCE1= UCE2 = UC1UE1,三、 动态分析,1. 输入信号分类,(1)差模(differential mode)输入,ui1 = -ui2= ud,(2)共模( common mode) 输入,ui1 = ui2 = uC,共模抑制比（Common - Mode Rejection Rat
16、io)的定义:,KCMRR =,KCMRR (dB) =,(分贝),差模电压 放大倍数:,共模电压 放大倍数:,结论：任意输入的信号: ui1 , ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。,注意：ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud,例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV,则：ud = 5mV , uc = 15mV,差模分量:,共模分量:,(一) 差模输入,均压器,RE 对差模信号作用,ui1,ui2,ib1 , ic1,ib2 , ic2,ic1 = - ic2,iRE = ie1+ ie2 = 0,uRE = 0,RE对差模信号不起作用,差模信号通路
17、,T1单边微变等效电路,1. 放大倍数,单边差模放大倍数:,若差动电路带负载RL (接在 C1 与 C2 之间), 对于差动信号而言，RL中点电位为 0, 所以放大倍数：,即：总的差动电压放大倍数为：,差模电压放大倍数:,ro = 2RC,ro,输入电阻：,输出电阻：,2. 输入输出电阻,(二) 共模输入,RE对共模信号起作用，并且iRE=2ie1。,uC ,ic1 、 ic2 ,iRE 、 uRE ,共模信号通路:,T1单边微变等效电路,AC 0,问题：负载影响共模放大倍数吗？,不影响！,场效应管差分放大电路,一、恒流源电路,1、基本镜像恒流源,T0 和 T1 特性完全相同。,3.2.6恒流
18、源式差放电路,2、微电流恒流源 要求提供很小的静态电流，又不能用大电阻。,二、 恒流源式差放电路,电路结构:,提高共模抑制比应加大Re 。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，为避免可用恒流源T3来代替Re 。恒流源静态电阻大，可提高共模抑制比。同时恒流源的管压降只有几伏，可不必提高负电源之值。这种电路称为恒流源差分放大电路，电路如图所示。,rce3 1M,恒流源,T3 :放大区,静态分析：主要分析T3管。,VB3VE3 IE3 IC3,可等效为,1. 恒流源相当于阻值很大的电阻。,2. 恒流源不影响差模放大倍数。,3. 恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制比
19、，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。,恒流源的作用：,4.8.7 差放电路的几种接法,单端输出：,双端输入与单端输入效果是一样的。,ud = 0.5ui , uc = 0,ud = 0.5ui , uc = 0.5ui,3.2. 8差模状态动态计算总结,差分放大电路的差模工作状态分为四种:1. 双端输入、双端输出（双-双）2. 双端输入、单端输出（双-单）3. 单端输入、双端输出（单-双）4. 单端输入、单端输出（单-单）,主要讨论的问题有：1. 差模电压放大倍数 2.差模输入电阻 3. 输出电阻,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入差放电路如图03.5.04所示。负
20、载电阻接在两集电极之间。vi 接在两输入端之间，也可看成 vi /2各接在两输入端与地之间。,这种方式适用于 双端输入和双端输出， 输入、输出均不接地 的情况。,双端输入双端输出差模电压放大倍数,图04.8.04双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入单端输出差模电压放大倍数,这种方式适用于将 差分信号转换为单端输出 的信号。,双端输入单端输出因只利 用了一个集电极输出的变化量， 所以它的差模电压放大倍数是 双端输出的二分之一。,图03.5.05双端输入单端输出,单端输入双端输出差模电压放大倍数,单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图04.5.3。右侧的Rs+rbe归算
21、到发射极回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,这种方式用于将单 端信号转换成双端差分 信号, 可用于输出负载 不接地的情况。,图04.5. 3 单端输入转换为双端输入,vi1 = vi2 = vi /2,单端输入单端输出,通过从 T1 或 T2 的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1 输出，为反相；从C2 输出为同相。,(2)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,(3)输出电阻,输出电阻在单端输出时， 双端输出时，,3.2.9 共模状态动态计算
22、,如果输入信号极 性相同，幅度也相同， 则是纯共模信号。如 果极性相同，但幅度 不等，则可以认为既 包含共模信号，又包 含差模信号，应分开 加以计算，如图03.5.07 所示。,例如温漂信号属共模信号，它对差分放大电路中Ic1和Ic2的影响相同。,图04.8.07共模差模信号混合的情况,计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图 04.8.08 所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。 Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出 时可以认为等于零。 单端输出时为,图04.8.08 共模微变等效电路,(1) 共模放大倍数Avc,(2)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,谢谢大家,谢谢大家,
