1、第3章 多級放大電路和集成運算放大電路,3.1 多級放大電路 3.2 差分放大電路 3.3 電流源電路 3.4 功率放大電路 3.5 集成運算放大電路,1,3.1 多級放大電路,3.1.1 多級放大電路的耦合方式,1 阻容耦合 將放大電路的前級輸出端通過電容接到后級輸入端，稱為阻容耦合。,優(yōu) 點：由于變化緩慢的信號和直流信號也不能通過電容，因此阻容耦合方式的放大電路，各級靜態(tài)工作點相互獨立。 缺 點：低頻特性差，不易集成。,2,圖 3-1 阻容耦合放大電路,3,2. 變壓器耦合 變壓器能傳遞交流信號，因此將放大電路的前后級利用變壓器連接起來，稱為變壓器耦合，如圖3-2所示。 圖中：第一級的輸出

2、信號經變壓器Tr1傳送到第二級， 第二級的輸出信號經變壓器Tr2傳送給負載并進行阻抗變換， Cb是偏置電阻Rb21、Rb22的旁路電容，主要防止信號被偏置電阻所衰減。,4,圖 3-2 變壓器耦合放大電路,5,優(yōu)點： 可以傳遞信號，而且還能實現(xiàn)阻抗變換。 利用這一特點，根據所需要的放大倍數(shù)，選擇適當?shù)脑褦?shù)比，使負載電阻上獲得足夠大的電壓，并且當匹配得當時，負載還可獲得足夠大的功率。 由于變化緩慢的信號和直流信號也不能通過變壓器，因此變壓器耦合方式的放大電路，各級靜態(tài)工作點相互獨立。 缺點： 是體積大、造價高、 不易于集成，目前即使是功率放大電路也較少采用變壓器耦合方式。,6,3. 直接耦合 將前

3、一級的輸出端直接連接到后一級的輸入端，稱為直接耦合，如圖3 -3（a）所示。 優(yōu)點：既能放大交流信號，也能放大變化緩慢的信號。 沒有大容量的電容，因此易于集成。 實際使用的集成放大電路一般都采用直接耦合方式。 缺點：前后級之間是直接連接，存在著直流通路，這就造成了各級靜態(tài)點相互影響。 對于直接耦合的放大電路， 需要解決以下兩個問題。,7,圖 3-3 直接耦合放大電路,8,1） 級間的匹配問題 在圖 (a)中，V1管的集電極電位被V2管的基極限制在0.7V左右，使V1管的Q點接近于飽和區(qū)，因而不能正常放大。 So：在V2管的發(fā)射極加發(fā)射極電阻Re2，如圖(b)所示。 Re2的接入，提高了第二級基

4、極電位UB2，從而保證了V1管的集電極得到較高的靜態(tài)電位，使V1管不致工作在飽和區(qū)。 But：Re2接入后，使后一級的電壓放大倍數(shù)大大下降，從而影響整個電路的放大能力。,9,So：用一只穩(wěn)壓管VDZ取代電阻Re2，如圖(c) 。 對于直流量，穩(wěn)壓管相當于一個穩(wěn)壓電源，限流電阻R的作用是保證穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)； 對于交流量，穩(wěn)壓管等效成一個很小的動態(tài)電阻，一般為十幾至幾十歐姆，幾乎不會影響第二級的放大倍數(shù)。,In order to：各級三極管都工作在放大區(qū)，要求： Uc2 Ub2 = Uc1 But：放大電路級數(shù)增加，導致基極和集電極電位逐級上升，最終接近電源電壓，會使后級的靜態(tài)工作點不合適。

5、 So：將NPN管和PNP管組合，構成直接耦合放大電路，如圖(d) 。后級采用PNP管，其集電極電位比基極電位低，即使耦合級數(shù)較多，也可以使各級獲得合適的靜態(tài)工作點。,10,2） 零點漂移問題 實驗中：在直接耦合放大電路中，若將輸入端短路，用靈敏的直流表測量輸出端，有一個相當可觀的、隨時間緩慢變化的不規(guī)則信號輸出，即輸出電壓在靜態(tài)值上下隨機偏離，如圖3-4 。,圖 3-4 零點漂移現(xiàn)象,11,這種輸入電壓為零，輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。 ,對阻容耦合電路：這種緩慢變化的漂移電壓被耦合電容阻隔，不會傳送到下一級放大電路進一步放大。 對直接耦合電路：這種緩慢變化的漂移電

6、壓會被毫無阻隔地傳輸?shù)较乱患?，并且被逐級放大，以致于有時在輸出端很難分辨出哪個是有用信號，哪個是漂移電壓。,產生原因：放大電路中任何參數(shù)的變化，如電源電壓的波動、元件的老化、器件參數(shù)隨溫度的變化等，都會產生零點漂移。,采用 高質量的穩(wěn)壓電源 采用 經過老化實驗的元件,12,衡量標準：零漂的大小不以輸出端漂移電壓的絕對大小來衡量。因為輸出端的漂移電壓與放大倍數(shù)成正比，所以零漂一般都用輸出的漂移電壓折合到輸入端后來衡量。,溫度變化所引起的半導體器件參數(shù)的變化是產生零點漂移的主要原因，故也將零點漂移稱為溫度漂移，簡稱溫漂，定義為溫度每變化1所產生的折合到輸入端的等效零漂電壓，即,一般：零點漂移主要取

7、決于第一級，而且級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，零點漂移越嚴重。,13,多級放大電路中： 各級之間是相互串行連接的，前一級的輸出信號就是后一級的輸入信號，后一級的輸入電阻就是前一級的負載， So：多級放大電路電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積，,(3-1),多級放大電路的 輸入電阻 就是 第一級 的輸入電阻， 輸出電阻 就是 最后一級 的輸出電阻，,Ri=Ri1 (3-2),3.1.2 多級放大電路的動態(tài)分析,Ro=Ron (3-3),14,注 意： 當共集電極電路作為輸入級時，多級放大電路的輸入電阻與其負載，即后一級的輸入電阻有關； 當共集電極電路作為輸出級時，多級放大電路的輸出電阻與其信號源內

8、阻，即其前一級的輸出電阻有關。,15,【例3-1】兩級放大電路如圖3-5所示，已知1=2=50，UBE1=UBE2=0.7V，rbb=300，電容器對交流可視為短路。 （1） 試估算該電路V-1管和V-2管的靜態(tài)工作點; （2） 估算該電路的電壓放大倍數(shù)、 輸入電阻和輸出電阻。,圖 3-5 例3-1電路圖,16,解： （1） V-1管和V-2管的靜態(tài)工作點,所以：,因為：,17,又因為V1管和V2管之間是直接耦合方式，V1管的集電極電位等于V2管的基極電位，V2管的基極電流相對于V1管的集電極電流較小，因此忽略IB2，可得,列出第二級放大電路輸入回路方程,由于,UCQ1UCC-ICQ1Rc1=

9、20-110=10 V,18,所以,19,（2） 將圖3-5的小信號等效電路畫于圖3-6。,圖 3-6 圖3-5的小信號等效電路,20,由圖3-6可見，第二級的輸入電阻Ri2為,兩級放大電路的輸入電阻為,Ri=Rb11Rb12rbe1+(1+)Re1 =338.21.626+(1+50)0.284.6 k,21,輸出電阻為,22,3.2 差分放大電路,一個基本的差分放大電路由兩個理想對稱的共射放大電路，通過公共的射極電阻Re耦合而成，因此稱為射極耦合差分放大電路(長尾式差分放大電路)。 兩個輸入端，分別用作輸入電壓信號ui1和ui2， 若兩端都有信號輸入，稱為雙端輸入； 若一端有信號輸入，另一

10、端接地，則稱為單端輸入。 兩個輸出端， 若輸出信號從V1管和V2管集電極之間取出，稱為雙端輸出； 若輸出信號從V1管或V2管的一個集電極取出，稱為單端輸出。,3.2.1 差分放大電路的電路組成,23,圖 3-7 射極耦合差分放大電路,（2）UCC=|UEE|,（1）V1管和V2管： 特性、參數(shù)完全相同,24,優(yōu)點：差分放大電路利用電路的對稱性來相互抵消兩管的溫漂。 當兩個輸入端短路，即ui1=ui2=0時，由于溫度等因素變化所引起的靜態(tài)工作點的漂移，對兩只三極管是相同的，因此兩管的集電極電位將同時上升或下降相同的數(shù)值。 若采用雙端輸出，輸出電壓將保持為零。,25,若采用單端輸出，由于射極電阻R

11、e的作用，將大大抑制每只三極管的溫漂。 例如，溫度升高使三極管集電極電流增加，將引起如下過程：,表明：每只管子產生的溫漂，通過射極電阻Re上電壓UE的自動調節(jié)作用而受到抑制。,26,1. 靜態(tài)分析 直流通路如圖(a)所示：由地、Rb、發(fā)射極和負電源-UEE構成基極直流回路。在理想對稱條件下： IBQ1=IBQ2=IBQ， ICQ1=ICQ2=ICQ， IEQ1=IEQ2=IEQ， UBEQ1=UBEQ2=UBEQ， 1=2=,3.2.2 差分放大電路的分析,27,圖 3-8 圖3-7的直流通路 (a) 直流通路； (b) Re等效變換后的直流通路,28,通常情況下，Rb阻值很小（很多情況下Rb

12、為信號源內阻），IBQ也很小，故Rb上的壓降可忽略不計，發(fā)射極電位： UEQ-UBEQ，,So：就靜態(tài)而言，對于每只三極管，發(fā)射極相當于接入一個2Re的電阻，射極耦合電阻折算到每管發(fā)射極后的靜態(tài)等效電路如圖（b）。,基極回路電壓方程： UEE=IBQRb+UBEQ+2IEQRe,發(fā)射極的靜態(tài)電流：,29,由2.3節(jié)靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的分析可知：發(fā)射極電阻越大， 每管工作點的穩(wěn)定性越好。 So：差分放大電路每邊的靜態(tài)工作點比單管放大電路穩(wěn)定，抑制溫漂性能也好。 由IEQ可求得IBQ、ICQ和UCEQ, 即：,(3-6),(3-7),(3-8),30,2. 動態(tài)分析,1） 對差模信號的放大作用 在

13、差分放大電路的兩個輸入端分別加入一對大小相等、極性相反的信號，即ui1=-ui2，這種輸入方式稱為差模輸入。 兩輸入端之間的信號之差稱為差模信號(Difference-Mode Signal)，用uid表示，則：,差模信號作用下的差分放大電路如圖3-9（a）所示。,31,圖 3-9 輸入差模信號的差分放大電路 (a) 電路圖； (b) 交流通路,uod ：表示差模輸出電壓,32,由于V1管和V2管的基極所加電壓信號大小相等、極性相反，V1管的集電極電流i增加，V2管的集電極電流iC2就減小。 若兩邊電路完全對稱，則： iC1=-i，iE1=-iE2， 流過發(fā)射極電阻Re上的電流總量： iRe=

14、iE1-iE2=0， Re上的差模信號電壓降為零。因而對差模信號而言，Re可視為短路。 兩管集電極輸出電壓也是大小相等，極性相反，故負載RL的中點，RL/2處可看成是零電位，即虛地。,33,在差模輸入信號作用下，差模輸出電壓的變化量uod與輸入電壓的變化量uid之比定義為差模電壓放大倍數(shù)Aud，即：,由 圖3-9 (b) 可知, 雙端輸入、雙端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為：,(3-10),(3-9),34,結論：差分放大電路雖然采用了兩只三極管，但是差模電壓放大倍數(shù)與單管共射放大電路相同。 即以犧牲一只管子的電壓放大倍數(shù)為代價來換取抑制溫漂的。 若從單端輸出， 則差模電壓放大倍數(shù)為：,(3-12)

15、,(3-11),35,差模輸入方式下，從差分放大電路兩輸入端看進去的等效電阻，稱為差模輸入電阻Rid，顯然其值為兩共射放大電路輸入電阻之和，即,Rid=2(Rb+rbe),(3-13),差模方式下： 雙端輸出的輸出電阻為單管共射放大電路輸出電阻的兩倍 Rod=2Rc 單端輸出的輸出電阻為單管共射放大電路輸出電阻 Rod=Rc,(3-15),(3-14),36,2） 對共模信號的抑制作用 在差分放大電路的兩個輸入端分別加入一對大小相等、極性相同的信號， 即ui1=ui2，這種輸入方式稱為共模輸入。 兩輸入端分別對地的信號稱為共模信號(Common-Mode Signal)，用uic表示，ui1=

16、ui2=uic。 輸入共模信號的差分放大電路如圖3-10（a）所示。 在共模信號作用下，iE1=iE2， 流過射極耦合電阻Re的電流總量iRe=iE1+iE2=2iE1，Re上的共模信號電壓為uRe=2iE1Re，即對共模信號而言，每管發(fā)射極等效接入一個2Re的電阻。,37,圖 3-10 輸入共模信號的差分放大電路 (a) 電路圖； (b) 交流通路,38,在共模信號作用下，共模輸出電壓的變化量uoc與輸入電壓的變化量uic之比定義為共模電壓放大倍數(shù)Auc， 即,只要電路對稱，雙端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)為：,單端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)為：,39,共模輸入電阻是將兩輸入端并聯(lián)后，由輸入端到地

17、之間的等效輸入電阻， 即,單端輸出的共模輸出電阻為,為了衡量差分放大電路放大差模信號、抑制共模信號的能力，引入一個指標參數(shù)共模抑制比(Common-Mode Rejection Ratio)，用KCMR表示。,40,共模抑制比越大，表明差分放大電路對共模信號的抑制能力越強。這在直接耦合的放大電路中是很有意義的。 因為溫度、電源電壓等所引起的零漂，以及外界干擾信號等對兩管的影響是相同的，所以可等效地看成是作用在差放輸入端上的共模信號，從而在輸出端被抑制掉，使差模輸入的有用信號得到放大。 應用：串行通信（USB，網線，自定義）,41,3） 輸入任意信號 在實際應用中，加到差分放大電路輸入端的電壓信

18、號往往是任意的電壓信號，它們既不是差模信號，也不是共模信號， 在這種情況下，可將ui1和ui2變換為下列形式:,其中:,42,表明：當差分放大電路兩端加任意信號時，可以把它們用差模信號和共模信號來表示； 分別求出差模信號作用下的差模輸出電壓和共模信號作用下的共模輸出電壓； 然后利用疊加定理，將差模輸出電壓和共模輸出電壓相疊加，即得到任意信號作用下的輸出電壓。,43,單端輸入的差分放大電路可以看成是任意信號輸入的一個特例，即ui1=ui，ui2=0，如圖3-11所示。 按照任意信號分解方法，將其用一對差模信號和一對共模信號表示如下：,即,44,差分放大電路的輸出電壓是由差模輸入電壓和共模輸入電壓

19、共同作用的結果。 當采用雙端輸出時，由于共模輸出電壓為零，因此輸出電壓僅含差模輸出電壓，這時的單入雙出電壓放大倍數(shù)等于雙端輸入雙端輸出時的電壓放大倍數(shù)，此時輸出電壓為 uod=Auduid=Audui 當采用單端輸出時，輸出電壓為差模輸出電壓與共模輸出電壓之和。若從V1管集電極與地之間輸出，則輸出電壓uo1為,45,若從V2管集電極與地之間輸出，則輸出電壓uo2為,注意：若采用單端輸出，其輸出的瞬時電壓應為差模輸出電壓、 共模輸出電壓及該端的直流電壓的疊加。,46,圖 3-11 單端輸入的差分放大電路,47,3. 差分放大電路的傳輸特性 分析可知：在小信號的情況下，可以分析出差分放大電路具有放

20、大差模信號、抑制共模信號的特性。 信號幅值較大時，差分放大電路的放大作用如何？ 描述差分放大電路輸出差模信號隨輸入差模信號變化的規(guī)律，稱為差模傳輸特性(Difference Transfer Characteristic)，即 uod=f(uid),它反映了大信號下的差模輸入量與輸出量的對應關系。 通過實驗手段可以測出差模輸出電壓uod隨輸入電壓uid變化的關系曲線，如圖3-12所示。,48,圖 3-12 差分放大電路的電壓傳輸特性,49,（1）當uid=0時，uod=0，差分放大電路工作在靜態(tài)工作點上，兩管處于平衡狀態(tài)。 （2）當0|uid|UT，傳輸特性近似為直線，其斜率為差模電壓放大倍數(shù)

21、，并且是常數(shù)。顯然，管子工作在線性放大區(qū)。 （3）當|uid|=UT4UT時，傳輸特性處于非線性段，在這段區(qū)域內仍有放大作用，但是差模電壓放大倍數(shù)已不是常數(shù)，它將隨著信號的增大而減小，因為這時傳輸特性的斜率變小了。 （4）當|uid|4UT以后，輸出電壓趨近于常數(shù)，其數(shù)值取決于電源電壓，這時，差分放大電路中的兩個管子必有一個處于截止狀態(tài)，另一個處于飽和態(tài)。,50,【例3-2】在圖3-13所示電路中，三極管參數(shù)1=2=50， UBE1=UBE2=0.6V，rbb=300，負載RL=20k。 (1) 估算靜態(tài)工作點。 (2) 計算差模輸入雙端輸出時的Aud、Rid和Rod。 (3) 若ui1=0.1V，ui2=0V，則輸出電壓uo=? (4) 若輸入信號不動，僅將負載RL接在V2管的集電極與地之間，試求uo2=? KCMR=?,51,圖 3-13 例3-2電路圖,52,（1） 計算靜態(tài)工作點:,53,（2） 計算動態(tài)指標:,雙端輸入-雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)為：,