清华大学模拟电子技术课件-第三章.ppt

1、华成英 第三章 多级放大电路 华成英 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华成英 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、变压器耦合华成英 一、直接耦合既是第一级的集电极电阻，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

2、，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。位的变化会逐级放大。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。华成英 如何设置合适的静态工作点？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

3、点，又可使第点，又可使第二级放大倍数不至于下降太多？二级放大倍数不至于下降太多？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特点？特点？Re必要性？必要性？稳压管稳压管伏安特性伏安特性 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。华成英 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

4、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 华成英 二、阻容耦合 Q点相互独立点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。特性差，不能集成化。共射电路共射电路共集电路共集电路有零点漂移吗？有零点漂移吗？ 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。华成英 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

5、大电路三、变压器耦合L2L2c21RIRIPPl， 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。，实现了阻抗变换。L221L2c2L)(RNNRIIRl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华成英 讨论：两级直接耦合放大电路选择合适参数使选择合适参数使电路正常工作电路正常工作电位高电位高低关系低关系华成英 从从Multisim “Multisim “参数扫描参数扫描” ” 结果分析两级放大电路结果分析两级放大电路Q Q点的点的相互影响。相互影响。 R1R1取何值时取何值时T2T2工作在饱和工作在饱和区？区？uC1uC

6、2T2工作在工作在放大区放大区 华成英 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二、分析举例二、分析举例一、动态参数分析一、动态参数分析华成英 一、动态参数分析一、动态参数分析1. 1.电压放大倍数电压放大倍数 njujnuAUUUUUUUUA1ioi2o2io1io2. 2. 输入电阻输入电阻i1iRR 3. 3. 输出电阻输出电阻nRRoo 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。华成英 )(1 (L622be5i2RRrRR21L62be2L6221bei231)( )

7、1 ()( ) 1 ()( uuuuuAAARRrRRArRRAbe121irRRR1be2536orRRRR二、分析举例二、分析举例华成英 讨论讨论一 失真分析：由失真分析：由NPN型管组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iuou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

8、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。华成英 清华大学 华成英 讨论二：放大电路的选用讨论二：放大电路的选用1. 按下列要求组成两级放大电路：按下列要求组成两级放大电路： Ri12k，Au 的数值的数值3000； Ri 10M，Au的数值的数值300； Ri100200k，Au的数值的数值150； Ri 10M ，Au的数值的数值10，Ro100。共射、共射；共源、共射；共射、共射；共源、共射；共集、共射；共源、共集。共集、共射；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

9、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！华成英 3.3 3.3 差分放大电路差分放大电路一、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华成英 一、

10、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1. 1. 什么是零点漂移现象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：差分放大电路华成英 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二、长尾式差分放大电路的组成信号特点？

11、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？华成英 典型电路典型电路02CQ1CQOCQ2CQ1CQEQ2EQ1EQCQ2CQ1CQBQ2BQ1BQUUuUUUIIIIIIIII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. 放大差模信号。放大差模信号。RRRRt+VCCuI华成英 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 eBEQEEE

12、Q2RUVI1EQBQII02CQ1CQOCQ2CQ1CQEQ2EQ1EQCQ2CQ1CQBQ2BQ1BQUUuUUUIIIIIIIIIRb是必要的吗？是必要的吗？1. Q点：eEQBEQBQEE2RIURIVb晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程：通常，通常，Rb较小，且较小，且IBQ很小，故很小，故BEQcCQCCCEQURIVU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华成英 2. 2. 抑制共模信号抑制共模信号 0 )()(C2CQ2C1CQ1C2C1Ouuuuuuu0 cIcOccAuuA，参数理想对称时，参数理想对称时共模放大倍数共模放大倍数C21CC21CB21B

13、uuiiii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IcI2I1uuu华成英 2. 2. 抑制共模信号抑制共模信号 ：Re的共模负反馈作用的共模负反馈作用0 cIcOccAuuA参数理想对称时参数理想对称时共模放大倍数共模放大倍数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 IB2 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。华成英 3. 3. 放大差模信号

14、放大差模信号C1OC21CC21CB21B2 uuuuiiiiiE1= 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。2/IdI2I1uuu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2Idu2Idu华成英 )(2bebBIdrRiu为什么？为什么？差模信号作用时的动态分析差模信号作用时的动态分析bebLcd)2( rRRRA差模放大倍数差模放大倍数IdOdduuA)2(2LcCOdRRiu 2 )(2cobebiRRrRR，华成英 4. 4. 动态参数动态参数：Ad、Ri、 Ro、 Ac、KCMR 共模抑制比

15、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。下，下，在参数理想对称的情况在参数理想对称的情况CMRcdCMRKAAK 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

16、。入双端输出、单端输入单端输出。华成英 四、差分放大电路的四种接法四、差分放大电路的四种接法cCQCCCQ2LcCQCCLcLCQ1 )(RIVURRIVRRRU 由于输入回路没有变由于输入回路没有变化，所以化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但与双端输出时一样。但是是UCEQ1 UCEQ2。1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：Q点分析点分析华成英 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：差模信号作用下的分析：差模信号作用下的分析bebLcd)( 21rRRRAcobebi)(2RRrRR，华成英 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：共模信号作用下的分析：

17、共模信号作用下的分析bebLcd)( 21rRRRAebebLcc)1 (2)( RrRRRAbebebebCMR)1 (2rRRrRK华成英 1. 1. 双端输入单端输出双端输入单端输出：问题讨论：问题讨论bebLcd)( 21rRRRA（1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？（2）什么情况下）什么情况下Ad为为“”？（3）双端输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？bebebebCMR)1 (2rRRrRKcobebi)(2RRrRR，华成英 2. 2. 单端输入双端输出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

18、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？2/IIcIIduuuu，华成英 2. 2. 单端输入双端输出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？OQIcIdO2UuAuAu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华成英 3. 3. 四种接法的比较四种接法的比较：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

19、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。coCMRcbebLcd2 0 )2(RRKArRRRA双端输出：cobebebebCMRebebLccbebLcd )(2)1 (2 )1 (2)( )(2)(RRrRRrRKRrRRRArRRRA单端输出：华成英 五五、具有恒流源的差分放大电路、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

20、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！华成英 具有恒流源差分放大电路的组成具有恒流源差分放大电路的组成3BEQEE2123EB32RUVRRRIII，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华成英 1) RW取值应大些？还是小些？取值应大些？还是小些？2) RW对动态参数的影响？对动态参

21、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。2)1 (WbebcdRrRRAWbebi)1 ()(2RrRR六、差分放大电路的改进六、差分放大电路的改进1. 1. 加调零电位器加调零电位器 RW华成英 doidmd2 RRRRgA，2. 2. 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路华成英 若若uI1=10mV，uI2=5mV，则，则uId=？ uIc=？uId=5mV ，uIc=7.5mV讨论一讨论一RRRRt+VCCuI 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

22、时如何点时如何考虑？考虑？华成英 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=?=?=?讨论二讨论二华成英 3.4 3.4 互补输出级互补输出级二、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、对输出级的要求华成英 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

23、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！华成英 二、基本电路二、基本电路静态时静态时T1、T2均截止，均截止，UB= UE=01. 1. 特征特征：T1、T2特性理想对称。特性理想对称。2. 2. 静态分析静态分析T1的输入

24、特性的输入特性理想化特性理想化特性华成英 3. 3. 动态分析动态分析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 = ui华成英 4. 4. 交越失真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，处于临界导通状态，有信号时至少有一只导通；有信

25、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。华成英 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ib2b1D2D1B1B2uuuUUU动态：静态：倍增电路故称之为，则若BEBE443B1B2B2UURRRUII华成英 四、准互补输出级四、准互补输出级 BE545EB3BE2BE1)1 ( URRUUU静态时：ib3b1uuu动态时： 为保持输出管的良好对称性，输出管应为为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。同类型晶体管。大！大！华成英 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一、放大电路的读图方法一、放大电路的读

26、图方法二、例题二、例题华成英 一、放大电路的读图方法一、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 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 3. . 统观总体：分析：分析整个电路的性能特点。整个电路的性能特点。4 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？华成英 二、例题二、例题第一级：双端输入单端输出的差放第一级：双端输入单

27、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，识别电路华成英 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。华成英 清华大学 华成英 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。