5月多級(jí)放大電路ppt

1、,——2016年5月語音答疑——,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) ——多級(jí)放大電路 時(shí) 間：2016-05-05 19：00 — 20：30,,1.1 多級(jí)放大電路的耦合方式,1.2 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析,1.3 直接耦合放大電路分析,主要內(nèi)容:,需要了解的內(nèi)容：,1.1多級(jí)放

2、大電路的耦合方式,多級(jí)放大電路有四種常見的耦合方式:直接耦合、阻容耦合、變壓器耦合和光電耦合。,1.1.1 直接耦合,將前一級(jí)的輸出端直接連接到后一級(jí)的輸入端，稱為直接耦合。圖中所示電路省去了第二級(jí)的基極電阻，而使Rc1既作為第一級(jí)的集電極電阻，又作為第二級(jí)的基極電阻，只要Rc1取值合適，就可以為T2管提供合適的基極電流。,直接耦合放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置,靜態(tài)時(shí)：T1管的管壓降Uce等于T2 管的b-e點(diǎn)間電壓Ubeq2。若T1

3、為硅管, 當(dāng)Ubeq2約為0.7V，則T1管的靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū)，在動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)容易引起飽和失真。 因此，為使第一級(jí)有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，就要抬高T2管的基極電位。為此，可以在T2管的發(fā)射極加電阻Re2，如圖(b)所示。,增加Re2后，在參數(shù)取值恰當(dāng)時(shí)，兩級(jí)均可有合適的靜態(tài)工作點(diǎn); 但是Re2的接入會(huì)使第二級(jí)的電壓放大倍數(shù)大大下降，從而影響整個(gè)電路的放大能力。因此，需要選擇一種器件取代Re2 ，這種器件對(duì)

4、直流量和交流量呈現(xiàn)出不同的特性， 對(duì)直流量，它相當(dāng)于一個(gè)電壓源; 對(duì)交流量，它等效成一個(gè)小電阻。這樣，既可以設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，又對(duì)放大電路的放大能力影響不大。綜合考慮后，二極管和穩(wěn)壓管都具有上述特性.,當(dāng)二極管流過直流電流時(shí)，伏安特性可以確定它的端電壓為UD。在這個(gè)直流信號(hào)上疊加一交流信號(hào)時(shí)，二極管的動(dòng)態(tài)電阻為duD/diD。若要求T1管的管壓降UCEQ的數(shù)值小于2V，則可用一只或兩只二極管取代Re2。,

5、當(dāng)穩(wěn)壓管工作在擊穿狀態(tài)時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)，其端電壓基本不變。并且動(dòng)態(tài)電阻也僅為十幾至幾十歐，所以可用穩(wěn)壓管取代Re2，如圖(C)所示。為了保證穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，圖(C) 中，電阻R的電流IR流經(jīng)穩(wěn)壓管，使得穩(wěn)壓管中的電流大于最小穩(wěn)定電流(一般為5mA或10mA)。,或者用穩(wěn)壓管取代Re2,在圖 (a),(b),(c)所示電路中，為使各級(jí)晶體管都工作在放大區(qū)，必然要求T2管的集電極靜態(tài)電位高于其基極電位，也就是要高于T1管的集

6、電極靜態(tài)電位。如果級(jí)數(shù)增多，且均為NPN管構(gòu)成的共射極電路，那么由于集電極電位逐級(jí)升高，以至于接近VCC，會(huì)使后級(jí)的靜態(tài)工作不合適。因此，直接耦合多級(jí)放大電路中常采用NPN型和PNP型管混合使用的方法解決上述問題；如圖(d）所示，在所示電路中，為使T2工作在放大區(qū)，T2管的集電極電位應(yīng)低于T1管的集電極電位。,直接耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： (1)直接耦合放大電路的突出優(yōu)點(diǎn)是具有良好的低頻特性， 以放大變化緩慢的

7、信號(hào)；(2)由于電路中沒有大容量電容，所以易于將全部電路集成 在一片硅片上，構(gòu)成集成放大電路。缺點(diǎn)：(1)采用直接耦合方式使各級(jí)之間的直流通路相連，因而就 給電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來一定的困難；(2)在求解靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)寫出直流通路中各個(gè)回路的方 程，然后求解，難度大。,1.1.2 阻容耦合,將放大電路的前級(jí)輸出端通過電容接到后級(jí)輸入端，稱為阻容耦合方式.圖示為兩級(jí)阻容

8、耦合放大電路，第一級(jí)為共射極放大電路，第二級(jí)為共集電極放大電路。,優(yōu)點(diǎn)：（1）各級(jí)之間的直流通路各不相通，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú) 立，在求解或?qū)嶋H調(diào)試Q點(diǎn)時(shí)可按單級(jí)處理；（2）只要輸入信號(hào)頻率較高，耦合電容容量較大，前級(jí)的輸出 信號(hào)就可以幾乎沒有衰減地傳遞到后級(jí)的輸入端。缺點(diǎn)：（1）阻容耦合放大電路的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信 號(hào)。對(duì)這類信號(hào)呈現(xiàn)出很大的容抗，信號(hào)的一部分甚至全部都 衰減在耦合電容上，而根

9、本不向后級(jí)傳遞；（2）在集成電路中制造大容量電容很困難，甚至不可能，所以 這種耦合方式不便于集成化。,阻容耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn),1.1.3 變壓器耦合,將放大電路前級(jí)的輸出端通過變壓器接到后級(jí)的輸入端或負(fù)載電阻上，稱為變壓器耦合。圖（A）所示為變壓器耦合共射放大電路RL既可以是實(shí)際的負(fù)載電阻，也可以代表后級(jí)放大電路，圖(b)是它的交流等效電路。,優(yōu)點(diǎn)：由于變壓器耦合電路的前后級(jí)靠磁路耦合 ，所以與阻容耦合電路一樣，它的各級(jí)放大電路的靜

10、態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，便于分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試。 可以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，因而在分立元件功率放大電路中得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：變壓器耦合的低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)，且非常笨重，更不能集成化。,變壓器耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn),1.1.4 光電耦合,一、光電耦合器,發(fā)光元件為輸入回路，它將電能轉(zhuǎn)換成光能;光敏元件為輸出回路，它將光能再轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)了兩部分電路的電氣隔離，從而可有效地抑制電干擾。光電耦合器的傳輸特性如圖(b

11、)所示，它描述當(dāng)發(fā)光二極管的電流為一個(gè)常量ID時(shí)，集電極電流Ic與管壓降Uce;之間的函數(shù)關(guān)系，即,1.2 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析,在多級(jí)放大電路中，放大倍數(shù)計(jì)算為：,通過多級(jí)放大器的輸入輸出依序相連形成：,上式表明，多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)等于組成它的各級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)之積。對(duì)于第一級(jí)到第(n一1)級(jí)，每一級(jí)的放大倍數(shù)均應(yīng)該是以后級(jí)輸入電阻做為負(fù)載時(shí)的放大倍數(shù)。,即為：,另外：,例題分析：,求解Au、Ri和RO, 交流等效電

12、路如圖所示(小信號(hào)模型),,第二級(jí)的電壓放大倍數(shù),整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù),輸入電阻,輸出電阻,1.3 直接耦合放大電路分析,當(dāng)信號(hào)變化比較緩慢，采用直接耦合放大電路將其放大最為方便。本節(jié)將對(duì)直接耦合放大電路存在的問題、解決方法以及基本電路形式一一加以介紹。,1.3.1直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象,一、零點(diǎn)漂移現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因,如圖(b)所示，這種輸入電壓為零而輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象，稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。溫度變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂

13、移現(xiàn)象的主要原因，因而也稱零點(diǎn)漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。,抑制溫度漂移的方法,抑制溫度漂移的方法歸納如下:1. 在電路中引人直流負(fù)反饋，例如典型的靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中Re所起的作用；2.采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā＠脽崦粼淼窒糯蠊艿淖兓?.采用特性相同的管子，使它們的溫漂相互抵消，構(gòu)成“差分放大電路”，這個(gè)方法也可歸結(jié)為溫度補(bǔ)償。,1.3.2 差分放大電路(多級(jí)直接耦合放大電路的基本單位),,變化會(huì)逐級(jí)放大。,通過接入電阻Re來

14、抑制溫漂,穩(wěn)定,一、電路的組成,受溫度控制的電源，V與VCQ變化保持相等。那么輸出只有動(dòng)態(tài)的部分了。,如果采用與圖(a)所示電路參數(shù)完全相同，管子特性也完全相同的電路，那么兩只管子的集電極靜態(tài)電位在溫度變化時(shí)也將時(shí)時(shí)相等，電路以兩只管子集電極電位差作為輸出，就克服了溫度漂移，實(shí)現(xiàn)了抑制溫漂中（3）的構(gòu)想，如圖(c)所示。,即：?1=?2=? UBE1=UBE2= UBE rbe1= rbe2= rbe

15、 RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,ui1=ui2 =uic，(大小、極性相同，共模信號(hào)),,說明差分放大電路對(duì)共模信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制作用，在參數(shù)完全對(duì)稱的情況下，共模輸出為零.,（C）對(duì)稱式電路加共模信號(hào),當(dāng)UI1與UI2所加信號(hào)為大小相等極性相反的輸人信號(hào)(稱為差模信號(hào))時(shí)，,從而實(shí)現(xiàn)電壓的放大。,,由于Re1和Re2的存在使電路的電壓放大能力變差，當(dāng)它們數(shù)值較大時(shí)，甚至不能放大。,,若將T1管和

16、T2管發(fā)射極連在一起，將Re1和Re2合二而一。成為一個(gè)電阻Re，如圖(d)所示， 則,在差模信號(hào)作用下Re中的電流變化為零，即Re對(duì)差模信號(hào)無反饋?zhàn)饔茫?就是說Re對(duì)差模信號(hào)相當(dāng)于短路，因此大大提高了對(duì)差模信號(hào)的放大能力。 圖（E）是典型的差分放大電路。,,長尾式差分放大電路（Re接負(fù)電源）,實(shí)際差分電路的參數(shù)不可能理想對(duì)稱。,1.靜態(tài)分析,-VEE,+VCC,2.對(duì)共模信號(hào)的抑制作用,,當(dāng)電路輸入共模信

17、號(hào)的時(shí)候,(1)對(duì)溫度漂移有很強(qiáng)的抑制作用 由于電路參數(shù)的理想對(duì)稱性，溫度變化時(shí)管子的電流變化完全相同，故可將溫度漂移等效成共模信號(hào)。,+VCC,-VEE,（2） 射極電阻RE對(duì)共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，抑制了每只晶體管集電極電流的變化，從而抑制集電極電位的變化。,+VCC,-VEE,對(duì)于每邊晶體管而言，發(fā)射極等效電阻為2RE。 RE阻值愈大，負(fù)反饋?zhàn)饔糜鷱?qiáng)，集電極電流變化愈小，因而集電極電位的變化也就愈小。RE的取值不宜過大，由

18、式 (靜態(tài))可知，它受電源電壓VEE限制。（選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)）,,為了描述差分放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力，引人共模放大倍數(shù)AC,共模輸入和輸出。在理想對(duì)稱的情況下，AC=0,3.對(duì)差模信號(hào)的放大作用,(1)加入差模信號(hào),ui1=-ui2 =uid/2，,電路的動(dòng)態(tài)分析,E點(diǎn)電位保持不變，相當(dāng)于接“地”， RL中點(diǎn)電位也不變，也相當(dāng)于接“地”，RL被分為兩部分，分別接在C-E之間。,,在差模

19、信號(hào)作用下的交流等效電路如圖（B）所示。（其中，電源與地短接）,RE？,輸入差模信號(hào)時(shí)的放大倍數(shù)稱為差模放大倍數(shù)，記作Ad，定義為,雖然差分放大電路用了兩只晶體管，但它的電壓放大能力只相當(dāng)于單管共射放大電路。因而差分放大電路是以犧牲一只管子的放大倍數(shù)為代價(jià)，換取了抵制溫漂的效果。,差模輸入電阻,差模輸入電阻Rid是基本放大電路的兩倍。,,輸出電阻,共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，其值越大，說明電路的性能越好。

20、,在雙端輸出時(shí)，KCMR可認(rèn)為等于無窮大。,,差模放大倍數(shù),共模放大倍數(shù),4.電壓傳輸特性,放大電路輸出電壓與輸人電壓之間的關(guān)系曲線稱為電壓傳輸特性，即,UID,UOD,將差模輸人電壓△uid 按圖(a)接到輸人端，并令其幅值由零逐漸增加時(shí)，輸出端的u0。也將出現(xiàn)相應(yīng)的變化，二者的關(guān)系，如圖3.3.6中的實(shí)線所示?？梢钥闯?，只有在中間一段二者才是線性關(guān)系，斜率就是差模電壓放大倍數(shù)。當(dāng)輸人電壓幅值過大時(shí)，輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生失真，若再加大

21、△uid ，則△u0D將趨于不變，其數(shù)值取決于電源電壓VCC。若改變△uid的極性，則可得到另一條如圖中虛線所示的曲線，它與實(shí)線完全對(duì)稱。,差動(dòng)放大器的輸入輸出方式,差動(dòng)放大器共有四種輸入輸出方式:1. 雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）2. 雙端輸入、單端輸出（雙入單出）3. 單端輸入、雙端輸出（單入雙出）4. 單端輸入、單端輸出（單入單出） 主要討論的問題有： 差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù) 差模輸入電阻

22、 輸出電阻,1.雙端輸入雙端輸出,(1)差模電壓放大倍數(shù) ui1=-vi2=vid/2, 則，一晶體管的電流增加，另一晶體管減小，ic1=-ic2,ve=0,Avd=u0/ui=(v01-v02)/(vi1-vi2)=-2v01/2vi1=-v01/vi1,如下：,（2）共模電壓放大倍數(shù),（3）差模輸入電阻,（4）輸出電阻,2. 雙端輸入單端輸出,結(jié)構(gòu)：輸出回路不對(duì)稱，影響 靜態(tài)工作點(diǎn)。,根據(jù)戴維南定

23、律：,,2.1直流通路,根據(jù)戴維南定律：,輸入回路對(duì)稱,輸出回路不對(duì)稱,2.2 靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,,因?yàn)樵诓钅Ｐ盘?hào)作用時(shí)，負(fù)載電阻僅取得T1管集電極電位的變化量，所以與雙端輸出電路相比。其差模放大倍數(shù)的數(shù)值減小。,在差模信號(hào)作用時(shí)，由于T1管與T2管中電流大小相等方向相反，所以發(fā)射極相當(dāng)于接地。輸出電壓、輸入電壓和差模放大倍數(shù)為；,,2.3 動(dòng)態(tài)分析,2.4 雙端輸入單端輸出小結(jié)（差模信號(hào)）,(1)差模電壓放大倍數(shù),（2）差模輸入電阻,

24、（3）輸出電阻,如果輸入差模信號(hào)極性不變，而輸出信號(hào)取自T2管的集電極，則輸出與輸入同相。,ui1=ui2 =uic,設(shè)ui1 ?，ui2 ? ? ie1 ? ， ie1 ? 。 ? iRe （=2 ie1 ）?,當(dāng)輸入共模信號(hào)，求共模電壓放大倍數(shù),求共模電壓放大倍數(shù)：,,T1邊電路的等效電路,共模抑制比,可以看出，RE愈大，AC的值愈小，KCMR愈大，電路的性能也就愈好。因此，增大RE是改善共模抑制比的基本措施。,,帶

25、恒流源的差動(dòng)放大電路,根據(jù)共模抑制比公式：,加大Re，可以提高共模抑制比。若Re無限大AC為0，故障時(shí)，差分管承受高壓。(根據(jù)IEQ 公式),為了既能采用較低的電源電壓，又能有很大的等效電阻Re，可采用恒流源電路來取代Re。晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，其集電極電流幾乎僅決定于基極電流而與管壓降無關(guān)，當(dāng)基極電流是一個(gè)不變的直流電流時(shí)，集電極電流就是一個(gè)恒定電流。因此，利用工作點(diǎn)穩(wěn)定電路來取代RE，就得到具有恒流源的差分放大電路。,等效很

26、大的交流電阻，直流電阻并不大。,恒流源使共模放大倍數(shù)減小，而不影響差模放大倍數(shù)，從而增加共模抑制比。,恒流源的作用,I2,IB3,可見, 則T3管集電極電流IC3就基本不受溫度影響。而且，由圖可知，電路的動(dòng)態(tài)信號(hào)不可能作用到T3管的基極或發(fā)射極，因此,可以認(rèn)為Ic3為一恒定電流，發(fā)射極所接電路可以等效成一個(gè)恒流源。T1管和T2管的發(fā)射極靜態(tài)電流,,差模放大倍數(shù)：,單出差模放大倍數(shù),1.3.3 直接耦合互補(bǔ)輸出級(jí),工作原理：,ui為

27、正半周時(shí)，T1管工作，T2管截止，輸出uo為正；ui為負(fù)半周時(shí)，T2管工作，T1管截止；輸出uo為負(fù)。兩管交替工作，在負(fù)載電阻RL上得到完整的正弦波。,1. 互補(bǔ)對(duì)稱射極輸出電路,對(duì)于電壓放大電路的輸出級(jí)一般有兩個(gè)基本要求:一、輸出電阻低；二、最大不失真輸出電壓盡可能大。,輸入輸出波形圖,,,,,死區(qū)電壓,當(dāng)輸人電壓為正弦波時(shí)，輸出電壓在ui過零附近將產(chǎn)生失真，這種失真稱為交越失真。,2. 克服交越失真的互補(bǔ)輸出級(jí),靜態(tài)時(shí)，T1、T

28、2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、 D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)，以消除交越失真。,電路中增加 D1、D2,工作原理 ：,合理選擇R3和R4，可以得到UBE任意倍數(shù)的直流電壓，故稱該電路為UBE倍增電路?？梢杂糜跍囟妊a(bǔ)償。,為了增大T1管和T2管的電流放大系數(shù)，以減小前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，常采用復(fù)合管結(jié)構(gòu)，在實(shí)用電路中常采用圖3.3.8所示電路, 圖中T1管和T2管復(fù)合而成NPN型管，T3和T4管復(fù)合而成PNP.,

29、本節(jié)所介紹的互補(bǔ)輸出級(jí)(簡稱互補(bǔ)電路)常做為功率放大電路，也稱為OCL電路。,1.3.4 直接耦合多級(jí)放大電路,實(shí)際中直接耦合多級(jí)放大電路常用差分放大電路做為輸入級(jí)，這樣可以減小整個(gè)電路的溫漂，增大共模抑制比。如果輸入信號(hào)是一個(gè)微弱的電壓信號(hào)時(shí)，則應(yīng)考慮采用場效應(yīng)管差分放大電路。而對(duì)于輸出級(jí)，一般多采用OCL電路，這樣可以使輸出電阻較小，帶負(fù)載能力增強(qiáng)，而且最大不失真輸出電壓幅值可接近電源電壓。為了進(jìn)一步增強(qiáng)放大能力，常用共射放大