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1、第4章 多级放大电路和集成运算放大电路,4.1 多级放大电路的耦合方式及分析4.2 差动放大电路4.3 集成运算放大电路,作业：4-3 4-7 4-13 4-14,重点与难点,第3章 目录,本章的重点:1.多级放大电路的耦合方式及其特点，多级放大电路的动态参数与组成它的各级电路的关系。2.差动放大电路工作原理、静态工作点、差模放大倍数、输入电阻、输出电阻的分析和估算。3.集成运放的特点、组成及主要参数,本章学习的难点:1.组成多级放大电路的各级电路的输入电阻和输出电阻及其对多级放大电路动态参数的影响。2.单端输出差动放大电路静态和动态的分析。,常见耦合方式有四种:,多个基本放大电路连接构成了“
2、多级放大电路”，每一个基本放大电路叫一“级”，级与级之间的连接方式叫“耦合方式”。,4.1.1 多级放大电路的耦合方式及分析,4.1.1 多级放大电路的耦合方式及分析,1.直接耦合,UCE1=UBE2 0.7V,使VT1接近饱和区,动态时易产生饱和失真。,前一级输出直接接后一级输入,解决办法：(提高UB2),(1)加入电阻RE2(影响Au2).,（2）在VT2的发射极加稳压管,电阻R保证稳压管的电流大于最小稳压稳定电流.直流有压降(恒压),动态电阻小，对放大能力影响小。,（3）NPN型和PNP型管配合使用,问题：集电极电位逐级升高，级数受到限制,UC2UB2(UC1),（2）直接耦合方式的特点
3、,1）低频特性较好，可以放大变化缓慢的信号；2）电路中没有大电容，易于集成。3）各级静态工作点相互影响，电路的分析、设计和调试较困难。,零点漂移：输入电压为零而输出电压不为零，且缓慢变化的现象,（3）直接耦合放大电路的零点漂移,产生的原因：电源波动、元件老化、半导体元件参数随温度变化而产生变化.,放大电路的漂移逐级放大,会造成电路无法正常工作。,抑制零点漂移的方法,1）恒温；2）温度补偿法；用热敏元件抵消温度的变化；采用“差动放大电路”3）引入直流负反馈稳定静态工作点,主要原因：温度变化引起半导体器件参数的变化 又称温度漂移（简称温漂）,将温度变化1C时，放大电路输出端的漂移电压折合到输入端，
4、衡量零点漂移大小。,衡量零点漂移大小,2.阻容耦合,将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。,特点：,1）各级静态工作点相互独立，静态分析、设计和调试方便；2)电容容量较大，交流信号在传输过程中损失小；3）耦合电容的隔直作用使电路的温漂很小；4）低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；5）大电容的存在，阻容耦合放大电路难集成。,3.变压器耦合,变压器耦合方式的特点：,（1）各级静态工作点相互独立，设计、计算、调试方便；（2）只能放大交流信号，所以几乎没有零点漂移；,前级输出端通过变压器接到后级输入端或负载电阻上，前后级通过磁路耦合。,（3）低频特性差，不能用来放大直流和缓慢变化的信号。（4）
5、变压器的存在，不便集成，用于分立元件电路中。（5）最大特点可以实现电流、电压和阻抗变换。,4.光电耦合,(1)光电耦合器,以光信号为媒介实现电信号的耦合与传递。,将发光元件与光敏元件相互绝缘地组合在一起。发光元件为输入回路：将电能转换为光能；光敏元件为输出回路：将光能转换为电能。,光电耦合器,传输比：,0.11.5,传输特性,传输特性描述了光电晶体管集电极电流及管压降与发光二极管电流的关系。,iC几乎仅由iD决定,(2)光电耦合放大电路,光电耦合电路输入回路与输出回路间没有电气连接，靠光耦合，具有较强的抗干扰能力。,4.1.2 多级放大电路的分析,1.静态工作点的分析,阻容耦合电路各级静态工作
6、点相互独立，计算方法同单管放大电路。直接耦合电路各级静态工作点相互影响，需列方程组求解。常以特殊电位点做为突破口，简化求解过程。,例4-1 求图示电路的静态工作点,(2)动态性能的分析,多级放大电路方框图,总电压增益等于组成它的各级放大电路电压电压增益的乘积。,注意:每一级的Au必须将后一级的输入电阻作为前一级的负载。,例:写出图示电路的电压增益、输入电阻和输出电阻,静态工作点稳定电路,共射电路,共集电路,解：画出多级放大电路的微变等效电路，逐级进行计算过程复杂。根据所学知识，直接写出总电路的各参数的表达式。,输入电阻,Ri=R1/R5/rbe1+（1+1）R3=Ri1,输出电阻,Ro=R10
7、=Ro3,如果输入级（或输出级）为共集电路，则输入电阻（输出电阻）的计算需考虑后（前）级的影响。,共集电极放大电路作为输出级,电压增益,输入电阻,输出电阻,Ro1,考虑前级输出电阻影响,注意：计算输出电阻不考虑RL影响,思考：如果输入级为共集电路？,4.2 差动放大电路,1.电路的组成,4.2.1 差动放大电路,特性相同的管子，组成两半结构对称的电路,2.抑制零点漂移的原理,因为两个管子的特性相同，当外界条件变化时，两管的集电极电位始终相等，使输出端电压为0，因此抑制了零点漂移,3.信号的输入方式和电路的响应,（1）共模输入方式,两输入端接相同的信号的输入方式,共模电压增益,干扰信号可等效为共
8、模信号，该差动放大电路输出端的共模电压为零,（2）差模输入方式,加在两管输入端的信号大小相等，极性相反的输入方式,输入信号为,差模电压增益,输出电压不为零，出现差模输出信号,半电路分析法,半电路电压增益,整个差放的电压增益与半电路相等，是多一半电路来换取对零点漂移的抑制。,整个电路的输出电压,差放电路的差模电压增益,（3）任意输入方式,两输入端接的输入信号分别为,将任意输入信号看作由共模输入分量和差模输入分量组成,得到：,两个输入端之间有差别，输出端才有变动，因此称为差动放大电路。,因为共模电压增益为零，输出电压中只有差模分量,（4）存在的问题及解决方案,两半电路不完全对称或输出信号取自一个管
9、子的集电极时，电路没有抑制零点漂移的能力，必须提高每一半电路静态工作点的稳定性。,在射极接大电阻，同时采用正负电源保证合适的静态电流及动态范围。该电路称为“长尾式差动放大电路”。又称为“射极耦合差动放大电路”。,4.2.2 射极耦合差动放大电路的分析,1.射极耦合差动放大电路的静态分析,条件:输入信号为零,RRP较小可略,温度影响很小,或,2.射极耦合差动放大电路的动态分析,双端输入、双端输出,共模和差模输入分量分别为,（1）差模电压增益,差模信号作用下，两个管子射极电流一个增大一个减小，射极电阻RE上的总电流不变，所以滑动端C电位恒定不变，相当于交流接地.同样两管集电极电位一个升高一个降低，
10、负载电阻RL两端电位一端升高，一端降低，中点电位恒定，相当于交流接地,C,C点交流接地,RL中点交流接地,差模电压增益,(2)差模输入电阻:,(3)差模输出电阻:,()共模抑制比 KCMR:,为了衡量差动放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力,此值越大越好,电路对称且信号双端输出时,（4）共模电压增益0,(8)电压传输特性,只在一定范围内才成线性,()最大共模输入电压UicM:,()最大差模输入电压UidM:,1.双端输入、双端输出方式（双入双出),2.双端输入、单端输出方式（双入单出）,3.单端输入、双端输出方式（单入双出）,4.单端输入、单端输出方式（单入单出）,4.2.2 输
11、入和输出的四种接法及性能分析,1.双端输入、双端输出（双入双出）,差模电压增益,差模输入电阻,差模输出电阻,共模电压增益,Ac=0,共模抑制比,2.双端输入、单端输出（双入单出）,常用于将双端输入信号转换为单端输出信号。,（1）静态分析,输入回路仍对称,IBQ1=IBQ2,UCEQ1 UCEQ2,ICQ1=ICQ2,输出回路不对称,UCQ2=V CC-ICQRc,计算UCQ1,（2）对差模输入的动态分析,差模电压增益,只取出一管的集电极电压变化量,只有双端输出时的一半,若从c2输出时电压增益为正,差模输入电阻,差模输出电阻,（3）对共模输入的动态分析,输入共模信号时,流过电阻RE上的电流为2İ
12、e,忽略调零电位器，对共模信号半电路的交流通路为,共模电压增益：,差模电压增益,共模抑制比：,R越大抑制共模信号的能力越强,输出电压,3、单端输入，双端输出（单入双出）,要求信号源接地时采用,将单端输入看作一种任意输入方式，,将其分解为差模分量和共模分量,此时，电路的静态工作点和动态参数分析与输入双出相同,3、单端输入，单端输出（单入单出）,用于要求输入和输出端都有一端接地的场合,与双入单出电路的分析方法相似,）静态时单端输出时）单端输出大约为为双端输出的一半，但不同；）：双端输出，单端输出；）单入和双入相同；）单出是双出的一半。,总结,例-图示电路中，,解（）静态分析,（）动态分析,将输入信
13、号分解为差模分量和共模分量,）双端输出（与之间）,差模电压增益,共模抑制比,输出电压,）单端输出（与地之间）,差模电压增益,共模电压增益,共模抑制比,输出电压,若从2与地之间输出，输出电压？,4.2.带射极恒流源的差动放大电路,电路的组成和工作原理,增大电阻R能有效拟制零点漂移,提高共模抑制比。但R的增大在同样静态工作电流的情况下则要求提高VEE,困难同时集成电路中不易制作大电阻。解决的办法:采用恒流源代替大电阻R,以保证交流时有很大的等效电阻,又可采用较低的电源电压。,工作点稳定电路代替R，IB3恒定时,IC3就是一个恒流源。,静态计算：,动态分析：,对差模信号：点交流接地对共模信号：射极上
14、接入了大电阻,用专门的制作工艺，将晶体管、二极管、电阻等元器件及连线组成完整的放大电路制作在一块硅片上，作为一个集成器件使用。因最初用于模拟信号的运算，所以叫做“集成运算放大电路”（简称集成运放）是具有很高开环电压放大倍数的直接耦合放大器。集成运放现广泛用于模拟信号的产生及处理电路中。性能价格比优越，在绝大多数情况下已取代了分立元件放大电路。,4.1 集成运算放大电路,1 集成电路特点,）不能做大C、L，只能采用直接耦合方式。）为克服温漂，采用差动放大电路。）用管子构成的恒流源代替大R及设置Q。）采用复合管改善单管的性能。）大电阻不便集成，常用有源器件取代电阻,集成运算放大电路概述,输入级 差
15、分放大器，具有较强的抑制零点漂移能力,2 集成运放的组成,输出级 射极输出器或互补对称功率放大器。输出电阻小（带载能力强），非线性失真小,中间级 共射/共源放大电路。具有较强的放大能力，采用复合管作放大管，以恒流源做负载,偏置电路 用于设置各级放大电路的静态工作点、一般采用电流源电路.还有电平偏移电路，短路保护电路等。,4.2 集成运放中的电流源电路,有镜像电流源、微电流源、威尔逊电流源、比例电流源、多路电流源等。,1.镜像电流源 管子处于临界饱和状态，放大边缘。,2.微电流源,设计时，首先确定IC2和IC1，然后选定R和RE。,在VT2发射极接入电阻RE,3.多路电流源,同一个参考电流同时产
16、生几路输出，为多个放大管提供偏置电流.,一个，产生了、,.作为有源负载的电流源电路,采用镜像电流源代替集电极电阻，即保证其直流工作点基本不变，又提高了电压增益。,4.3.3 典型集成运放电路,通用型集成运放,双极型,单极型,F007(A741)：恒流源，反向击穿电压高。F324(LM324)：有源负载，Aod。,输入阻抗高；电源电压范围宽；芯片面积小，集成度高。,例：P1 F007(A741)电路原理图,集成运放（通用型集成运放F007）,4.4 集成运放的主要性能指标,开环差模电压增益Aod Aod=uo/（uP-uN），常用分贝（dB，20lgAod）表示，通用型在105左右（100dB）
17、。,2.共模抑制比KCMR 常用分贝（dB）表示,80dB。,3.差模输入电阻rid 2M,4.输入失调电压UIO 为使输出电压为零，在输入端所加的补偿电压。,6.输入失调电流IIO 反映差分管输入电流的不对称程度。IIO=IB1-IB2,8.输入偏置电流IIB 输入差放管基极偏置电流 的平均值。IIB=（IB1+IB2）/2,5.输入失调电压温漂dUIO/dT 是UIO的温度系数。,7.输入失调电流温漂dIIO/dT 是IIO的温度系数。,9.最大共模输入电压UIcmax UIC高于此值时，运放就不能放大差模输入信号,10.最大差模输入电压UIdmax 不使PN结反向击穿所允许的最大Uid。
18、,11.3dB带宽fH(BW)使Aod下降3dB（即下降到约0.707 Aod）时的信 号频率宽度。,12.单位增益带宽f(BWG)。使Aod下降到0dB（即 Aod=1）时的信号频率。与晶体管的fT类似。,13.转换速率SR。表明集成运放对信号变化速度的适应能力，是衡量大幅值信号作用时工作速度的参数。SR=duo/dtmax 常用单位：（输出电压变化）V/S。,理想运放参数：Aod、KCMR、rid、fH 均为无穷大；UIO、dUIO/dT、IIO、dIIO/dT、IIB均为零。,近似分析中，常把运放理想化。,符号及电压传输特性,高阻型 具有高输入电阻rid的运放。,2.高速型 具有转换速率
19、高的运放。,3.高精度型 具有低失调、低温漂、低噪声、高增益的运放。,4.低功耗型 具有静态功耗低、工作电源电压低的运放。,集成运放的种类,一、性能指标分类,二、工作原理分类,电压放大型电流放大型跨导型互阻型,三、制造工艺分类,双极型、单极型,运放的选择,信号源的性质 根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围选择运放。,2.负载的性质 根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和 输出电流的幅值选择运放。,3.精度要求 根据精度要求和响应时间及灵敏度要求选择运放。,4.环境条件 根据环境温度的变化范围要求、所提供电源的限 制、功耗的限制选择运放。,1.正确辨认管脚
20、.(目前未完全标准化),集成运放的使用,调零,调零,2.调零或调偏置电压.对于内部无自稳零措施的运放,在外部要加调零电路;若为单电源供电,有时还需设置合适的静态输出电压,以便能放大双极性信号.,3.消除自激振荡.在电源端加去耦电容.有的需外接频率补偿电容.,4、保护措施,(1)输入保护,开环工作防止差模信号过大,闭环工作防止共模信号过大,(2)输出保护,(3)电源保护,防止电源极性接反,限制了输出电流及输出电压幅值,一、多级放大电路的耦合方式直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合二、多级放大电路的静态分析 直接耦合：联立方程，找关键点。阻容耦合：同单管放大电路。,本章小结,二、多级放大电路的动态分析1、放大倍数：等于各级放大倍数之积（将后级输入电阻作为前级的负载）2、输入电阻：是第一级的输入电阻3、输出电阻：是末级的输出电阻注：若第一级为共集接法，多级放大电路的输入电阻与第二级的输入电阻有关；若末级为共集接法，则多级放大电路的输出电阻与倒数第二级的输出电阻有关。,三、差动放大电路四种输入输出方式静态与动态参数的分析、计算,四、了解集成电路的结构特点和电路组成、运放的符号及主要性能指标,
