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1、多级放大电路的耦合方式,多级放大电路的动态分析,5.1 多级放大电路,多级放大电路的耦合方式,在实际应用中，常对放大电路的性能提出多方面的要求。例如，要求一 个放大电路输入电阻大于2M，电压放大倍数大于2000，输出电阻小于1000等，仅靠前面所讲的任何一种放大电路都不可能同时满足上述要求。这时，就可以选择多个基本放大电路，并将它们合理连接，从而构成多级放大的电路。,组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合。多级放大电路有四种常见的耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合和光电耦合。,一.直接耦合,将前一级的输出端用能通过直流的元件或直接连接到后一级的输入端，
2、称为直接耦合方式。,图示直接耦合电路说明：,电路省去了第二级的基极电阻，而使Rc1既作为第一 级的集电极电阻，又作为第二级的基极电阻，只要Rc1取值合适，就可以为T2管提供合适的基极电流。所以前后级静态会互相影响。,1.直接耦合放大电路静态工作点的设置,静态时：Tl：VCEQlVBEQ20.7V。则Tl管的静态工作点靠近饱和区，在动态信号作用时容易引起饱和失真。因此，为使第 一级有合适的静态工作点，就要抬高T2管的基极电位。,电路的静态工作分析,有利因素：增加Re2后，在参数取值恰当时，两级均可有合适的静态工作点;不利因素：Re2的接入会使第二级的电压放大倍数大大下降，从而影响整个电路的放大能
3、力。,改进方案1：增加Re2,电路说明：,在T2管的 发射极加电阻Re2。,改进方案2：将电阻Re2换成稳压二极管。,稳压二极管的特点：,对直流量和交流量呈现出不同的特性：直流电阻RDC大；交流电阻RAC小。,改进方案3：多级放大电路NPN型和PNP型管混合使用,（b）所示电路中，为使各级晶体管都工作在放大区，必然要求T2管的集电极静态电位高于其基极电位，也就是要高于Tl管的集电极静态电位。可以设想，如果级数增多，且均为NPN管构成的共射电路，那么由于集电极电位逐级升高，以至于接近电源电压，势必使后级的静态工作不合适。因此，直接耦合多级放大电路常采用NPN型和PNP型管混合使用的方法解决 上述
4、问题。如图（d）所示。,2.直接耦合方式的优缺点,零点漂移（零漂）,一个理想的直接耦合放大电路，输入信号为0时，输出应保持不变。但实际中，输出会发生变化。,引起零漂的原因有温度变化、电源波动等许多因素，其中温度的影响最为严重。温度引起的漂移称温漂。多级放大电路中第一级的漂移影响最严重。,二.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,称为阻容耦合方式。,电路说明：静态：电容相当于开路，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互独立，在求解或实际调试Q点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行。而且输出温度漂移比较小。,当信号频率较低时，信号在电容
5、上的衰减较大，故其低频特性较差。同时不容易集成化。,三.变压器耦合,将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为变压器耦合。,由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样，它的各级放大电路的静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试。而它的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且非常笨重，更不能集成化。与前两种耦合方式相比，其最大特点是可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。,四.光电耦合,光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的,因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。,若信号源回路和输出回路分别采用独立电源且不共地，则具有很强
6、的抗干扰性，适于远距离传输。,多级放大电路的动态分析,一.电压放大倍数,前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗,后级的输入阻抗是前级的负载,前后级之间的相互影响,注意：计算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载。,多级放大电路的动态分析,二.输入电阻,三.输出电阻,多级放大电路的动态分析,注意：,1 多级放大电路中，后级的输入电阻为前级的负载，前级的输出电阻为后级信号源内阻；2 当共集放大电路作为输入级时，它的输入电阻与其负载，即第二级的输入电阻有关；当共集放大电路作为输出级时，其输出电阻与前一级的输出电阻有关;3 当多级放大电路出现失真时，应首先确定失真首先在哪一级出现，然后再判断失真类
7、型。,多级放大电路的动态分析,例1,1 计算各级放大电路的静态工作点；2 画微变等效电路，求各级电压放大倍数和总的电压放大倍数；3 计算整个电路的输入电阻和输出电阻。,共射共集两级放大电路。,第一级：,阻容耦合多级放大电路的各级静态工作点独立估算，互不影响。,1.静态分析,第二级：,2.动态分析,3.求输入输出电阻,例2：电路如下图示，求Q、Aus、Ri、Ro,us,画微变等效电路：,2,源,例,1 计算各级放大电路的静态工作点；2 画微变等效电路，求各级电压放大倍数和总的电压放大倍数；3 计算整个电路的输入电阻和输出电阻。,共射共集两级放大电路。,第一级：,直接耦合多级放大电路的各级静态工作
8、点相互存在影响。,1.静态分析,第二级：,两级之间相互影响,2.动态分析,3.求输入输出电阻,例3：共射共基放大电路,共射共基放大电路,所以,因为,因此,电压增益,共射共基放大电路,输入电阻,Ri,Rb|rbe1Rb1|Rb2|rbe1,输出电阻,Ro Rc2,实际上，T1、T2可等效为一只三极管，称为复合管，可等效为一个NPN管,(a)原理图(b)交流通路,例4 共集共集放大电路,1.复合管组成及电流放大系数,(1)NPN+NPN=NPN,(2)PNP+PNP=PNP,rberbe1(11)rbe2,共集共集放大电路,(3)PNP+NPN=PNP,(4)NPN+PNP=NPN,结论：复合管的
9、类型与构成复合管中的第一个管子的类型相同。,rberbe1,共集共集放大电路,复合管的电流放大系数,T1：1;T2：2,iC,iC2,iC1,2.复合管组成原则：,(1)在正确的外加电压下，每只管子的各极电流均有合适的通路，且工作在放大区；,(2)为了实现电流放大，应将一只管的集电极或发射极电流作为第二只管子的基极电流。,共集共集放大电路,输入电阻大，对信号源影响小；输出电阻小，带负载能力强。,利用复合管求得共集共集放大电路的Av、Ri、Ro,式中 12 rberbe1(11)rbe2 RLRe|RL,RiRb|rbe(1)RL,共集共集放大电路,输入电阻大，对信号源影响小；输出电阻小，带负载
10、能力强。,例5 复合管共射放大电路,动态参数计算,（和单管相当）,(输入电阻比单管大，对信号源影响小),（动态参数直接利用复合管计算结果接近）,多级放大电路如下图所示。已知T1的Kn=0.5mA/v2，VT=1V,T2的40，VBE忽略不计，C1,C2,C3,C4的容量足够大。（1）估算静态工作点；（2）画出该放大电路的简化微变参数等效电路；（3）计算电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。,5.2.1 BJT电流源电路,1.镜像电流源,T1、T2的参数全同,即12，ICEO1ICEO2,当BJT的较大时，基极电流IB可以忽略,IoIC2IREF,代表符号,5.2.1 BJT电流源电路,1.镜像电流
11、源,动态电阻,一般ro在几百千欧以上,5.2.1 BJT电流源电路,电路简单，应用广泛；要求IC2电流较大情况下，R 的功耗较大，集成电路应避免；要求IC2电流较小时，要求R 数值较大，集成电路难以实现。,改进型电流源电路,加射极输出器的电流源,利用T2的电流放大作用，减小了基极电流IB0和IB1对基准电流IR的分流；更好的保持镜像特性。,5.2.1 BJT电流源电路,2.微电流源,所以IC2也很小。,rorce2（1）,5.2.1 BJT电流源电路,3.比例电流源,多路电流源电路,多路电流源是在比例电流源的基础上得到的。,当IE0确定后，根据所需静态电流，来选取发射极电阻的数值。,电流源的应
12、用,为放大电流提供合适偏置电流；作为放大电路的有源负载。,有源负载共射放大电路,零点漂移（零漂）,一个理想的直接耦合放大电路，输入信号为0时，输出应保持不变。但实际中，输出会发生变化。,引起零漂的原因有温度变化、电源波动等许多因素，其中温度的影响最为严重。温度引起的漂移称温漂。直接耦合多级放大电路中第一级的漂移影响最严重。,措施：引入直流负反馈；温度补偿；差分式放大电路,5.3 差分式放大电路,5.3.1 差动放大电路的工作原理,特点：结构对称,即：1=2=UBE1=UBE2=UBE rbe1=rbe2=rbe,1.零点漂移的抑制,uo=VC1-VC2=0,当 ui1=ui2=0 时：,当温度
13、变化时：,IC1=IC2，VC1=VC2,设T iC1,iC2 vC1,vC2(增量相等)uo=vC1-vC2=0,对称差动放大电路对两管所产生的同向漂移都有抑制作用。,2.输入信号分类,(1)差模(differential mode)输入,ui1=-ui2,(2)共模(common mode)输入,ui1=ui2=uic,任意输入的信号 ui1,ui2，都可分解成差模分量和共模分量。,(3)比较 输入,两输入端加的信号大小相等、极性相反。,两输入端加的信号大小相等、极性相同。,ui1=uic+uid1；ui2=uic-uid1=uic+uid2,例:ui1=20 mV,ui2=10 mV,则
14、：uid1=5mV,uic=15mV,差模分量:,共模分量:,ui1=15mV+5mV；ui2=15mV-5mV,注意：差模分量和差模信号的关系,信号输入方式,5.3.2 典型差动放大电路,特点：加入射极电阻RE；加入负电源-UEE，采用正负双电源供电。,为了使左右平衡，可设置调零电位器,设ui1=ui2=0,RE:对共模信号有很强负反馈作用,抑制温度漂移。对差模信号基本上不影响放大效果。,RE的作用,动画演示,结论：,1 由于 RE上的电压UE的增高，使每个管子的漂移得到了抑制（电流负反馈作用）。显然，RE越大，抑制能力越强。,当输入差模信号时，iE=(iE1+iE2),由于iE1与 iE2
15、的极性相反，iE=0。所以里流过RE的电流几乎不便，RE基本上不影响差模信号的放大作用。,2 当输入共模信号时，它的抑制过程同对零漂的抑制过程相似，所以RE又称为共模抑制电阻。,双电源的作用：,（3）使信号变化幅度加大。,（2）IB1、IB2由负电源-UEE提供。,（1）低偿RE的直流压降，使BJT不工作在饱和区。,5.3.3 共模抑制比(CMRR),例:Ad=-200，Ac=0.1 KCMRR=20 lg(-200)/0.1=66 dB,CMRR Common Mode Rejection Ratio,KCMRR=,KCMRR(dB)=,(分贝),共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共
16、模信号的能力越强。,差模放大倍数,共模放大倍数,理想情况下：AC0 KCMR,静态分析,（uI1=uI2=0）,基极回路方程：,因为Rb较小，且IB较小，故,5.3 差分式放大电路,双端输出,静态工作点与负载电阻RL无关,单端输出,由于输入回路参数对称，,在静态时，当不接负载电阻，四种工作方式下的直流通路均相同。接入负载电阻后，直流通路随输出方式不同而有差异，而与输入方式无关。,动态分析,当差分式放大电路两输入端加入两个任意信号，这两个信号可以均可分解为差模信号和共模信号，因此需要分别对差模信号和共模信号作用下动态工作情况进行分析。,由于单端输入电路可以将输入信号和零信号分解为差模和共模两部分
17、，因此单端输入电路在分析中，差模和共模工作情况可以分别进行。这样，单端输入电路的分析与双端输入电路的分析就一致了。,下面分别对不同输出方式的差分式放大电路进行差模输入分析和共模输入分析。,因此，在对差分式电路进行动态分析时，只需要对差模信号和共模信号作用下动态工作情况进行分析，与输入方式无关。,双端输出的差模输入分析,动态分析,双端输出的共模输入分析,单端输出的差模输入分析,抑制零漂能力,越强,单端输出的共模输入分析,电压增益、输入电阻和输出电阻都与输入方式无关。输入电阻与输出方式无关，只与差模、共模信号情况有关。输出电阻与差模、共模信号情况无关，与输出方式有关。电压增益与差模、共模信号情况和
18、输出方式都有关。,差分式放大电路动态工作特点,带恒流源的射极耦合差分式放大电路,电路组成及工作原理,静态,利用恒流源作有源负载差分式放大电路,利用恒流源作有源负载可以进一步改进差分式放大电路的性能，如图所示为利用镜像电流源作有源负载的双端输入单端输出差分式放大电路，该电路可以使单端输出电路的差模电压增益提高提高到接近双端输出时的情况。,输出电压与输入电压之间的关系曲线：,线性区 非线性区,差分式放大电路的频率响应,高频响应与共射电路相同，低频可放大直流信号。,差分式放大电路的传输特性：,5.4集成电路运算放大器,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛
19、的一种模拟集成电路。,Auo 高:80dB140dB rid 高:105 1011ro 低:几十 几百 KCMR高:70dB130dB,一.集成运放的特点,直接耦合方式，第一级通常采用差分放大电路。用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。采用复合管。需要的电容和电感通常外接。二极管一般用三极管的发射结构成。,高增益、高可靠性、低成本、小尺寸,电路的简单说明,输入级,中间级,输出级,同相输入端,输出端,反相输入端,二.集成运放电路的组成,偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。输 入 级：前置级，
20、多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中 间 级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输 出 级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。,动画,主要参数,1.最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。,2.开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。,6.共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。,愈小愈好,3.输入失调电压 UIO4.输入失调电流 IIO
21、5.输入偏置电流 IIB,集成运放的主要性能指标,指标参数 F007典型值 理想值开环差模增益 Aod 106dB 差模输入电阻 rid 2M 共模抑制比 KCMR 90dB 输入失调电压 UIO 1mV 0UIO的温漂d UIO/dT()几V/0输入失调电流 IIO(IB1-IB2)20nA 0IIO的温漂d IIO/dT()几nA/0 最大共模输入电压 UIcmax 13V最大差模输入电压 UIdmax 30V-3dB带宽 fH 10Hz 转换速率 SR(=duO/dtmax)0.5V/S,运放的特点,理想运放：,rid,KCMRR,ro 0,Auo,运放符号：,理想运算放大器,国内符号：,同相输入端,反相输入端,输出端,国际符号：,运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。运放的Auo=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,Auo越大，线性区越小，当Auo 时，线性区0,Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,理想特性,运算放大器线性应用时的分析依据,1.差模输入电阻,两个输入端的输入电流可认为是零，即虚断。,2.开环电压放大倍数 输出电压是一个有限值，,即虚短。,运算放大器在饱和区时的情况 当 时，,注意：此时输入端的输入电流也等于零有“虚断”特性，但是没有“虚短”特性。,
