多级放大电路和集成.ppt

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1、多级放大电路和集成 电路运算放大器,第 三 章,3.1多级放大电路,3.3 集成电路运算放大器,小结,3.2差分放大电路,引言,3.1.1 级间耦合问题,3.1.2 多级放大电路的分析,3.1多级放大电路,为什么要多级放大？在第2章，我们主要研究了由一个晶体管组成基本放大电路，它们的电压放大倍数一般只有几十倍。但是在实际应用中，往往需要放大非常微弱的信号，上述的放大倍数是远远不够的。为了获得更高的电压放大倍数，可以把多个基本放大电路连接起来，组成“多级放大电路”。其中每一个基本放大电路叫做一“级”，而级与级之间的连接方式则叫做“耦合方式”。实际上，单级放大电路中也存在电路与信号源以及负载之间的

2、耦合问题。,引言,3.1.1 级间耦合问题,极间耦合形式：,直接耦合,电路简单，能放大交、直流信号，“Q”互相影响，零点漂移严重。,阻容耦合,各级“Q”独立，只放大交流信号，信号频率低时耦合电容容抗大。,变压 器耦合,用于选频放大器、功率放大器等。,1、阻容耦合阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，其方框图所示。,阻容耦合放大电路的方框图,单级阻容耦合放大电路,两极阻容耦合放大电路,1）各级的直流工作点相互独立。由于电容器隔直流而 通交流，所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的，这样就给设计、调试和分析带来很大方便。,2）在传输过程中，交流信号损失少。只要耦合电容选得 足够大，则较低频率

3、的信号也能由前级几乎不衰减地 加到后 级，实现逐级放大。,优点：,3）电路的温漂小。4）体积小，成本低。,缺点：,2）低频特性差；,1）无法集成；,3）只能使信号直接通过，而不能改变其参数。,2、变压器耦合,变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧，因此可以作为耦合元件。,变压器耦合,的两级放大电路,为什么要讲变压器耦合？因为变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,图4-5 变压器的等效电路,工作原理：,优点：,1）变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立、互不影响的。因为变压器不能传送直流信号。,2）变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。,3

4、）变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,缺点：,1）高频和低频性能都很差；,2）体积大，成本高，无法集成。,3 直接耦合,直接耦合和两级放大电路,存在两个问题：,1）第一级的静态工作点已接近饱和区。,2）由于采用同种类型的管子，级数不能太多。,（1）直接耦合的具体形式,为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。,（a）,R,R,B1,C1,u,i,u,o,T,T,1,2,U,CE1,R,C2,(a)加入电阻RE2,R,R,B1,C1,R,C2,u,i,u,o,T,T,1,2,R,Uz,+V,Dz,CC,（b）在T2的发射极加入稳压管,R,R,B1,C1,R,E2,u,i,

5、u,o,T,T,1,2,R,C2,为了解决第二个问题：可以在电路中采用不同类型的管子，即NPN和PNP管配合使用，如下图所示。,利用NPN型管和PNP型管进行电平移动,（1）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。由于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。,（2）便于集成。由于电路中只有晶体管和电阻，没有电容器和电感器，因此便于集成。,缺点：,优点：,（1）各级的静态工作点不独立，相互影响。会给设计、计算和调试带来不便。,（2）引入了零点漂移问题。零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重。,（2）直接耦合放大电路的优缺点,（3）直接耦合放大电路中的零点漂移问题,1）何谓零点漂

6、移？,2）产生零点漂移的原因,3）零点漂移的严重性及其抑制方法,电阻，管子参数的变化，电源电压的波动。如果采用高精度电阻并经经过老化处理和采 用高稳定度的电源，则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。,如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。,注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输

7、出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。,抑制零点漂移的方法：,1）采用恒温措施，使晶体管工作温度稳定。需要恒温室或槽，因此设备复杂，成本高。,2）采用温度补偿法。就是在电路中用热敏元件或二极管（或晶体管的发射结）来与工作管的温度特性互相补偿。最有效的方法是设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移相互抵消。这就是“差动放大电路”的设计思想。,3）采用直流负反馈稳定静态工作点。,4）各级之间采用阻容耦合。,4）零点漂移大小的衡量,uIdr=uOdr/Au T,uOdr是输出端的漂移电压；,uIdr就是温度每变化1折合到放大电

8、路输入端的漂移电压。,T是温度的变化；,Au是电路的电压放大倍数；,思路：根据电路的约束条件和管子的IB、IC和IE的相互关系，列出方程组求解。如果电路中有特殊电位点，则应以此为突破口，简化求解过程。,多级放大电路的分析,1、静态工作点的分析,变压器耦合 同第二章单级放大电路阻容耦合直接耦合,例:1,如图所示的两级电压放大电路，已知1=2=50,T1和T2均为3DG8D。计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);,解:,两级放大电路的静态值可分别计算。,RB1,C1,C2,RE1,+,+,+,RC2,C3,CE,+,+,+24V,+,T1,T2,1M,27k,82k,43k,7.5k,

9、510,10k,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,解:,RB1,C1,C2,RE1,+,+,+,RC2,C3,CE,+,+,+24V,+,T1,T2,1M,27k,82k,43k,7.5k,510,10k,2、动态性能分析,=Au1Au2 Aun,Au1(dB)=Au1(dB)+Au2(dB)+Aun(dB),考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!,（1）放大倍数的计算,（2）输入和输出电阻的计算,多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻。,多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻。,例:2,如图所示的两级电压放大

10、电路，已知1=2=50,T1和T2均为3DG8D。,（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。（2）求放大电路的输入电阻和输出电阻,（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,2,b,I,2,c,I,rbe2,RC2,rbe1,RB1,1,b,I,1,c,I,RE1,+,_,+,_,+,_,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,(2)计算 r i和 r 0,微变等效电路,由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻 ri 等于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻 ri2。,2,b,I,

11、2,c,I,rbe2,RC2,rbe1,RB1,1,b,I,1,c,I,RE1,+,_,+,_,+,_,1=60,2=100;rbe1=2 k,rbe2=2.2 k。求 Au,Ri,Ro。,例 3:,解,Ri2=R6/R7/rbe2,RL1=R3/Ri2,AU=AU1AU2,Ri=Ri1=R1/R2/rbe1+(1+1)R4,Ro=R8=4.7 k,3、三种耦合方式放大电路的应用场合,阻容耦合放大电路：用于交流信号的放大。,变压器耦合放大电路：用于功率放大及调谐放大。,直接耦合放大电路：一般用于放大直流信号或缓慢变化的信号。,集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式。为了抑制零漂，它的输入级采用

12、特殊形式的差动放大电路。,3.2差分放大电路,3.2.1 差分放大电路的工作原理,3.2.3 具有恒流源差分放大电路,3.2.2 差分放大电路的输入输出形式,3.2.1 差动放大电路的工作原理,(Differential Amplifier),一 电路组成及抑制零漂的工作原理,1、电路组成,特点：a.两只完全相同的管子；b.两个输入端，两个输出端；c.元件参数对称；,2、抑制零漂的工作原理,原理：静态时，输入信号为零，即将输入端和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从

13、而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。,具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。,结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,3、信号的输入方式和电路的响应,（1）差模输入方式,Ui1=Uid，Ui2=Uid,差模输入信号为Ui1 Ui2=2 Uid,差模输入方式,若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：,ui1ib1 ic1 uc1,ui2 ib2 ic2 uc2,输出电

14、压uO=uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。,定义：Ad=Uod/2Uid,结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。,（2）共模输入方式,Ui1=Ui2=Uic,在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。,ui1=ui2=0，uo=0,Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。,定义：Ac=Uoc/Uic,共模输入方式下的差放电路,Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为0，实际上由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般Ac1。,既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时温度变化以及其它干

15、扰因素对这两半电路都有完全相同的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用下，Uoc=0或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化而引起的零漂。,（3）任意输入方式,输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。,Uic=(Ui1+Ui2)/2,Ui1=Uic+Uid,Ui2=Uic+（-Uid）,若,则,Uid=(Ui1-Ui2)/2,任意输入方式,（3）任意输入方式,输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。,Uic=(Ui1+Ui2)/2,Ui1=Uic+Uid,Ui2=Uic+（-Uid）,若,则,Uid=(Ui1-Ui

16、2)/2,例如：,Ui1=10mV,Ui2=6mV,则 Uid=2mV Uic=8mV,利用叠加原理得到：,Uo=Ad2Uid+AcUic,=Ad（Ui1-Ui2）,结论：在任意输入方式下，被放大的是输入信号Ui1和Ui2的差值。这也是这种电路为什么叫做“差动放大的原因”。,（4）存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。,稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳

17、定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如图4-15所示。,图4-15,可以想见，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越小。但，RE太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太大，管子的动态范围就会变小，如图4-16所示。为了保证一定的静态工作电流和动态范围，而RE又希望取得大些，常采用双电源供电，用电源VEE提供RE上所需的电压。采用双电源供电后的的负载线也如图4-16所示，可以看出在同一个ICQ下，输出电压的动态范围大多了。,改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路。,射极耦合差动放大电路,因为有负电源VEE

18、提供发射极正偏所需要的电压，所以RB可以去掉。VT1和VT2的射极之间还接入了电位器RW，用于电路调零。,二 射极耦合差动放大电路的静态分析,静态工作点的计算：,忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0V,三 射极耦合差动放大电路的动态分析,以双端输入双端输出为例。,在讨论基本差动放大电路时已经讨论过,（1）Ad=Ad1,（2）对于任意输入信号Ui1和Ui2，可以用一个差模信号和一个共模信号叠加来表示。其中,Uid=(Ui1-Ui2)/2,Uic=(Ui1+Ui2)/2,因此总是分别求电路的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数。,1、差模电压放大倍数,关键在于画出差模信号作用下，半电路的交流通路和微变等

19、效电路。,A、对差模信号，若一管的射极电流增大I，则另一管的射极电流必然减小I，因而流过射极电阻RE的总电流不变，即RW的滑动端C点的电位恒定，相当于交流接地。,B、负载RL中点电位为交流地电位。,解释原因。,由此画出半电路的交流通路如图所示。,图4-19,2、共模电压放大倍数,在理想情况下，共模电压放大倍数Ac=0。,3、差模输入电阻Rid,图4-20 差模输入电阻的等效电路,Rid=2R1+rbe+(1+)Rw/2,4、差模输出电阻,Rod=2RC,5、共模输入电阻,6、共模输出电阻,Roc=2RC,10、差动放大电路的电压传输特性,差放双入双出电压传输特性,7、共模抑制比,KCMR=Ad

20、/Ac,用分贝表示：KCMR=20lg Ad/Ac,Ad越大越好，Ac越小越好，因此KCMR越大越好。,8、最大共模输入电压UICM,9、最大差模输入电压UIDM,3.2.2.差分放大电路的输入输出形式,差动放大器共有四种输入输出方式:1.双端输入、双端输出（双入双出）2.双端输入、单端输出（双入单出）3.单端输入、双端输出（单入双出）4.单端输入、单端输出（单入单出）主要讨论的问题有：差模电压放大倍数、共模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,1.双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数,（2）共模电压放大倍数,（3）差模输入电阻,（4）输出电阻,输入幅值不同，如何处理,2.双端输入单端输出

21、,这种方式适用于将差分信号转换为单端输出的信号。,(1)差模电压放大倍数,（2）差模输入电阻,（3）输出电阻,（4）共模电压放大倍数,共模等效电路：,3.单端输入双端输出,单端输入等效双端输入:因为右侧的Rb+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe)/(1+)Re，故 Re 对 Ie 分流sss极小，可忽略，于是有,vi1=vi2=vi/2,计算同双端输入双端输出：,4.单端输入单端输出,注意放大倍数的正负号：设从T1的基极输入信号，如果从C1 输出，为负号；从C2 输出为正号。,计算同双入单出：,(1)差模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,差动放大器动态参数计算

22、总结,双端输出时：,单端输出时：,(2)共模电压放大倍数,与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关：,双端输出时：,单端输出时：,(3)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,单端输出时，双端输出时，,(4)输出电阻,(5)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比：,3.2.3 具有恒流源差分放大电路,1、电路的组成和工作原理,KCMR=Ad/Ac,从以上两式看出要减小Ac，提高共模抑制比，应增大RE，但RE不能太大，因为RE上的压降由VEE提供。在保持VT1、VT

23、2两管的工作电流为一定值时，要加大RE，必须提高VEE，这是有困难的。能不能找到这样一种元器件，它的直流电阻很小，而它的交流电阻却很大，这样静态时不需要很大的VEE，动态时的AC却很小，KCMR很大？,2、电流源电路,减少共模放大倍数的思路：,增大 REE,用恒流源代替 REE,特点：,直流电阻为有限值,动态电阻很大,1.三极管电流源,简化画法,电流源代替差分电路中的 REE,3.具有电流源的差分放大电路,简化画法,V3、V4 构成比例电流源电路,能调零的差分电路,例,(1)求静态工作点；,(2)求电路的差模 Aud，Rid，Ro。,解,(1)求“Q”,=100,ICQ1=ICQ2=0.5 I

24、0,UCQ1=UCQ2=6 0.42 7.5=2.85(V),(2)求 Aud，Rid，Ro,Ro=2RC=15(k),3.3 集成电路运算放大器,集成运放基本知识,3.3.2 通用型集成运算放大器的组成及基本特性,3.3.1 集成运放基本知识,一、通用型集成运放(Operational Amplifier)的组成,1.模拟集成电路的特点,1)直接耦合：,采用差分电路形式，元件相对误差小；,2)大电阻用恒流源代替，大电容外接；,3)二极管用三极管代替(B、C 极接在一起)；,4)高增益、高输入电阻、低输出电阻。,2.组成方框图,输入级：,差分电路，大大减少温漂。,中间级：,采用有源负载的共发射

25、极电路，增益大。,输出级：,OCL 电路，带负载能力强,偏置电路：,镜像电流源，微电流源。,输入级,V1、V3 和 V2、V4,3.通用型集成运算放大器 741 简化电路,共集-共基组合差分电路,V5、V6,有源负载,构成双端变单端电路,中间级,V7、V8,复合管，共发射极,具有高增益,输出级,甲乙类互补对称功率放大电路(OCL),V11 V13,采用单电源(OTL)时，输入端静态电位应为 0.5VCC。,二、集成运算放大器电路符号及理想化条件,1.运放的符号,习惯用符号,国家标准符号,直流电源接法,(VCC=VEE),等效电路,u+同相端输入电压,u-反相端输入电压,uid 差模输入电压,u

26、id=u u+,Aud 开环差模电压放大倍数,uo=Aud(u+u),1)Aud,2.运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想运放：,4)KCMR,5)BW,2)Rid,3)Ro 0,传输特性,理想,线性区,1)Aud,2.运放特性的理想化,6)UIO 0，IIO 0,理想运放：,4)KCMR,5)BW,2)Rid,3)Ro 0,传输特性,理想,线性区,实际,3.理想运放工作在线性区的两个特点,1)u+u(虚短),证：,uo=Aud(u+u)=Aud uid,u+u=uo/Aud 0,2)i+i 0(虚断),证：,i+=uid/Rid 0,同理 i 0,4.理想运放工作在非线性区的两

27、个特点,1)u+u时，uo=Uomax,u+u 时,uo=UOmax,2)i+i 0(虚断),通用型集成运算放大器的组成及基本特性,一、集成电路器件命名及主要性能指标,1.国标 GB-3430-82 对集成电路的规定,2.主要参数,1)输入失调电压 U IO,使 UO=0，输入端施加的补偿电压,2)输入偏置电流 I IB,几毫伏,UO=0 时，,10 nA 1 A,3)输入失调电流 IIO,UO=0 时，,1 nA 0.1 A,4)开环电压增益 Aud,100 140 dB,5)差模输入电阻 R id,输出电阻 Ro,几十千欧 几兆欧,几十欧 几百欧,6)共模抑制比 KCMR,80 dB,7)

28、最大差模输入电压 UIdM,共模输入 U IC 过大，K CMR下降,当 UId 过大时，反偏的 PN 结可能因反压过大而被击穿。,NPN 管 UIdM=5 V横向 PNP 管 UIdM=30 V,CF741 为 30 V,8)最大共模输入电压 UICM,9)最大输出电压幅度 UOPP,输出级为 OCL 电路,一般比电源电压小一个 UCE(sat)如电源电压 15 V，U OPP 为 13 14 V,CF741 为 13 V,二、集成运放使用注意事项,(一)集成运放的封装和引脚排列,封装形式:,金属圆形、双列直插式、扁平式,封装材料:,陶瓷、金属、塑料,例:,塑封双列直插式(DIP)CF741,DIPDual In-Line Pakage,(二)集成运放使用注意事项,1.查阅手册了解引脚的排列及功能；,2.检查接线有否错误或虚连，输出端不能与地、电 源短路；,3.输入信号应远小于 UIdM 和 UICM，以防阻塞或损 坏器件；,4.电源不能接反或过高，拔器件时必须断电；,5.输入端外接直流电阻要相等，小信号高精度直流 放大需调零。,小 结,第 3 章,一、差分电路,1.主要特点：放大差模信号，抑制共模信号(克服零点漂移),2.四种输入、输出方式比较：,很小,