《模拟电子技术基础》(第四版) 第3章.pptx

第三章第三章 多级放大电路多级放大电路内容提要内容提要本章首先介绍以单管放大电路为单元电路所组成的多级本章首先介绍以单管放大电路为单元电路所组成的多级放大电路的耦合方式及分析方法，然后阐明直接耦合放放大电路的耦合方式及分析方法，然后阐明直接耦合放大电路的大电路的温漂温漂问题，以及组成直接耦合多级放大电路的问题，以及组成直接耦合多级放大电路的输入级输入级差分放大电路。差分放大电路。2021/9/121第三章第三章 目录目录3.1 多级放大电路的多级放大电路的耦合耦合方式方式3.2 多级放大电路的分析方法多级放大电路的分析方法3.3 直接直接耦合耦合放大电路放大电路2021/9/122在第二章我们介绍了单管基本电压放大电路，由不同管在第二章我们介绍了单管基本电压放大电路，由不同管子构成的各种接法的电路具有不同的特点。在实际应用子构成的各种接法的电路具有不同的特点。在实际应用中，为了进一步改善放大电路的性能，常根据具体需要中，为了进一步改善放大电路的性能，常根据具体需要将不同种接法组合起来构成多级放大电路，以得到多方将不同种接法组合起来构成多级放大电路，以得到多方面性能俱佳的放大电路。面性能俱佳的放大电路。组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，组成多级放大电路的每一个基本放大电路称为一级，级与级之间的连接方式称为级与级之间的连接方式称为耦耦耦耦合合方式方式。常见的常见的耦耦耦耦合方式合方式直接直接耦耦耦耦合合阻容阻容耦耦耦耦合合变压器变压器耦耦耦耦合合光电光电耦耦耦耦合合3.1 多级放大电路的多级放大电路的耦合耦合方式方式输出输出2021/9/123优点优点:具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号；电路中没有大容量电容，易于构成集成放大电路。电路中没有大容量电容，易于构成集成放大电路。缺点缺点:各级之间的直流通路相连，前后级静态工作点相互各级之间的直流通路相连，前后级静态工作点相互影响，这就给电路的分析设计带来一定的困难；影响，这就给电路的分析设计带来一定的困难；存在存在零点漂移零点漂移现象。现象。直接直接耦耦耦耦合合:前级的输出端直接连接到后级的输入端前级的输出端直接连接到后级的输入端【例如】【例如】+VCCuiuoRB11RB12RC1RC2T1T2uo有无直流量有无直流量?ui如为低频信号如为低频信号,可否放大可否放大?2021/9/124阻容阻容耦耦耦耦合：前级输出端通过电容接到后级输入端合：前级输出端通过电容接到后级输入端缺点缺点:低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；在集成电路中不能制造大容量电容，因此阻容在集成电路中不能制造大容量电容，因此阻容耦耦耦耦合放大电路不合放大电路不 便于集成化。便于集成化。优点优点:各级之间的直流通路各不相连，各级的静态工作点相互独立，各级之间的直流通路各不相连，各级的静态工作点相互独立，电路的分析设计和调试简单。在分立元件电路中应用非常广泛。电路的分析设计和调试简单。在分立元件电路中应用非常广泛。【例如】【例如】+VCCuiuoRB11RB12RC1RE2T1T2RE1RB2+C1C2C3CE1uo有无直流量有无直流量?ui如为低频信号如为低频信号,可否放大可否放大?2021/9/1253.2 多级放大电路的分析方法多级放大电路的分析方法3.2.1 多级放大电路的静态分析多级放大电路的静态分析多级放大电路各级的静态值也是利用其直流通路来求解。多级放大电路各级的静态值也是利用其直流通路来求解。对于直接对于直接耦耦耦耦合放大电路而言，应写出直流通路中各个回合放大电路而言，应写出直流通路中各个回路的方程，然后求解。而对于阻容路的方程，然后求解。而对于阻容耦耦耦耦合放大电路，因其合放大电路，因其各级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互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，求解静态值时可按单级处理。独立，求解静态值时可按单级处理。2021/9/1263.2.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析一、多级放大电路交流等效电路（以两级为例）一、多级放大电路交流等效电路（以两级为例）*前级的输出电阻是后级的信号源内阻前级的输出电阻是后级的信号源内阻*后级的输入电阻是前级的负载后级的输入电阻是前级的负载2021/9/127二、动态参数的计算二、动态参数的计算1.电压放大倍数电压放大倍数.Au=Au1Au2UoUi.=Uo1Ui.UoUo1.=.在算前级放大倍数时，要把后级在算前级放大倍数时，要把后级的输入电阻作为前级的负载的输入电阻作为前级的负载多级放大电路的电压放大倍数等于各级放大倍数的乘积。多级放大电路的电压放大倍数等于各级放大倍数的乘积。2021/9/128Ri1RS+_US.Ui.A1RLRo1+U o1._Ri2Ro2+_Io.Ii.U o2.Uo.A2RiRo2.输入电阻输入电阻Ri=Ri1多级放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻多级放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻3.输出电阻输出电阻Ro=Ro2多级放大电路的输出电阻等于最后一级的输出电阻多级放大电路的输出电阻等于最后一级的输出电阻当共集放大电路作第一级时，输入电阻当共集放大电路作第一级时，输入电阻Ri与其负载，即第二级的与其负载，即第二级的输入电阻输入电阻Ri2有关；而当共集放大电路作最后一级时，输出电阻有关；而当共集放大电路作最后一级时，输出电阻Ro与其信号源内阻，即倒数第二级的输出电阻与其信号源内阻，即倒数第二级的输出电阻Ro1有关。有关。(二级二级)CE,CB作第一级作第一级?CE,CB作作最后最后一级一级?2021/9/129rbe EUoIbIb UiUsRCRLRB2RS+RB1IeREEBCIoRiRo Ib.Ii+RSus RERCRLrbeUo.Ui.Ib.Ie Ri BCERoCBCEIo2021/9/1210Ib.Ii.RS+RBRERLrbeUs.Ui.Uo.Ib.RiIe.BCEI o.Io.RS+RBRERLrbeUs.Uo.Ib.RoR oBECCC2021/9/1211【例【例1】第一级第一级第二级第二级+VCCuiuoRB1RB2RC1RE2T1T2RE1RB3+C1C2C3CE1RLRS+_us1.求静态值：求静态值：这是一阻容耦合放大电路，第一级为共射放大电路，这是一阻容耦合放大电路，第一级为共射放大电路，第二级为共集放大电路，各级静态值可按单级计算。第二级为共集放大电路，各级静态值可按单级计算。2021/9/12122.求动态参数：求动态参数：Au=Au1Au2其中其中 Ri2=RB3/rbe2+（1+2）(RE2/RL）Au2=UoUo1 rbe2+=（RE2/RL）（1+2）（RE2/RL）（1+2）1UoIb2第一级第一级第二级第二级rbe1 Ib1Ib1 1UiUsRC1RLRB2RS+RB1RB3rbe2 Ib2 2Uo1B1C1E1B2E2C2RE2Ri2021/9/1213Ri=Ri1=RB1/RB2/rbe1第一级第一级第二级第二级RiRorbe1 UoIb1Ib1 1UiUsRC1RLRB2RS+RB1RB3rbe2 Ib2 2Uo1B1C1E1B2E2C2RE2Ib2（1+2）Ro1/RB3 +rbe2Ro=Ro2=/RE2其中其中 Ro1=RC1 Ro12021/9/1214【例【例2】T1T2+VCCRGRSREC1C2+RLuiuo1.求静态值：求静态值：这是一直接耦合放大这是一直接耦合放大电路，第一级为共漏电路，第一级为共漏放大电路，第二级为放大电路，第二级为共集放大电路。共集放大电路。直流通路直流通路UGS=(ID+IB)RSID=IDSS(1 )2UGSUGS(off)(1+)IBRE+UEB+(ID+IB)RS=Vcc+VCCRGRSREIDIEIBUECUEBUGSUDSUGS、ID、IBUDS=VCC (ID+IB)RSUEc=VCC (1+)IBRE2021/9/1215T1T2+VCCRGRSREC1C2+RLuiuo2.求动态参数：求动态参数：gm(RS/Ri2)1+gm(RS/Ri2)=Au=Au1Au2Au1=Uo1UiUgs+Uo1=UiUo1gmUgs(RS/Ri2)Ugs+gmUgs(RS/Ri2)=Au2 1微变等效电路微变等效电路UoUgsgmUiRSRLRGrbe Ib Uo1GSDBECREUgsIbRi2Ri2=rbe+(1+)(RE/RL)2021/9/1216UoUgsgmUiRSRLRGrbe Ib Uo1GSDBECREUgsIbRoRiRi=Ri1=RG（1+）Ro1+rbeRo=Ro2=/RERo1其中其中 Ro1=RS/1gm2021/9/1217请求请求Au,Ri,Ro2021/9/1218作业作业:3.1(3.1),3.2(3.2)(a)(b)(d),3.3(3.3),3.4(3.4),3.5(3.5)2021/9/12193.3.2 直接耦合放大电路的零点漂移现象直接耦合放大电路的零点漂移现象tuo0Vuoui=0直接直接耦耦耦耦合合放大电路放大电路一、一、零点零点漂移现象漂移现象ui=0时，理论上时，理论上uo应为常数，但实际上应为常数，但实际上uo不为常数，而是不为常数，而是缓慢缓慢无规则地变化着，这种现象称无规则地变化着，这种现象称零点漂移零点漂移(Q点不稳定点不稳定)二、引起零点漂移的原因二、引起零点漂移的原因引起零点漂移的原因很多，如电源电压的波动、元器引起零点漂移的原因很多，如电源电压的波动、元器件的老化、半导体元件参数随件的老化、半导体元件参数随温度温度的变化，都将产生的变化，都将产生uo的漂移。的漂移。2021/9/1220采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元器件采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元器件可以大大减小由此而产生的漂移。所以由可以大大减小由此而产生的漂移。所以由温度温度变化引变化引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移的主要原因，因而零点漂移也称因，因而零点漂移也称温度漂移温度漂移，简称，简称稳漂稳漂。三、抑制三、抑制温温漂的方法漂的方法采用差分式放大电路采用差分式放大电路在电路中引入直流负反馈在电路中引入直流负反馈抑制放大电路抑制放大电路第一级第一级的温漂是至关重要的问题的温漂是至关重要的问题不抑制温漂不抑制温漂,就会逐级放大就会逐级放大阻容耦合的温漂会降落在电容上阻容耦合的温漂会降落在电容上2021/9/1221差分放大电路的形成+-+-直流负反馈直流负反馈Ac,Ad不同不同2021/9/12223.3.3 差分放大电路差分放大电路一、电路结构一、电路结构特点：结构对称特点：结构对称T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRE VEEuiui1ui2ab双端输入双端输入要放大的输入信号要放大的输入信号ui接在接在a和和b之间之间2021/9/1223ui因输入回路电路参数对称因输入回路电路参数对称双端输入双端输入差模信号差模信号uid=ui1ui2=uiui1，ui2：一对差模信号分一对差模信号分量量(uid/2,-uid/2)共模信号共模信号uic=(ui1+ui2)/2=0T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRE VEEui1ui2ab要放大的输入信号要放大的输入信号ui接在接在a和和b之间之间2021/9/1224差模信号差模信号uid=ui1ui2=ui共模信号共模信号uic=(ui1+ui2)/2=ui/2ui1，ui2：一对差模信号分量一对差模信号分量(uid/2，-uid/2)和一对共模信号分和一对共模信号分量量(uic,uic)单端输入单端输入ui2bT1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRE VEEui1=uia要放大的输入信号要放大的输入信号ui接在接在a和地之间和地之间2021/9/1225差模信号差模信号uid=ui1ui2 共模信号共模信号uic=(ui1+ui2)/2ui1=ui1 ui22ui1+ui22+ui2=ui1 ui22ui1+ui22 任意任意ui1，ui2，分分解为一对差模信解为一对差模信号分量和一对共号分量和一对共模信号分量模信号分量任意输入任意输入ui2bT1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRE VEEui1a输入信号为输入信号为ui，ui2021/9/12261.双端输入双端输入双端输出双端输出（ui输入、输入、uo输出）输出）2.双端输入双端输入单端输出（单端输出（ui输入、输入、uo1或或uo2输出）输出）3.单端输入单端输入双端输出（双端输出（b点点接地接地,ui=ui1输入、输入、uo输出）输出）4.单端输入单端输入-单端输出（单端输出（b点接地点接地,ui=ui1输入、输入、uo1或或uo2输出）输出）二、输入输出方式二、输入输出方式T1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRPRE VEEuiui1ui2ab2021/9/1227双端输入、单端输出双端输入、单端输出输出端结构不对称输出端结构不对称2021/9/1228单端输入单端输入,单端输出单端输出ui2T1T2+VCCRCRCuouo1RBRBRE VEEui1=uiRL输出端结构不对称输出端结构不对称2021/9/1229三、静态分析三、静态分析ui1=ui2=0IBRB+UBE+2IERE=VEEIB=VEE UBERB+2(1+)REIC=IBUCE=VCC+VEE ICRC 2IEREuo=VC1-VC2=01.静态工作点的计算静态工作点的计算双端输出双端输出u uo o有负载有负载R RL L?T1T2+VCCRCRCuoRBRBRE VEEIB2IEICui1ui2与输入方式有关不与输入方式有关不?2021/9/12302.抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理uo=Vc1-Vc2 =0uo=(Vc1+Vc1 )-(Vc2+Vc2)=0当当ui1=ui2 =0 时时:当温度变化时当温度变化时:VC1=VC2 Vc1=Vc2注意注意上述抑制零漂的根本原理是利用了上述抑制零漂的根本原理是利用了双端双端输出电输出电路结构的路结构的对称性对称性，若输出方式为，若输出方式为单端单端输出，则输出，则只有利用只有利用RE来抑制零点漂移。来抑制零点漂移。2021/9/1231单端输出的单端输出的静态分析静态分析输出回路不对称输出回路不对称Q点点分析分析与单端与单端输入或双端输入输入或双端输入有关系吗？有关系吗？输入回路对称输入回路对称T1T2+VCCRCRCuoRBRBRE VEEIB2IEICui1ui2静态分析时静态分析时uo不不等于等于uo有温漂吗？有温漂吗？RL2021/9/1232RCT1+VCCICRL11含源一端口含源一端口外电路外电路一个一个含源一端口含源一端口,对对外电路外电路来说来说,可以用一个电压源和可以用一个电压源和电阻串联组合等效置换电阻串联组合等效置换,此电压源的电压等于一端口的此电压源的电压等于一端口的开路电压开路电压,电阻等于一端口的全部独立电源置零后的输电阻等于一端口的全部独立电源置零后的输入电阻入电阻戴维宁定理戴维宁定理2021/9/1233四、动态分析四、动态分析双端输入时双端输入时:ui1=ui2=12ui差模信号差模信号uid=ui 共模信号共模信号:0因输入回路电路因输入回路电路参数对称参数对称双端输入只有一对差模信号：双端输入只有一对差模信号：RET1T2+VCCRCRCuouo2RBRB VEEuiui1ui2uo112uid12uid输入信号为输入信号为uiab2021/9/1234单端输入时单端输入时:ui1=ui=uiuiui2=0=uiui差模信号差模信号uid=ui 共模信号共模信号:uic=ui/2单端输入有：单端输入有：一对差模信号一对差模信号和一对共模信号和一对共模信号ui2bT1T2+VCCRCRCuouo1uo2RBRBRE VEEui1=uiauicuic12uid12uid输入信号为输入信号为ui2021/9/1235如果如果温度温度变化，两个差放管的电流变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路加上相当于给放大电路加上一对共模输入信号一对共模输入信号。双端输入时双端输入时:单端输入时单端输入时:差模信号差模信号共模信号共模信号差模信号差模信号共模信号共模信号12uid12uid一对温漂一对温漂12uid12uiduicuic一对温漂一对温漂+放大差模信号放大差模信号抑制共模信号抑制共模信号差分放大电路差分放大电路人为人为不可避免的不可避免的uiduic2021/9/12361.输入差模信号输入差模信号uid 单管微变等效电路单管微变等效电路rbe RCRS+RBuo1usibibR 12uid双端输出双端输出差模输入交流零电位差模输入交流零电位uidRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEER12uid12uiduo1uo22021/9/1237（1）差模电压放大倍数）差模电压放大倍数uidAd=uo=uo1 uo2uid=A1uid/2 A2(uid/2)uid=A1Ad=A1=RC/12RLRB+rbe双端输出时，差模放大倍数就等于单管的放大倍数双端输出时，差模放大倍数就等于单管的放大倍数uo不带负载不带负载RL?uo1rbe RCRS+RBus12RLibib12uid2021/9/1238从从T1单端输出单端输出注意：注意：uo含有直流量含有直流量uidRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEEuo1R12uid12uid差模输入交流零电位差模输入交流零电位2021/9/1239单端输出：单端输出：T1输出输出:uidAd=uo1=uo12(uid/2)=A112=RC/RLRB+rbe12T2输出输出:uidAd=uo2=uo2-2(-uid/2)=A212=RC/RLRB+rbe12单端输出时，差模放大倍数等于单管放大倍数的一半单端输出时，差模放大倍数等于单管放大倍数的一半ii1rbe RCRS+RBuo1usibibR12uid2021/9/1240（2）差模输入电阻）差模输入电阻uidRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEEuo1R12uid12uidii从从T1单端输出：单端输出：ii1rbe RCRS+RBuo1usibibR12uidRid=uidii2(uid/2)ii1=2(RB+rbe)从从T2单端输出结论一样单端输出结论一样差模输入交流零电位差模输入交流零电位2021/9/124112uidUidRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEER12uidii双端输出：双端输出：uo1rbe RCRS+RBus12RLibib12uidii1Rid=uidii2(uid/2)ii1=2(RB+rbe)差模输入交流零电位差模输入交流零电位2021/9/1242差模输入电阻与输出方式无关差模输入电阻与输出方式无关差模输入电阻是单管放差模输入电阻是单管放大电路输入电阻的两倍大电路输入电阻的两倍2021/9/1243（3）差模输出电阻）差模输出电阻Rod=uoio2uo1io=2RCa.双端输出：双端输出：b.单端输出：单端输出：Rod=uo1io=RC差模输出电阻与输出方式有关。双端输出时，差模输出电阻与输出方式有关。双端输出时，输出电阻是单管放大电路输出电阻的两倍；单输出电阻是单管放大电路输出电阻的两倍；单端输出时，就等于单管放大电路的输出电阻。端输出时，就等于单管放大电路的输出电阻。rbe RCRS+RBuo1usioibib12uid2021/9/1244作业作业:3.6(3.6),3.7(3.7),3.9(3.8)2021/9/12452.输入共模信号输入共模信号共模电压放大倍数共模电压放大倍数双端输出双端输出有无有无RL有何不同有何不同?uicRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEERuicuo1uo2共模输入不是交流零电位共模输入不是交流零电位共模输入时交流电流为零共模输入时交流电流为零2021/9/1246rbe RCRS+RBuicuo1usibib2REuicAc=uo=uo1 uo2uic=0=A1uic A2uicuic双端输出时，共模电压放大倍数等于零，即双端输双端输出时，共模电压放大倍数等于零，即双端输出差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。出差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用。2021/9/1247从单端输出：从单端输出：uicRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEERuicuo12021/9/1248rbe RC/RLRS+RBuicuo1usibib2REuo1uicAc=RC/RLRB+rbe+(1+)2RE RC/RL2RE单端输出时，只能靠单端输出时，只能靠RE来抑制共模信号来抑制共模信号2021/9/1249单端输入时单端输入时:双端输入时双端输入时:双端输出双端输出时时:单端输出单端输出时时:+Ac.温漂温漂+Ac.温漂温漂双端输出双端输出时时:单端输出单端输出时时:2021/9/12503.共模抑制比共模抑制比KCRM如果如果温度温度变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起变化，两个差放管的电流将按相同的方向一起增大或减小，相当于给放大电路加上一对增大或减小，相当于给放大电路加上一对共模输入信号共模输入信号。所以差模输入信号反映了要放大的所以差模输入信号反映了要放大的有效信号有效信号，而共模输，而共模输入信号入信号可以可以反映由温度等原因而产生的反映由温度等原因而产生的漂移漂移信号或其它信号或其它干扰信号。通常希望差分放大电路的差模电压放大倍数干扰信号。通常希望差分放大电路的差模电压放大倍数愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。愈大愈好，而共模电压放大倍数愈小愈好。共模抑制比共模抑制比反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零反映了差分放大电路放大差模信号、抑制零漂和共模信号的能力。漂和共模信号的能力。KCRM=AdAc或或KCRM=20lg AdAcdBKCRM愈大，电路的性能就愈好。在理想情况下，愈大，电路的性能就愈好。在理想情况下，若为双端输出，则由于若为双端输出，则由于Ac=0，KCRM=；若为单端；若为单端输出，则输出，则RE愈大，愈大，KCRM愈大。愈大。2021/9/1251五、改进型差分放大电路五、改进型差分放大电路在差分电路中，增大在差分电路中，增大RE，能够有效地抑制，能够有效地抑制每一边电路每一边电路的零的零漂，提高漂，提高KCRM，这一点对单端输出电路尤为重要。但因，这一点对单端输出电路尤为重要。但因为一方面集成电路中不易制作大电阻；另一方面，在保证为一方面集成电路中不易制作大电阻；另一方面，在保证静态工作点不变的条件下，增大静态工作点不变的条件下，增大RE就要增大负电源就要增大负电源VEE，而较高的电源电压对小信号放大电路也非常不合适。而较高的电源电压对小信号放大电路也非常不合适。uicRET1T2+VCCRCRCuoRBRB VEERuicuo12021/9/1252恒流源的交流电阻很大恒流源的交流电阻很大直流电压降小直流电压降小由此引出了具有由此引出了具有恒流源恒流源的差分放大电路。的差分放大电路。时：时：IEQ1=IEQ2=IE/2,有效抑制了零漂有效抑制了零漂T1T2+VCCRCRCRBRB VEEuicuoIEuicRL求点？求点？d Rid Rod2021/9/1253双保险双保险(双端输出和恒流源双端输出和恒流源)2021/9/1254作业作业:3.8(3.7),3.10(3.9),3.11(3.8),3.12(?)2021/9/1255