模电电子教案第3章.ppt

第三章第三章 多级放大电路多级放大电路一、多级放大电路的耦合方式二、多级放大电路的动态分析三、差分放大电路四、互补输出级3.1 3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式一、耦合方式 当单级放大电路不能满足多方面的性能要求当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如（如Au104、Ri=2M、Ro=100）时，应考）时，应考虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先应考虑如何先应考虑如何“连接连接”几个单级放大电路，耦几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。合方式即连接方式。常见耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变常见耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合等。压器耦合、光电耦合等。1.直接耦合直接耦合既是第一级的集电极电阻，既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻又是第二级的基极电阻 能够放大变化缓慢的能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，信号，便于集成化，Q点相互影响，存在零点点相互影响，存在零点漂移现象。漂移现象。当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。电位的变化会逐级放大。输入为零，输出输入为零，输出产生变化的现象产生变化的现象称为零点漂移称为零点漂移第二级第二级第一级第一级如何设置合适的静态工作点？如何设置合适的静态工作点？Q1合适吗？合适吗？对哪些动态参对哪些动态参数产生影响？数产生影响？用什么元件取代用什么元件取代Re既可设置合适的既可设置合适的Q点，又可使第点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？二级放大倍数不至于下降太大？若要若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？，则应怎么办？用多个二极管吗？二极管导通电压二极管导通电压UD？动态电阻？动态电阻rd？Re如何设置合适的静态工作点？如何设置合适的静态工作点？UCEQ1太小太小加加Re（Au2数值数值）改用改用D若要若要UCEQ1大，大，则改用则改用DZ。稳压管稳压管伏安特性伏安特性小功率管多为小功率管多为5mA由最大功耗得出由最大功耗得出必要性？必要性？rzu/i，小功率管多为几欧至二十几欧。，小功率管多为几欧至二十几欧。NPN型管和型管和PNP型管混合使用型管混合使用问题的提出：问题的提出：在用在用NPN型管组成型管组成N级级共射放大电路，由于共射放大电路，由于UCQi UBQi，所以，所以 UCQi UCQ(i-1）（i=1N），），以致于后级集电极电位以致于后级集电极电位接近电源电压，接近电源电压，Q点不合点不合适。适。UCQ1（UBQ2）UBQ1UCQ2 UCQ1 2.2.阻容耦合阻容耦合 Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。特性差，不能集成化。共射电路共射电路共集电路共集电路有零点漂移吗有零点漂移吗？利用电容连接信号利用电容连接信号源与放大电路、放大源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容电路与负载，为阻容耦合。耦合。3.3.变压器耦合变压器耦合从变压器原从变压器原边看到的等边看到的等效电阻效电阻 可能是实际的负载，也可能是实际的负载，也可能是下级放大电路可能是下级放大电路 理想变压器情理想变压器情况下，负载上获况下，负载上获得的功率等于原得的功率等于原边消耗的功率。边消耗的功率。3.2 3.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析1.1.电压放大倍数电压放大倍数2.输入电阻输入电阻3.输出电阻输出电阻 对电压放大电路的要求：对电压放大电路的要求：Ri大，大，Ro小，小，Au的数值的数值大，最大不失真输出电压大。大，最大不失真输出电压大。分析举例分析举例讨论一讨论一 失真分析：由失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路型管组成的两级共射放大电路共射放共射放大电路大电路共射放共射放大电路大电路饱和失真？截止失真？饱和失真？截止失真？首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。比较比较Uom1和和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。哪一级首先出现失真。在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。讨论二讨论二放大电路的选用放大电路的选用按下列要求组成两级放大电路：按下列要求组成两级放大电路：Ri12k，Au 的数值的数值3000；Ri 10M，Au的数值的数值300；Ri100200k，Au的数值的数值150；Ri 10M，Au的数值的数值10，Ro100。共射、共射；共射、共射；共源、共射；共源、共射；共集、共射；共集、共射；共源、共集。共源、共集。一、零点漂移现象及其产生的原因一、零点漂移现象及其产生的原因1.什么是零点漂移现象：什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。的现象。产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路典型电路：差分放大电路3.3 3.3 差分放大电路差分放大电路二、长尾式差分放大电路的组成二、长尾式差分放大电路的组成零输入零输入零输出零输出若若V与与UC的变的变化一样，则化一样，则输出电压就输出电压就没有漂移没有漂移信号特点？信号特点？能否放大？能否放大？零点零点漂移漂移参数理想对称：参数理想对称：Rb1=Rb2，Rc1=Rc2，Re1=Re2;T1、T2在任何温度在任何温度下特性均相同。下特性均相同。长尾式差分放大电路的组成特点长尾式差分放大电路的组成特点典型典型电路电路在理想对称的情况下：在理想对称的情况下：1.克服零点漂移；克服零点漂移；2.零输入零输出。零输入零输出。信号特信号特点？点？三、长尾式差分放大电路的分析 1.Q点：令点：令uI1=uI2=01.Q点点晶体管输入回路方程：晶体管输入回路方程：通常，通常，Rb较小，且较小，且IBQ很小，故很小，故2.抑制共模信号抑制共模信号 共模信号：数值相等、极性相同的共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即输入信号，即2.抑制共模信号抑制共模信号：Re的共模负反馈作用的共模负反馈作用Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号对于每一边对于每一边电路，电路，Re=?如如 T()IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。3.放大差模信号放大差模信号iE1=iE2，Re中电流不变，即中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。对差模信号无反馈作用。差模信号：数值相等，极性相反差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即的输入信号，即为什么？为什么？差模信号作用时的动态分析差模信号作用时的动态分析差模放大倍数差模放大倍数4.动态参数：动态参数：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR共模抑制比共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。的能力和抑制共模信号的能力。在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“接地接地”点，以避免点，以避免干扰；或负载需要有干扰；或负载需要有“接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。入双端输出、单端输入单端输出。四、差分放大电路的四种接法四、差分放大电路的四种接法 1.双端输入单端输出：双端输入单端输出：Q点分析点分析 由于输入回路没有变由于输入回路没有变化，所以化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但与双端输出时一样。但是是UCEQ1 UCEQ2。1.双端输入单端输出：差模信号作用下的分析双端输入单端输出：差模信号作用下的分析1.双端输入单端输出：共模信号作用下的分析双端输入单端输出：共模信号作用下的分析1.双端输入单端输出：问题讨论双端输入单端输出：问题讨论（1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？（2）什么情况下）什么情况下Ad为为“”？（3）双端输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？2.单端输入双端输出单端输入双端输出共模输入电压共模输入电压差模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：在输入信号作用下发射极在输入信号作用下发射极的电位变化吗？说明什么？的电位变化吗？说明什么？3.单端输入单端输出单端输入单端输出静态时的值静态时的值差模输出差模输出共模输出共模输出问题讨论：问题讨论：（1）UOQ产生的原因？产生的原因？（2）如何减小共模输出）如何减小共模输出电压？电压？3.四种接法的比较：电路参数理想对称条件下四种接法的比较：电路参数理想对称条件下输入方式：输入方式：Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。单端输入时有共模信号输入。输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、Ac、KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。五五、具有恒流源的差分放大电路、具有恒流源的差分放大电路 为什么要采用电流源？为什么要采用电流源？Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。越大，差分放大电路的性能越好。但为使静态电流不变，但为使静态电流不变，Re 越大，越大，VEE越越大，以大，以至于至于Re太大就太大就不合理了。不合理了。需在低电源条件下，得到趋于无穷大的需在低电源条件下，得到趋于无穷大的Re。解决方法：采用电流源！解决方法：采用电流源！五五、具有恒流源的差分放大电路、具有恒流源的差分放大电路等效电阻等效电阻为无穷大为无穷大近似为近似为恒流恒流1)RW取值应大些？还是小取值应大些？还是小些？些？2)RW对动态参数的影响？对动态参数的影响？3)若若RW滑动端在中点，写滑动端在中点，写出出Ad、Ri的表达式。的表达式。六、差分放大电路的改进 1.加调零电位器加调零电位器RW2.场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路讨论一讨论一若若uI1=10mV，uI2=5mV，则，则uId=？uIc=？uId=5mV，uIc=7.5mV讨论二讨论二1、uI=10mV，则，则uId=?uIc=?2、若、若Ad=102、KCMR103用直流表测用直流表测uO，uO=?uId=10mV，uIc=5mVuO=Ad uId+Ac uIc+UCQ1=?=?=?一、对输出级的要求一、对输出级的要求 互补输出级是直接耦合的功率放大电路。互补输出级是直接耦合的功率放大电路。对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。最大不失真输出电压最大。射极输出形式射极输出形式静态工作电流小静态工作电流小输入为零时输出为零输入为零时输出为零 双电源供电时双电源供电时Uom的峰的峰值接近电源电压。值接近电源电压。单电源供电单电源供电Uom的峰值的峰值接近二分之一电源电压。接近二分之一电源电压。3.4 3.4 互补输出级互补输出级二、基本电路二、基本电路静态时静态时T1、T2均截止，均截止，UB=UE=01.特征：特征：T1、T2特性理想对称。特性理想对称。2.静态分析静态分析T1的输入特性的输入特性理想化特性理想化特性3.动态分析动态分析ui正半周，电流通路为正半周，电流通路为 +VCCT1RL地，地，uo=ui 两只管子交替工作，两路电源交替供电，两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。双向跟随。ui负半周，电流通路为负半周，电流通路为 地地 RL T2 -VCC，uo=ui4.交越失真交越失真消除失真的方法：消除失真的方法：设置合适的静态工作点。设置合适的静态工作点。信号在零附近两信号在零附近两只管子均截止只管子均截止开启开启电压电压三、消除交越失真的互补输出级三、消除交越失真的互补输出级对偏置电路的要求：有合适的对偏置电路的要求：有合适的Q点，且动态电点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因而消除了交越失真。有一只导通，因而消除了交越失真。二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个为一个0.60.60.8V0.8V的直流电池，对交流信号的的直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。作用可等效为一个数值很小的动态电阻。三、消除交越失真的互补输出级三、消除交越失真的互补输出级四、准互补输出级四、准互补输出级 为保持输出管的良好对称性，输出管应为同为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。类型晶体管。五、直接耦合多级放大电路五、直接耦合多级放大电路 1.放大电路的读图方法放大电路的读图方法（1）化整为零：按信号流通顺序将）化整为零：按信号流通顺序将N级放大电级放大电路分为路分为N个基本放大电路。个基本放大电路。（2）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有何特点。路，有何特点。（3）统观总体：分析整个电路的性能特点。）统观总体：分析整个电路的性能特点。（4）定量估算：必要时需估算主要动态参数。）定量估算：必要时需估算主要动态参数。2.例题例题第一级：双端输入单端输出的差放第一级：双端输入单端输出的差放第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第三级：准互补输出级第三级：准互补输出级动态电阻无穷大动态电阻无穷大（1 1）化整为零，识别电路）化整为零，识别电路（2 2）基本性能）基本性能 输入电阻为输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电阻很、电压放大倍数较大、输出电阻很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。（3 3）判断电路的同相输入端和反相输入端）判断电路的同相输入端和反相输入端接法接法输入输入输出输出相位相位共射共射bc反相反相共集共集be同相同相共基共基ec同相同相 整个电路可等整个电路可等效为一个双端输效为一个双端输入单端输出的差入单端输出的差分放大电路。分放大电路。同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端（4 4）交流等效电路）交流等效电路 可估算低可估算低频小信号下频小信号下的电压放大的电压放大倍数、输入倍数、输入电阻、输出电阻、输出电阻等。电阻等。1.1.差动放大电路如图所示，已知差动放大电路如图所示，已知1 1=2 2=100=100，U UCCCC=U UEEEE=12V=12V，U UBEBE=0.7V=0.7V，r rbbbb=300=300，R Rb b=5k=5k，R RC C=10k=10k，R Re e=11.3k=11.3k，R RL L=10k,=10k,试求：试求：差模电压放大差模电压放大倍数；倍数；1.1.共模电压放大倍数；共模电压放大倍数；2.2.当当u ui i=10mV=10mV时，求输出电压时，求输出电压u uo o的值。的值。Re+UCC-UEERCRbRLRbRC+-ui1.两级放大电路如图1所示，已知=100，UBE=0.7V，rbb=200（1）求各级的静态工作点；（2）画出微变等效电路；（3）求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。us+-UBB=6V+15V-15VuoRCRe1.4k0.5k