第3章多级放大电路精选文档.ppt

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1、第3章多级放大电路本讲稿第一页，共五十四页第第3章章 多级放大电路多级放大电路n n多级放大电路电压放大倍数的计算多级放大电路电压放大倍数的计算n n互补对称功率放大电路的工作原理互补对称功率放大电路的工作原理n n差动放大电路的工作原理及输入输出方差动放大电路的工作原理及输入输出方式式n n运算放大器的性能特点运算放大器的性能特点n n反馈极性和类型的判别方法反馈极性和类型的判别方法学习要点学习要点本讲稿第二页，共五十四页n3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式n3.2 差动放大电路差动放大电路n3.3 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路n3.4 集成运算放大器集成运算放

2、大器n3.5 放大电路中的负反馈放大电路中的负反馈第第3章章 多级放大电路多级放大电路本讲稿第三页，共五十四页3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式多级放大电路的组成多级放大电路的组成多级放大电路的组成多级放大电路的组成本讲稿第四页，共五十四页3.1.1 阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。1 1 1 1阻容耦合放大电路的特点阻容耦合放

3、大电路的特点本讲稿第五页，共五十四页2 2 2 2阻容耦合放大电路分析阻容耦合放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。输入电阻就是第一级的输入电阻。输出电阻就是最后一级的输出电阻。本讲稿第六页，共五十四页本讲稿第七页，共五十四页本讲稿第八页，共五十四页本讲稿第九页，共五十四页本讲稿第十页，共五十四页本讲稿第十一页，共五十四页3 3阻容耦合放大的频率特性和频率失真阻容耦合放大的频率特性和频率失真中频段中频

4、段中频段中频段：电压放大倍数近似为常数。低低低低频频频频段段段段：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。高高高高频频频频段段段段：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。本讲稿第十二页，共五十四页除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为幅幅幅幅频频频频特特特特性性性性，相位移与频率的函数关系称为相相相相频频频频特特特特性性性性，二者统称为频频频频率率率率特特特

5、特性性性性或或或或频频频频率率率率响响响响应应应应。放大电路呈现带通特性。图中fH和fL为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为上上上上限限限限频频频频率率率率和下下下下限限限限频频频频率率率率，其差值称为通频带通频带通频带通频带。一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真频率失真频率失真频率失真。本讲稿第十三页

6、，共五十四页3.1.2 直接耦合放大电路直接耦合放大电路直接耦合放大电路直接耦合放大电路优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。零点漂移零点漂移零点漂移零点漂移：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。本讲稿第十四页，共五十四页3.2 差动放大电路差动放大电路3.2.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精

7、选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。本讲稿第十五页，共五十四页静静静静态态态态时时时时，uil=ui20，此时由负电源UEE通过电阻RE和两管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对称性，两管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即：IC1=IC2UC1=UC2输出电压：uo UC1 UC2=0温温温温度度度度变变变变化化化化时时时时，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即：IC1=IC2UC1=UC2输出电压：uo(UC1+UC1)(UC2+UC2)=0即消除了零点漂移。1 1抑制零点漂移的原理抑制零点漂移的原理抑制

8、零点漂移的原理抑制零点漂移的原理本讲稿第十六页，共五十四页2 2信号输入信号输入信号输入信号输入共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。共模电压放大倍数：说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。（1 1）共模输入）共模输入）共模输入）共模输入本讲稿第十七页，共五十四页因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表示，则：差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。差模电压放大倍数：可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放

9、大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。（2 2）差模输入）差模输入）差模输入）差模输入本讲稿第十八页，共五十四页（3 3）比较输入）比较输入）比较输入）比较输入比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，既非共模，又非差模。比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即：式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：本讲稿第十九页，共五十四页对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：上式表明，输出电压的大小仅与输入电压的差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值特性。对于差动放大电路来说，差模信号是有用信号，要求对差

10、模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。本讲稿第二十页，共五十四页共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac0。为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。共模抑制比定义为Ad与Ac之比的绝对值，即：或用对数形式表示：本讲稿第二十一页，共五十四页在发射极电阻在发射极电阻在发射极电阻在发射极电阻R RE E的作用的作用的作用的作用

11、：是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。负电源负电源负电源负电源U UEEEE的作用的作用的作用的作用：是为了补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。本讲稿第二十二页，共五十四页3.2.2 差动放大电路的输入输出方式差动放大电路的输入输出方式双端输入单端输出式电路的输出uo与输入ui1极性（或相位）相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。本讲稿第二十三页，共五十四页单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大

12、器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入。本讲稿第二十四页，共五十四页单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单

13、端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。本讲稿第二十五页，共五十四页3.3 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路3.3.1 功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型功率放大电路的特点及类型1 1功率放大电路的特点功率放大电路的特点功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态，非线性失真也要比小信号的电压

14、放大电路严重得多。此外，功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，必须尽可能提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值。本讲稿第二十六页，共五十四页2 2功率放大电路的类型功率放大电路的类型甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50。乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使效率大大提高。甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情

15、况和效率介于甲类和乙类之间。本讲稿第二十七页，共五十四页3.3.2 互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路1 1OCLOCLOCLOCL功率放大电路功率放大电路功率放大电路功率放大电路静态（ui=0）时，UB=0、UE=0，偏置电压为零，V1、V2均处于截止状态，负载中没有电流，电路工作在乙类状态。动态（ui0）时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载；在ui的负半周V2导通而V1截止，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载。可见在输入信号ui的整个周期内，V1、V2两管轮流交替地工作，互相补充，使负载获得完整的信号波形，故称互补对称电路。由于

16、V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可与低阻负载RL直接匹配。本讲稿第二十八页，共五十四页从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真称为交越失真。产生交越失真的原因是由于V1、V2发射结静态偏压为零，放大电路工作在乙类状态。当输入信号ui小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压为零，使波形失真。本讲稿第二十九页，共五十四页为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V

17、2虽然都已基本导通，但因它们对称，UE仍为零，负载中仍无电流流过。本讲稿第三十页，共五十四页2 2 2 2OTLOTLOTLOTL功率放大电路功率放大电路功率放大电路功率放大电路因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，在ui的正半周V1导通而V2截止，V1以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载，同时对电容C充电；在ui的负半周V2导通而V1截止，电容C通过V2、RL放电，V2以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载，电容C在这时起到负电源的作用。为了使输出波形对称，必须保持电容C上的电压基本维持在UCC/2不变，因此C的容量必须足够大。本讲稿第三

18、十一页，共五十四页3.4 集成运算放大器简介集成运算放大器简介3.4.1 集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成集成运算放大器的组成通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。本讲稿第三十二页，共五十四页集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，集成运放的电路符号如图所示。它有两个输入端，标标“+”的输入端称为同相输入端

19、，输入信号由的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标此端输入时，输出信号与输入信号相位相同；标“”的输入端称为反相输入端，输入信号由此的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。端输入时，输出信号与输入信号相位相反。本讲稿第三十三页，共五十四页3.4.2 集成运算放大器的主要参数及种类集成运算放大器的主要参数及种类集成运算放大器的主要参数及种类集成运算放大器的主要参数及种类1 1、集成运放的主要参数集成运放的主要参数本讲稿第三十四页，共五十四页2 2、集成运放的种类集成运放的种类本讲稿第三十五页，共五十四页3.4.3 集成运算放

20、大器的理想模型集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型集成运算放大器的理想模型集成运放的理想化参数：集成运放的理想化参数：集成运放的理想化参数：集成运放的理想化参数：A Adodo=、r ri id d=、r ro o=0=0、K KCMRCMR=、等等等等非线性区（饱和区）非线性区（饱和区）非线性区（饱和区）非线性区（饱和区）非线性区分析依据：非线性区分析依据：非线性区分析依据：非线性区分析依据：当i0，即时，oOM当i0，即 xi，即反馈信号起了削弱净输入信号的作用，引入的是负反馈。本讲稿第三十九页，共五十四页本讲稿第四十页，共五十四页例：例：判断图示电路的反馈极性。解解：设基极输

21、入信号ui的瞬时极性为正，则发射极反馈信号uf的瞬时极性亦为正，发射结上实际得到的信号ube（净输入信号）与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。本讲稿第四十一页，共五十四页例：例：判断图示电路的反馈极性。解解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为负，经RF返送回同相输入端，反馈信号uf的瞬时极性为负，净输入信号ud与没有反馈时相比增大了，即反馈信号增强了输入信号的作用，故可确定为正反馈。本讲稿第四十二页，共五十四页例：例：判断图示电路的反馈极性。解解：设输入信号ui瞬时极性为正，则输出信号uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，反馈信号

22、uf的瞬时极性为正，净输入信号ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故可确定为负反馈。本讲稿第四十三页，共五十四页根据反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式，可分为串联反馈和并联反馈。串联反馈串联反馈串联反馈串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加，ud=uiuf，以得到基本放大电路的输入电压ud。并联反馈并联反馈并联反馈并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加，id=iiif，以得到基本放大电路的输入电流ii。串联反馈和并联反馈可以根据电路结构判别。当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点（另一点往往是接地点）时，一般可判定为并联反馈；而接在放大电路的不同

23、点时，一般可判定为串联反馈。综合以上两种情况，可构成电压串联电压串联电压串联电压串联、电压并联电压并联电压并联电压并联、电流串联电流串联电流串联电流串联和电流并联电流并联电流并联电流并联4种不同类型的负反馈负反馈负反馈负反馈放大电路。3.5.2 负负反馈的类型及其判别反馈的类型及其判别反馈的类型及其判别反馈的类型及其判别本讲稿第四十四页，共五十四页1 1、电压串联负反馈、电压串联负反馈设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈负反馈负反馈负反馈。将输出端交流短路，RF直接接地，反馈

24、电压uf=0，即反馈信号消失，故为电压反馈电压反馈电压反馈电压反馈。ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，不在同一点，故为串联串联串联串联反馈反馈反馈反馈。uiuf本讲稿第四十五页，共五十四页2 2、电压并联负反馈、电压并联负反馈设ui（ii）瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为负，if的方向与图示参考方向相同，即if瞬时极性为正，id与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反馈负反馈负反馈负反馈。将输出端交流短路，RF直接接地，反馈电流if=0，即反馈信号消失，故为电压反馈电压反馈电压反馈电压反馈。ii加在集成运算放大器的

25、反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联并联并联并联反馈反馈反馈反馈。iiif本讲稿第四十六页，共五十四页3 3、电流串联负反馈、电流串联负反馈设ui瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为正，经RF返送回反相输入端，uf的瞬时极性为正，ud与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负负负负反馈反馈反馈反馈。将输出端交流短路，尽管uo=0，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈。ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间

26、，不在同一点，故为串联反馈串联反馈串联反馈串联反馈。uiuf本讲稿第四十七页，共五十四页设ui（ii）瞬时极性为正，则uo的瞬时极性为负，if的方向与图示参考方向相同，即if瞬时极性为正，id与没有反馈时相比减小了，即反馈信号削弱了输入信号的作用，故为负反负反负反负反馈馈馈馈。4 4、电流并联负反馈、电流并联负反馈将输出端交流短路，尽管uo=0，但io仍随输入信号而改变，在R上仍有反馈电压uf产生，故可判定不是电压反馈，而是电流反馈电流反馈电流反馈电流反馈。ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间，在同一点，故为并联反馈并联反馈并联反馈并联反馈

27、。iiif本讲稿第四十八页，共五十四页3.5.3 负负反馈对放大电路性能的影响反馈对放大电路性能的影响反馈对放大电路性能的影响反馈对放大电路性能的影响1 1、稳定放大倍数、稳定放大倍数引入负反馈后，闭环放大倍数的相对变化率为开环放大倍数相对变化率的1+AF分之一，因1+AF1，所以即闭环放大倍数的稳定性优于开环放大倍数。本讲稿第四十九页，共五十四页负反馈越深，放大倍数越稳定。在深度负反馈条件下，即1+AF1时，有：表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反馈系数F，而与开环放大倍数A无关。通常反馈网络仅由电阻构成，反馈系数F十分稳定。所以，闭环放大倍数必然是相当稳定的，诸如温度变化、参数改变、电

28、源电压波动等明显影响开环放大倍数的因素，都不会对闭环放大倍数产生多大影响。本讲稿第五十页，共五十四页2 2、减小非线性失真、减小非线性失真无负反馈时产生正半周大负半周小的失真。引入负反馈后，失真了的信号经反馈网络又送回到输入端，与输入信号反相叠加，得到的净输入信号为正半周小而负半周大。这样正好弥补了放大器的缺陷，使输出信号比较接近于正弦波。本讲稿第五十一页，共五十四页3 3、展宽通频带、展宽通频带因为放大电路在中频段的开环放大倍数A较高，反馈信号也较大，因而净输入信号降低得较多，闭环放大倍数Af也随之降低较多；而在低频段和高频段，A较低，反馈信号较小，因而净输入信号降低得较小，闭环放大倍数Af

29、也降低较小。这样使放大倍数在比较宽的频段上趋于稳定，即展宽了通频带。本讲稿第五十二页，共五十四页4 4、改变输入电阻、改变输入电阻对于串联负反馈串联负反馈串联负反馈串联负反馈，由于反馈网络和输入回路串联，总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分串联相加，故可使放大电路的输入电阻增大输入电阻增大输入电阻增大输入电阻增大。对于并联负反馈并联负反馈并联负反馈并联负反馈，由于反馈网络和输入回路并联，总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分并联，故可使放大电路的输入电阻减小输入电阻减小输入电阻减小输入电阻减小。本讲稿第五十三页，共五十四页5 5、改变输出电阻、改变输出电阻对于电压负反馈电压负反馈电压负反馈电压负反馈，由于反馈信号正比于输出电压，反馈的作用是使输出电压趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电压源特性，故而使输出电阻减小输出电阻减小输出电阻减小输出电阻减小。对于电流负反馈电流负反馈电流负反馈电流负反馈，由于反馈信号正比于输出电流，反馈的作用是使输出电流趋于稳定，使其受负载变动的影响减小，即使放大电路的输出特性接近理想电流源特性，故而使输出输出输出输出电阻增大电阻增大电阻增大电阻增大。本讲稿第五十四页，共五十四页