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1、第三章第三章 多级放大电路多级放大电路3.1多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式3.2多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析3.3直接耦合放大电路直接耦合放大电路*3.4 Multisim应用举例应用举例 当单级放大电路不能满足多方面性能(如当单级放大电路不能满足多方面性能(如Au104、Ri=2M、Ro=100)要求时,应考虑要求时,应考虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先应考虑如何应考虑如何“连接连接”几个单级放大电路,耦合几个单级放大电路,耦合方式即连接方式。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:
2、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。3.1、多级放大电路的耦合方式、多级放大电路的耦合方式第二级第二级第一级第一级3.1.1、直接耦合、直接耦合RC1既是第一级的集电极电阻,又是第二级的基极电阻既是第一级的集电极电阻,又是第二级的基极电阻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,又可使点,又可使第二级放大倍数不至于下降太大?第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
3、态电阻rd?(1)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,则改用大,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或或10mA由由最大功耗得出最大功耗得出必要性?必要性?rzu/i,小功率管多为几欧二十多欧。小功率管多为几欧二十多欧。在用在用NPN型管组成型管组成N级共射放大电路,由级共射放大电路,由于于UCQi UBQi,所以,所以 UCQi UCQ(i-1)(i=1N),以致于后级集电),以致于后级集电极电位接近电源电压,极电位接近电源电压,Q点不合适。点不合适。NPN型管和型管
4、和PNP型管混合使用型管混合使用问题的提出:问题的提出:UCQ1(UBQ2)UBQ1UCQ2 UCQ1 低频特性好,能够放低频特性好,能够放大变化缓慢的信号。大变化缓慢的信号。(2)直接耦合方式的优缺点直接耦合方式的优缺点优点:优点:电路中无大容量电电路中无大容量电容,易于将全部电路集成容,易于将全部电路集成在一片硅片上,构成集成在一片硅片上,构成集成放大电路。放大电路。电子工业的飞速发展,集成放大电路的性能越来越电子工业的飞速发展,集成放大电路的性能越来越好,种类越来越多,价格也越来越便宜,所以凡能用好,种类越来越多,价格也越来越便宜,所以凡能用集成放大电路的场合,均不在使用分立元件放大电路
5、。集成放大电路的场合,均不在使用分立元件放大电路。当输入信号为零时,前级由温度变化所引起当输入信号为零时,前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。的电流、电位的变化会逐级放大。缺点:缺点:各级间直流通路直各级间直流通路直接连接,静态工作点相接连接,静态工作点相互影响。既使电路分析、互影响。既使电路分析、设计和调试困难,又设计和调试困难,又存存在在零点漂移现象。零点漂移现象。输入为零,输出产输入为零,输出产生变化的现象称为零点生变化的现象称为零点漂移。漂移。优点:优点:Q点相互独点相互独立立。缺点:缺点:电容的影电容的影响,不能放大变化缓响,不能放大变化缓慢的信号,低频特性慢的信号,低
6、频特性差,不能集成化。差,不能集成化。共射电路共射电路共集电路共集电路 利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载,为阻容耦合。后级、放大电路与负载,为阻容耦合。3.1.2、阻容耦合、阻容耦合 有零点有零点漂移吗?漂移吗?通常,只有在信号频率很高、输出功率很大等特通常,只有在信号频率很高、输出功率很大等特殊情况下,才采用此种分立元件放大电路。殊情况下,才采用此种分立元件放大电路。RL可能是实际的负载,可能是实际的负载,也可能是下级放大电路也可能是下级放大电路3.1.3、变压器耦合、变压器耦合 将放大电路前级的输出信号通过变压器接到后
7、级将放大电路前级的输出信号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。的输入端或负载电阻上。称为变压器耦合。(1)电路形式电路形式(2)优缺点优缺点优点:优点:前后级靠磁路耦合,前后级靠磁路耦合,静态工作点相互独立,便静态工作点相互独立,便于分析、设计和调试。于分析、设计和调试。实现阻抗变换,提高放实现阻抗变换,提高放大倍数,增大输出功率。大倍数,增大输出功率。实际问题:实际问题:扩音系统中的扬声器,其阻值很小,一般为扩音系统中的扬声器,其阻值很小,一般为3、4 、8 和和16 等几种。采用直接耦合或阻等几种。采用直接耦合或阻容耦合放大电路都会使放大倍数很小,在负载上容耦合放大电路
8、都会使放大倍数很小,在负载上无法获得大功率。无法获得大功率。理想变压器情况下,负载上获得的功率等于原边理想变压器情况下,负载上获得的功率等于原边消耗的功率。消耗的功率。阻抗变换原理:阻抗变换原理:放大倍数:放大倍数:显著提高放大倍数。保证了功率放大。显著提高放大倍数。保证了功率放大。由于电感的存在,低频特性差,不能放大变由于电感的存在,低频特性差,不能放大变化缓慢的信号。化缓慢的信号。缺点:缺点:笨重,不能集成化。笨重,不能集成化。在集成运放不能满足条件时使用。如:需要输在集成运放不能满足条件时使用。如:需要输出特大功率,或实现高频功率放大。出特大功率,或实现高频功率放大。变压器耦合放大电路的
9、应用:变压器耦合放大电路的应用:3.1.4、光电耦合、光电耦合 光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号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。越来越广泛的应用。1)光电耦合器)光电耦合器输入:发光元件输入:发光元件(LED),将电能转换为光能。,将电能转换为光能。输出:光敏元件,将光能转换为电能。输出:光敏元件,将光能转换为电能。特点:输入、输出两部分实现了电气隔离,抗干特点:输入、输出两部分实现了电气隔离,抗干扰能力强。输出采用复合管,以增大放大倍数。扰能力强。输出采用复合管,以增大放大倍数。2)传输特性
10、)传输特性 描述当发光二极管的电流为一个常量描述当发光二极管的电流为一个常量ID时,集电时,集电极电流极电流iC与管压降与管压降uCE之间的函数关系。即之间的函数关系。即传输比传输比CTR:3)光电耦合放大电路)光电耦合放大电路静态工作点需设置;静态工作点需设置;CTR小,输出电压需进一步放大。可选集成光耦。小,输出电压需进一步放大。可选集成光耦。输入、输出采用独立电源和不同的地,远距离传输入、输出采用独立电源和不同的地,远距离传输也具备强抗干扰能力。输也具备强抗干扰能力。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
11、: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。3.2、多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 注意共集电路作注意共集电路作为首尾级的时候。为首尾级的时候。分析举例分析举例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失真,再判断是什么失真。首先确定在哪一级出现失真,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,则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。时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,
12、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源、共集。共源、共集。讨论二:放大电路的选用讨论二:放大电路的选用共射、共射;共射、共射;共源、共射;共源、共射;共集、共射;共集、共射;下列要求组成两级放大电路下列要求组成两级放大电路 Ri 10M,Au的数值的数值10,Ro100。Ri100200k,Au的数值的数值150;Ro100。Ri 10M,Au的数值的数值300;Ri12k,Au 的数值的数值3000;作业作业:(P178)题题3.2a、d
13、3.3、直接耦合放大电路、直接耦合放大电路 工业控制中的很多物理量,如温度、流量、压工业控制中的很多物理量,如温度、流量、压力、液面、长度等都是通过不同的传感器转化成力、液面、长度等都是通过不同的传感器转化成了变化缓慢的非周期性信号,且信号的幅度非常了变化缓慢的非周期性信号,且信号的幅度非常微弱。须经过直接耦合放大电路放大后才能驱动微弱。须经过直接耦合放大电路放大后才能驱动负载。负载。1 1、什么是零点漂移现象:、什么是零点漂移现象:uI I0 0,uO O00的现象。的现象。产生原因:温度变化,直流电源波动,器件老化。产生原因:温度变化,直流电源波动,器件老化。其中晶体管的特性对其中晶体管的
14、特性对温度敏感温度敏感是主要原因,故也称是主要原因,故也称零漂为温漂。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:典型电路:静态工作点稳定电路、差分放大电路。静态工作点稳定电路、差分放大电路。3.3.1、零点漂移现象及其产生的原因、零点漂移现象及其产生的原因3.3.2、差分放大电路、差分放大电路 差分放大电路,又称为差动放大电路。在实际差分放大电路,又称为差动放大电路。在实际应用中,几乎所有集成放大电路的第一级都采用应用中,几乎所有集成放大电路的第一级都采用了差分放大电路。差分放大电路是构成多级直接了差分放大电路。差分放大电路是构成
15、多级直接耦合放大电路的基本单元电路。耦合放大电路的基本单元电路。重要性:重要性:一、差模信号和共模信号一、差模信号和共模信号1.差模信号差模信号 若设差分放大器两输入端分别作用着数值相等、若设差分放大器两输入端分别作用着数值相等、极性相反的输入信号电压,即极性相反的输入信号电压,即uI1=-uI2,则称它们,则称它们为一对差模输入信号,并表示为:为一对差模输入信号,并表示为:若设差分放大器两输入端分别作用着数值相等、若设差分放大器两输入端分别作用着数值相等、极性相同的输入信号电压,即极性相同的输入信号电压,即uI1=uI2,则称它们,则称它们为一对共模输入信号,并表示为:为一对共模输入信号,并
16、表示为:2.共模信号共模信号3.差模信号和共模信号的求法差模信号和共模信号的求法 实际加到差分放大器两输入端的信号电压一般实际加到差分放大器两输入端的信号电压一般为任意信号,即既不是差模信号又不是共模信号,为任意信号,即既不是差模信号又不是共模信号,这时可将这时可将uI1和和uI2改写为改写为即:即:其中:其中:即共模输入电压即共模输入电压uIc为两输入电压的平均值,差为两输入电压的平均值,差模输入电压模输入电压uId为两输入电压的差值。为两输入电压的差值。零输入零输入零输出零输出若若V与与UC的变化的变化一样,则输出电一样,则输出电压就没有漂移压就没有漂移零点零点漂移漂移二、电路的组成二、电
17、路的组成 温度升高,温度升高,ICQ的的微小变化会通过直微小变化会通过直接耦合的方式逐级接耦合的方式逐级放大。放大。T1、T2在任何温在任何温度下特性均相同。度下特性均相同。参数理想对称:参数理想对称:当当uI1和和uI2为为共模信号共模信号输入信号时,由于上述参数输入信号时,由于上述参数对称,有对称,有Rb1=Rb2Re1=Re2Rc1=Rc2共模抑制作用强共模抑制作用强 当当uI1和和uI2为为差模输入信号差模输入信号时,有时,有Re1和和Re2降低放大倍数降低放大倍数合二为一为合二为一为Re实现了电压放大实现了电压放大 实际使用时,由于电阻值的误差和晶体管特性的分实际使用时,由于电阻值的
18、误差和晶体管特性的分散性,使电路参数不可能理想对称,因此,为提高差散性,使电路参数不可能理想对称,因此,为提高差分放大电路的对称性,可增加一些调零措施。分放大电路的对称性,可增加一些调零措施。典型电路典型电路 为简化电路,便于调节为简化电路,便于调节Q点,也为了使电源和信号点,也为了使电源和信号源源“共地共地”,产生了右图所示的典型差分放大电路,产生了右图所示的典型差分放大电路,即长尾式差分放大电路。即长尾式差分放大电路。注意:注意:Rb是必要的吗?是必要的吗?三、长尾式差分放大电路的分析三、长尾式差分放大电路的分析 不是,多为信号源内阻。不是,多为信号源内阻。电路参数理想对称。电路参数理想对
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