多級放大電路ppt課件

第3章多級放大電路,3.1多級放大電路3.2差分放大電路,1,3.1多級放大電路,3.1.1多級放大電路的耦合方式,1阻容耦合將放大電路的前級輸出端通過電容接到后級輸入端，稱為阻容耦合。,2,圖3-1阻容耦合放大電路,3,2.變壓器耦合變壓器能傳遞交流信號，因此將放大電路的前后級利用變壓器連接起來，稱為變壓器耦合，如圖3-2所示。圖中第一級的輸出信號經(jīng)變壓器Tr1傳送到第二級，第二級的輸出信號經(jīng)變壓器Tr2傳送給負(fù)載并進(jìn)行阻抗變換，Cb是偏置電阻Rb21、Rb22的旁路電容，主要防止信號被偏置電阻所衰減。,4,圖3-2變壓器耦合放大電路,5,變壓器耦合方式的優(yōu)點是不但可以傳遞信號，而且還能實現(xiàn)阻抗變換，利用這一特點，根據(jù)所需要的放大倍數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)脑褦?shù)比，使負(fù)載電阻上獲得足夠大的電壓，并且當(dāng)匹配得當(dāng)時，負(fù)載還可獲得足夠大的功率。由于變化緩慢的信號和直流信號也不能通過變壓器，因此變壓器耦合方式的放大電路，各級靜態(tài)工作點相互獨立。該方式的缺點是體積大、造價高、不易于集成，目前即使是功率放大電路也較少采用變壓器耦合方式。,6,3.直接耦合將前一級的輸出端直接連接到后一級的輸入端，稱為直接耦合，如圖3-3（a）所示。直接耦合方式的優(yōu)點是既能放大交流信號，也能放大變化緩慢的信號。更為重要的是，直接耦合方式電路中沒有大容量的電容，因此易于集成，在實際使用的集成放大電路中一般都采用直接耦合方式。由于直接耦合的放大電路前后級之間是直接連接，因此前后級之間存在著直流通路，這就造成了各級靜態(tài)點相互影響，若處理不當(dāng)，會使放大電路無法正常工作。對于直接耦合的放大電路，需要解決以下兩個問題。,7,圖3-3直接耦合放大電路,8,1）級間的匹配問題在圖3-3（a）中，V1管的集電極電位被V2管的基極限制在0.7V左右，使V1管的Q點接近于飽和區(qū)，因而不能正常放大。為此，可以在V2管的發(fā)射極加發(fā)射極電阻Re2，如圖3-3（b）所示。由于Re2的接入，提高了第二級基極電位UB2，從而保證了V1管的集電極得到較高的靜態(tài)電位，使V1管不致工作在飽和區(qū)。然而，Re2接入后，使后一級的電壓放大倍數(shù)大大下降，從而影響整個電路的放大能力。,9,為了解決上述問題，在圖3-3（c）所示電路中用一只穩(wěn)壓管VDZ取代電阻Re2，對于直流量，穩(wěn)壓管相當(dāng)于一個穩(wěn)壓電源，限流電阻R的作用是保證穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)；對于交流量，穩(wěn)壓管等效成一個動態(tài)電阻。由于穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻很小，一般為十幾至幾十歐姆，因此幾乎不會影響到第二級的放大倍數(shù)。為了使各級三極管都工作在放大區(qū)，必然要求V2的集電極電位高于基極電位，也就是高于V1管的集電極電位，這樣，當(dāng)放大電路的級數(shù)增加時，勢必使基極和集電極電位逐級上升，最終接近電源電壓，這樣會使后級的靜態(tài)工作點不合適。改進(jìn)的方法是將NPN管和PNP管組合，構(gòu)成直接耦合放大電路，如圖3-3（d）所示。由于后級采用了PNP管，其集電極電位比基極電位低，即使耦合級數(shù)較多，也可以使各級獲得合適的靜態(tài)工作點。,10,2）零點漂移問題人們在實驗中發(fā)現(xiàn)，在直接耦合放大電路中，若將輸入端短路，用靈敏的直流表測量輸出端，有一個相當(dāng)可觀的、隨時間緩慢變化的不規(guī)則信號輸出，即輸出電壓在靜態(tài)值上下隨機偏離，如圖3-4所示。這種輸入電壓為零，輸出電壓不為零且緩慢變化的現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。,11,在放大電路中，任何參數(shù)的變化，如電源電壓的波動、元件的老化、器件參數(shù)隨溫度的變化等，都會產(chǎn)生零點漂移。在阻容耦合的放大電路中，這種緩慢變化的漂移電壓被耦合電容阻隔，不會傳送到下一級放大電路進(jìn)一步放大。但是，在直接耦合放大電路中，這種緩慢變化的漂移電壓會被毫無阻隔地傳輸?shù)较乱患?，并且被逐級放大，以致于有時在輸出端很難分辨出哪個是有用信號，哪個是漂移電壓。換句話說，有用信號被漂移電壓“淹沒”了，放大電路不能正常工作。,12,圖3-4零點漂移現(xiàn)象,13,一般來說，直接耦合放大電路的零點漂移主要取決于第一級，而且級數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，零點漂移越嚴(yán)重。通常，零點漂移的大小不能以輸出端漂移電壓的絕對大小來衡量。因為輸出端的漂移電壓與放大倍數(shù)成正比，所以零漂一般都用輸出的漂移電壓折合到輸入端后來衡量。對于電源電壓的波動、元件的老化所引起的零漂可采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源或經(jīng)過老化實驗的元件來減小，因此溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點漂移的主要原因，故也將零點漂移稱為溫度漂移，簡稱溫漂，定義為溫度每變化1所產(chǎn)生的折合到輸入端的等效零漂電壓，即,14,3.1.2多級放大電路的動態(tài)分析在多級放大電路中，各級之間是相互串行連接的，前一級的輸出信號就是后一級的輸入信號，后一級的輸入電阻就是前一級的負(fù)載，因此多級放大電路的電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積，即,(3-1),多級放大電路的輸入電阻就是第一級的輸入電阻，即,Ri=Ri1(3-2),15,多級放大電路的輸出電阻就是最后一級的輸出電阻，即,Ro=Ron(3-3),需要注意，當(dāng)共集電極電路作為多級放大電路的輸入級時，多級放大電路的輸入電阻與其負(fù)載，即后一級的輸入電阻有關(guān)；當(dāng)共集電極電路作為輸出級時，多級放大電路的輸出電阻與其信號源內(nèi)阻，即其前一級的輸出電阻有關(guān)。,16,【例3-1】兩級放大電路如圖3-5所示，已知1=2=50，UBE1=UBE2=0.7V，rbb=300，電容器對交流可視為短路。（1）試估算該電路V-1管和V-2管的靜態(tài)工作點;（2）估算該電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。,圖3-5例3-1電路圖,17,解（1）因為,所以,18,又因為V1管和V2管之間是直接耦合方式，V1管的集電極電位等于V2管的基極電位，V2管的基極電流相對于V1管的集電極電流較小，因此忽略IB2，可得,列出第二級放大電路輸入回路方程,由于,UCQ1UCC-ICQ1Rc1=20-110=10V,19,所以,20,（2）將圖3-5的小信號等效電路畫于圖3-6。,圖3-6圖3-5的小信號等效電路,21,由圖3-6可見，第二級的輸入電阻Ri2為,兩級放大電路的輸入電阻為,Ri=Rb11Rb12rbe1+(1+)Re1=338.21.626+(1+50)0.284.6k,22,輸出電阻為,23,3.2差分放大電路,3.2.1差分放大電路的電路組成圖3-7是一個基本的差分放大電路，它由兩個理想對稱的共射放大電路，通過公共的射極電阻Re耦合而成，因此稱為射極耦合差分放大電路。由于射極電阻接負(fù)電源-UEE，就好像拖著一個尾巴，故也稱為長尾式差分放大電路。電路中通常采用正、負(fù)兩個極性的電源供電，且UCC=|UEE|，V1管和V2管的特性、參數(shù)完全相同。兩個輸入端，分別用作輸入電壓信號ui1和ui2，若兩端都有信號輸入，稱為雙端輸入；若一端有信號輸入，另一端接地，則稱為單端輸入。兩個輸出端，若輸出信號從V1管和V2管集電極之間取出，則稱為雙端輸出；若輸出信號從V1管或V2管的一個集電極取出，則稱為單端輸出。,24,圖3-7射極耦合差分放大電路,25,當(dāng)兩個輸入端短路，即ui1=ui2=0時，由于溫度等因素變化所引起的靜態(tài)工作點的漂移，對兩只三極管是相同的，因此兩管的集電極電位將同時上升或下降相同的數(shù)值。若采用雙端輸出，輸出電壓將保持為零。也就是說，差分放大電路是利用電路的對稱性來將兩管的溫漂相互抵消的。,26,若采用單端輸出，由于射極電阻Re的作用，將大大抑制每只三極管的溫漂。例如，溫度升高使三極管集電極電流增加，將引起如下過程：,上述過程表明，每只管子產(chǎn)生的溫漂，通過射極電阻Re上電壓UE的自動調(diào)節(jié)作用而受到抑制。,27,3.2.2差分放大電路的分析1.靜態(tài)分析圖3-7差分放大電路的直流通路如圖3-8（a）所示。由圖可見，由地、Rb、發(fā)射極和負(fù)電源-UEE構(gòu)成基極直流回路。在理想對稱條件下，IBQ1=IBQ2=IBQ，ICQ1=ICQ2=ICQ，IEQ1=IEQ2=IEQ，UBEQ1=UBEQ2=UBEQ，1=2=,所以基極回路電壓方程為UEE=IBQRb+UBEQ+2IEQRe,(3-4),28,通常情況下，Rb阻值很?。ê芏嗲闆r下Rb為信號源內(nèi)阻），IBQ也很小，故Rb上的壓降可忽略不計，發(fā)射極電位UEQ-UBEQ，則發(fā)射極的靜態(tài)電流為,(3-5),由式（3-5）可知，就靜態(tài)而言，對于每只三極管，發(fā)射極相當(dāng)于接入一個2Re的電阻，射極耦合電阻折算到每管發(fā)射極后的靜態(tài)等效電路如圖3-8（b）所示。,29,圖3-8圖3-7的直流通路(a)直流通路；(b)Re等效變換后的直流通路,30,由2.3節(jié)靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路的分析可知，發(fā)射極電阻越大，每管工作點的穩(wěn)定性越好，所以差分放大電路每邊的靜態(tài)工作點比單管放大電路穩(wěn)定，抑制溫漂性能也好。由IEQ可求得IBQ、ICQ和UCEQ,即,(3-6),(3-7),(3-8),31,32,差模信號作用下的差分放大電路如圖3-9（a）所示。由于V1管和V2管的基極所加電壓信號大小相等、極性相反，V1管的集電極電流i增加，V2管的集電極電流iC2就減小。若兩邊電路完全對稱，則iC1=-i，iE1=-iE2，流過發(fā)射極電阻Re上的電流總量iRe=iE1-iE2=0，Re上的差模信號電壓降為零。因而對差模信號而言，Re可視為短路。考慮到兩管集電極輸出電壓也是大小相等，極性相反，故負(fù)載RL的中點，RL/2處可看成是零電位，即虛地。這樣，在差模輸入信號作用下，差分放大電路的交流通路如圖3-9（b）所示，圖中uod表示差模輸出電壓。,33,圖3-9輸入差模信號的差分放大電路(a)電路圖；(b)交流通路,34,在差模輸入信號作用下，差模輸出電壓的變化量uod與輸入電壓的變化量uid之比定義為差模電壓放大倍數(shù)Aud，即,由圖3-9（b）可知,雙端輸入、雙端輸出的差模電壓放大倍數(shù)為,(3-10),(3-9),35,可見，差分放大電路雖然采用了兩只三極管，但是差模電壓放大倍數(shù)與單管共射放大電路相同，也就是說它是以犧牲一只管子的電壓放大倍數(shù)為代價來換取抑制溫漂的。若從單端輸出，則差模電壓放大倍數(shù)為,(3-12),(3-11),36,差模輸入方式下，從差分放大電路兩輸入端看進(jìn)去的等效電阻，稱為差模輸入電阻Rid，顯然其值為兩共射放大電路輸入電阻之和，即,Rid=2(Rb+rbe),(3-13),差模方式下的輸出電阻，若從雙端輸出，則為單管共射放大電路輸出電阻的兩倍，即Rod=2Rc若從單端輸出，則為單管共射放大電路輸出電阻Rod=Rc,(3-15),(3-14),37,2）對共模信號的抑制作用在差分放大電路的兩個輸入端分別加入一對大小相等、極性相同的信號，即ui1=ui2，這種輸入方式稱為共模輸入。兩輸入端分別對地的信號稱為共模信號（Common-ModeSignal），用uic表示，ui1=ui2=uic。輸入共模信號的差分放大電路如圖3-10（a）所示。在共模信號作用下，iE1=iE2，流過射極耦合電阻Re的電流總量iRe=iE1+iE2=2iE1，Re上的共模信號電壓為uRe=2iE1Re，即對共模信號而言，每管發(fā)射極等效接入一個2Re的電阻。由此可得交流等效電路如圖3-10（b）所示。,38,圖3-10輸入共模信號的差分放大電路(a)電路圖；(b)交流通路,39,在共模信號作用下，共模輸出電壓的變化量uoc與輸入電壓的變化量uic之比定義為共模電壓放大倍數(shù)Auc，即,由圖3-10（b）可見，只要電路對稱，雙端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)為,單端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)為,40,共模輸入電阻是將兩輸入端并聯(lián)后，由輸入端到地之間的等效輸入電阻，即,單端輸出的共模輸出電阻為,為了衡量差分放大電路放大差模信號、抑制共模信號的能力，引入了一個指標(biāo)參數(shù)共模抑制比（Common-ModeRejectionRatio），用KCMR表示。,41,共模抑制比越大，表明差分放大電路對共模信號的抑制能力越強。這在直接耦合的放大電路中是很有意義的。因為溫度、電源電壓等所引起的零漂，以及外界干擾信號等對兩管的影響是相同的，所以可等效地看成是作用在差放輸入端上的共模信號，從而在輸出端被抑制掉，使差模輸入的有用信號得到放大。,42,3）輸入任意信號在實際應(yīng)用中，加到差分放大電路輸入端的電壓信號往往是任意的電壓信號，它們既不是差模信號，也不是共模信號，在這種情況下，可將ui1和ui2變換為下列形式,其中,43,上述變換表明，當(dāng)差分放大電路兩端加任意信號時，可以把它們用差模信號和共模信號來表示，分別求出差模信號作用下的差模輸出電壓和共模信號作用下的共模輸出電壓，然后利用疊加定理，將差模輸出電壓和共模輸出電壓相疊加，即得到任意信號作用下的輸出電壓。,44,單端輸入的差分放大電路可以看成是任意信號輸入的一個特例，即ui1=ui，ui2=0，如圖3-11所示。按照任意信號分解方法，將其用一對差模信號和一對共模信號表示如下：,即,45,差分放大電路的輸出電壓是由差模輸入電壓和共模輸入電壓共同作用的結(jié)果。當(dāng)取雙端輸出時，由于共模輸出電壓為零，因此輸出電壓僅含差模輸出電壓，這時的單入-雙出電壓放大倍數(shù)等于雙端輸入-雙端輸出時的電壓放大倍數(shù)，此時輸出電壓為uod=Auduid=Audui當(dāng)采用單端輸出時，輸出電壓為差模輸出電壓與共模輸出電壓之和。若從V1管集電極與地之間輸出，則輸出電壓uo1為,46,若從V2管集電極與地之間輸出，則輸出電壓uo2為,注意：若采用單端輸出，其輸出的瞬時電壓應(yīng)為差模輸出電壓、共模輸出電壓及該端的直流電壓的疊加。,47,圖3-11單端輸入的差分放大電路,48,3.差分放大電路的傳輸特性由前面的分析可知，在小信號的情況下，可以分析出差分放大電路具有放大差模信號、抑制共模信號的特性。當(dāng)信號幅值較大時，差分放大電路的放大作用會出現(xiàn)什么變化呢？描述差分放大電路輸出差模信號隨輸入差模信號變化的規(guī)律，稱為差模傳輸特性（DifferenceTransferCharacteristic），即uod=f(uid),它反映了大信號下的差模輸入量與輸出量的對應(yīng)關(guān)系。通過實驗手段可以測出差模輸出電壓uod隨輸入電壓uid變化的關(guān)系曲線，如圖3-12所示。,49,圖3-12差分放大電路的電壓傳輸特性,50,由圖可見，當(dāng)uid=0時，uod=0，差分放大電路工作在靜態(tài)工作點上，兩管處于平衡狀態(tài)。當(dāng)給兩管的基極加入差模電壓后，只要|uid|UT，傳輸特性近似為直線，其斜率為差模電壓放大倍數(shù)，并且是常數(shù)。顯然，管子工作在線性放大區(qū)。當(dāng)|uid|=UT4UT時，傳輸特性處于非線性段，在這段區(qū)域內(nèi)仍有放大作用，但是差模電壓放大倍數(shù)已不是常數(shù)，它將隨著信號的增大而減小，因為這時傳輸特性的斜率變小了。當(dāng)|uid|4UT以后，輸出電壓趨近于常數(shù)，其數(shù)值取決于電源電壓，這時，差分放大電路中的兩個管子必有一個處于截止?fàn)顟B(tài)，另一個處于飽和態(tài)。,51,【例3-2】在圖3-13所示電路中，三極管參數(shù)1=2=50，UBE1=UBE2=0.6V，rbb=300，負(fù)載RL=20k。（1）估算靜態(tài)工作點。(2)計算差模輸入雙端輸出時的Aud、Rid和Rod。（3）若ui1=0.1V，ui2=0V，則輸出電壓uo=?（4）若輸入信號不動，僅將負(fù)載RL接在V2管的集電極與地之間，試求uo2=?KCMR=?,52,圖3-13例3-2電路圖,53,（2）計算動態(tài)指標(biāo):,雙端輸入-雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)為,54,差模輸