第5章 差分放大器與多級放大器

1、o5.1 5.1 多級放大電路多級放大電路的一般結構及耦合方式的一般結構及耦合方式o5.2 5.2 多級阻容耦合放大電路的分析多級阻容耦合放大電路的分析o5.3 5.3 直接耦合式放大電路直接耦合式放大電路o5.4 5.4 差分放大電路差分放大電路o5.5 5.5 恒流源差分放大電路與電流源恒流源差分放大電路與電流源o5.6 5.6 集成運算放大器及讀圖方法集成運算放大器及讀圖方法5.1.1 5.1.1 多級放大電路的一般結構多級放大電路的一般結構o一個三極管（或場效應管）構成的一個三極管（或場效應管）構成的單管放大電路單管放大電路的放的放大倍數(shù)一般為幾倍幾十倍。而在實際應用的電子設大倍數(shù)一般

2、為幾倍幾十倍。而在實際應用的電子設備中，要求的放大倍數(shù)往往很大。備中，要求的放大倍數(shù)往往很大。o為此，需要把若干單級放大電路串接起來，組成為此，需要把若干單級放大電路串接起來，組成多級多級放大電路放大電路。圖。圖5-1-15-1-1為三級放大電路示意圖：為三級放大電路示意圖：1 1、電壓放大倍數(shù)、電壓放大倍數(shù)o （5-1-15-1-1）o對于對于n級放大器：級放大器： o （5-1-35-1-3）o式中：式中：各級電壓放大倍數(shù)各級電壓放大倍數(shù)都是把后級的輸入電阻作為都是把后級的輸入電阻作為前級的負載的情況下求得的。前級的負載的情況下求得的。（即考慮了后一級放大（即考慮了后一級放大電路對前一級放

3、大電路的負載效應）電路對前一級放大電路的負載效應）32130322101103vvviioiiiovAAAvvvvvvvvvvAvnvvvAAAA212 2、輸入電阻、輸入電阻Ri：多級放大電路的輸入電阻多級放大電路的輸入電阻Ri 就是第一級的輸就是第一級的輸入電阻入電阻Ri1。 （5-1-45-1-4）3 3、輸出電阻、輸出電阻Ro：三級放大電路的輸出電阻三級放大電路的輸出電阻Ro就是第三級的輸就是第三級的輸出電阻出電阻Ro3。 （5-1-55-1-5）o對于級對于級n級放大電路：級放大電路： （5-1-65-1-6）o多級放大電路的級與級之間、信號源與放大電路之間、放大多級放大電路的級與級

4、之間、信號源與放大電路之間、放大電路與負載之間的連接均稱為電路與負載之間的連接均稱為耦合耦合。o常用的耦合方式有：常用的耦合方式有：直接耦合直接耦合、阻容耦合阻容耦合、變壓器耦合變壓器耦合等。等。1 iiRR 030RR onRR 0o在多級放大電路中，級與級在多級放大電路中，級與級 之間通過電容連接的耦合方之間通過電容連接的耦合方 式稱為式稱為阻容耦合阻容耦合。o圖中：電容圖中：電容C1將輸入信號耦將輸入信號耦 合到三極管合到三極管T1的基極；的基極；o電容電容C2將將T1的輸出信號耦合到的輸出信號耦合到T2的基極；的基極；o電容電容C3將將T2的輸出信號耦合到外接負載的輸出信號耦合到外接負

5、載RL。 阻容耦合的優(yōu)點：阻容耦合的優(yōu)點：o 前后級通過電容相連，所以各級的靜態(tài)工作點相互獨立，不相互影響。前后級通過電容相連，所以各級的靜態(tài)工作點相互獨立，不相互影響。o 只要電容選得足夠大，在一定頻率范圍內(nèi)的信號可以幾乎不衰減地傳只要電容選得足夠大，在一定頻率范圍內(nèi)的信號可以幾乎不衰減地傳送到下一級。送到下一級。阻容耦合阻容耦合又稱為又稱為電容耦合。電容耦合。 阻容耦合的不足：阻容耦合的不足：o 不能傳送直流信號。不能傳送直流信號。o 不適用于傳送緩慢變化的信號（因為對于緩慢變化的信號，信號頻率不適用于傳送緩慢變化的信號（因為對于緩慢變化的信號，信號頻率低，電容容抗大，使信號衰減很大）。低

6、，電容容抗大，使信號衰減很大）。o 大容量電容在集成電路中難以制造。大容量電容在集成電路中難以制造。2 2、直接耦合、直接耦合o為了克服電容對緩慢變化的信號在為了克服電容對緩慢變化的信號在 傳輸過程中帶來的不良影響，可采傳輸過程中帶來的不良影響，可采 用用將級與級之間直接用導線連接起來的方式將級與級之間直接用導線連接起來的方式，稱為，稱為直接耦合直接耦合。o圖中，圖中，輸入信號輸入信號與與T1的的B極直接耦合，極直接耦合，T1的的C極與極與T2的的B極直接耦合，極直接耦合，T2的的C極與極與負載負載之間直接耦合。之間直接耦合。 直接耦合的優(yōu)點：直接耦合的優(yōu)點：o 既可以放大交流信號，也可以放大

7、直流和緩慢變化的信號，頻率響既可以放大交流信號，也可以放大直流和緩慢變化的信號，頻率響應好。應好。o 電路簡單，便于集成。電路簡單，便于集成。 直接耦合的不足：直接耦合的不足：o 各級靜態(tài)工作點相互牽制，彼此不獨立。導致設計和調(diào)整比較麻煩。各級靜態(tài)工作點相互牽制，彼此不獨立。導致設計和調(diào)整比較麻煩。o 零點漂移零點漂移。3 3、變壓器耦合、變壓器耦合o變壓器耦合變壓器耦合是以變壓器作為是以變壓器作為 耦合元件的電路。耦合元件的電路。o變壓器變壓器通過磁路的耦合，把通過磁路的耦合，把 初級的交流信號傳送初級的交流信號傳送 到次級，而到次級，而直流電流、電壓不能耦合到次級直流電流、電壓不能耦合到次

8、級。 變壓器耦合的優(yōu)點：變壓器耦合的優(yōu)點：o 使級與級之間達到阻抗匹配，以獲得最大的功率增益。使級與級之間達到阻抗匹配，以獲得最大的功率增益。o 各級靜態(tài)工作點彼此獨立，互不影響，設計和調(diào)整比較方便。各級靜態(tài)工作點彼此獨立，互不影響，設計和調(diào)整比較方便。 變壓器耦合的不足：變壓器耦合的不足：o 頻帶比較窄。頻帶比較窄。o 體積大、笨重、價格也比較貴。體積大、笨重、價格也比較貴。4 4、光電耦合、光電耦合o光電耦合光電耦合是依靠是依靠光電耦合光電耦合 器器完成的。完成的。o發(fā)光二極管發(fā)光二極管為輸入回路，它為輸入回路，它將電能轉換成光能將電能轉換成光能。o光敏三極管光敏三極管為輸出回路，它為輸出

9、回路，它將光能再轉換成電能將光能再轉換成電能。o光電耦合主要應用在光電耦合主要應用在輸入電路地線與輸出電路地線需輸入電路地線與輸出電路地線需要相互隔離的場合。要相互隔離的場合。o多級放大電路多級放大電路的動態(tài)性能指標與單級放大電路相同。的動態(tài)性能指標與單級放大電路相同。 即：即：電壓增益電壓增益，輸入電阻輸入電阻，輸出電阻輸出電阻。o分析交流性能時分析交流性能時，各級之間是互相聯(lián)系的。，各級之間是互相聯(lián)系的。 第一級的輸出電壓是第二級的輸入電壓第一級的輸出電壓是第二級的輸入電壓； 第二級的輸入電阻又是第一級的負載電阻第二級的輸入電阻又是第一級的負載電阻。（1 1）求靜態(tài)工作點）求靜態(tài)工作點o畫

10、出直流通路畫出直流通路，如圖，如圖5-2-35-2-3所示。所示。o由于兩級放大電路的參數(shù)相由于兩級放大電路的參數(shù)相同，所以同，所以兩級的靜態(tài)工作點兩級的靜態(tài)工作點相同相同。VkmAVRIVVmAIIImAkVVRVVICCQCCCEQBQCQEQBBEQCCBQ63212204. 05004. 02807 . 012(2)(2)求出輸入和輸出電阻求出輸入和輸出電阻o畫出微變等效電路，如圖畫出微變等效電路，如圖5-2-45-2-4所示。所示。(3)(3)求電壓放大倍數(shù)求電壓放大倍數(shù)kRRRRkkkrRRRRImVrrCbebiiiEQbebe386. 0863. 028086322651200

11、261200201020112121倍倍倍33729 .86)8 .38(9 .86863. 05 . 1505 . 1338 .38863. 067. 05067. 086. 032122222220222211112111011211vvvbeLbebLCbivLCLbeLbebiCbiviCLAAAkkrRriRRivvAkkkRRRkkrRriRRivvAkkkRRRo直接耦合放大電路直接耦合放大電路的靜態(tài)工作點的計算是逐級進行的靜態(tài)工作點的計算是逐級進行的，每級的工作點不是獨立的，求解時需要考慮它們的，每級的工作點不是獨立的，求解時需要考慮它們之間的關系。之間的關系。o5.3.1 5

12、.3.1 靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)工作點的計算o5.3.2 5.3.2 級間電位配置級間電位配置o5.3.3 5.3.3 溫漂的現(xiàn)象：溫漂的現(xiàn)象：o由由T1管的偏置電路可求得：管的偏置電路可求得：o由由T2管的輸入電路可知：管的輸入電路可知：o 求得：求得： (5-3-5)(5-3-5)o當當 IB2RCE。o無論是直流電阻還是交流電阻，它們的阻值都與工作點有關，無論是直流電阻還是交流電阻，它們的阻值都與工作點有關，且且都是非線性電阻都是非線性電阻。CQCEQCEIVR0CQCEQceIVr 圖圖5-5-45-5-4是用恒流源是用恒流源代替代替RE的差分電路。的差分電路。o當長尾電路中的當長尾電路

13、中的 RE用恒流源替代后，用恒流源替代后， 靜態(tài)工作點為：靜態(tài)工作點為：o （5-5-15-5-1）o （5-5-25-5-2）（恒流）（恒流）o （5-5-35-5-3）o在以上電路中在以上電路中用一個恒流源（動態(tài)內(nèi)阻）代替用一個恒流源（動態(tài)內(nèi)阻）代替RE，使電路性能大大改善。，使電路性能大大改善。o缺點：缺點： 恒流源中有三個電阻，但恒流源中有三個電阻，但IC中希望電阻越少越好。中希望電阻越少越好。o 作為電流源的管子作為電流源的管子T3，其，其VBE還要受溫度影響，因此抑制溫漂還要受溫度影響，因此抑制溫漂o 不是很理想。不是很理想。EERVRRRV21223323RVVIBERECECC

14、CRIVV231o圖圖 5-5-5（a）所示所示 是是基本電流源電路?；倦娏髟措娐?。oT1與與T2是兩個性能嚴是兩個性能嚴 格配對的格配對的晶體管晶體管。由。由 于于T1、T2的發(fā)射結并聯(lián)在一起，即的發(fā)射結并聯(lián)在一起，即vBE1=vBE2，當，當T1、T2工作于放工作于放大區(qū)且忽略基區(qū)寬度調(diào)制效應時（即大區(qū)且忽略基區(qū)寬度調(diào)制效應時（即 ），）， 則兩管的發(fā)射則兩管的發(fā)射極電流相等。極電流相等。（IREF稱為稱為參考電流參考電流，I0稱為稱為輸出電流輸出電流）AV21121222112101112112021EEREFEBBCBBCREFECEEEIIIIIIIIIIIIIIIIII或或 （5

15、-5-75-5-7）o當當2時，時，I0IREFo例如當例如當=100時，時，I0與參考電流與參考電流IREF間大約有間大約有2%的誤差。的誤差。o參考電流參考電流IREF的大小由連接到電源上的電阻的大小由連接到電源上的電阻R1來確定，如圖來確定，如圖5-5-55-5-5（b b）所示。所示。o （5-5-45-5-4）o圖圖5-5-55-5-5中，當中，當R1確定后，確定后，IREF就確定了，就確定了，IC2也隨之而定，也隨之而定，可以把可以把IC2看看作是作是 IREF 的鏡像的鏡像，所以，所以將圖將圖5-5-55-5-5的電路稱為的電路稱為鏡像電流源鏡像電流源。o電流源的輸出電阻：電流源

16、的輸出電阻： Rorce2 （5-5-85-5-8）2120REFCIIIEEBEQREFCCVVRIV11RVVVIBEQEECCREFo當當圖圖5-5-65-5-6中各晶體管完全相同中各晶體管完全相同 時，由于時，由于T1、T2的發(fā)射結并聯(lián)，的發(fā)射結并聯(lián)， 則發(fā)射極流過相同的電流則發(fā)射極流過相同的電流IE。ECEEEBEEEBCREFIIIIIIIIIIIII11211112112111201331o以上兩式相除后得：以上兩式相除后得：o或或 （5-5-145-5-14）o比較式（比較式（5-5-145-5-14）與（）與（5-5-75-5-7）可以看出，）可以看出，改進后的鏡像電流源改進

17、后的鏡像電流源更加鏡像更加鏡像，上式中只要滿足，上式中只要滿足(+1)2 時時 I0IREFo圖中基準電流圖中基準電流IREF為：為：o （5-5-155-5-15）1211121110EEREFIIII1210REFIIEEBEBEREFCCVVVRIV131111312RVVVRVVVVIBEEECCBEBEEECCREF解：解：（1 1）對基本鏡像電流源：）對基本鏡像電流源：o得得o對于改進型電流源：對于改進型電流源：20022011REFREFIIImAIIREF01. 101. 10kIVVRRFEBECC22. 801. 17 . 05 . 45 . 45 . 4kmAIVVVRm

18、AmAIIIIREFBEBECCREFREF6 . 717 . 07 . 05 . 45 . 45 . 4111200200211211130120（2 2）當）當變?yōu)樽優(yōu)?0時：時：o對于基本鏡像電流源：對于基本鏡像電流源：o對于改進型電流源：對于改進型電流源：o 由計算可見，由計算可見，對于基本鏡像電流源對于基本鏡像電流源，當，當=200變化到變化到40時，時， I0從從1mA變化到變化到0.96mA；對于改進型電流源對于改進型電流源，當，當=200變化到變化到40時，輸出電流時，輸出電流I0=1mA不變，不變，說明改進型電流源的性能更好說明改進型電流源的性能更好。mAmAIIREF96.

19、 0101. 1140220)999. 0(111141402120mAmAmAIIREFo當忽略基極電流時，當忽略基極電流時，o由于由于 o則則 （5-5-195-5-19）o （5-5-205-5-20）o聯(lián)立上二式得：聯(lián)立上二式得： （5-5-215-5-21）o又根據(jù)又根據(jù)圖圖5-5-85-5-8可得：可得： （5-5-225-5-22）o由上兩式可得：由上兩式可得： （5-5-235-5-23）（）（解方程？解方程？）o式（式（5-5-235-5-23）表明了基準電流與偏置電流之間的關系。表明了基準電流與偏置電流之間的關系。解方程可解方程可求得求得I0值。值。TBEVVSCREFeI

20、II/11TBEVVSCeIII/202SREFTBEIIVVln1STBEIIVV02ln021lnIIVVVREFTBEBEEEEBEBERIRIVV022100lnIIVRIREFTEo設圖中二個三極管的設圖中二個三極管的IS相同相同, ,足夠大時，足夠大時，o （5-5-245-5-24）o則則 o （5-5-275-5-27）o將式（將式（5-5-275-5-27）代入（）代入（5-5-245-5-24）得：）得： o （5-5-285-5-28）（解方程？解方程？）222111RIVRIVEBEEBE26542554/022/1121TBETBEVVSECVVSRECeIIIIeI

21、IIISTBESRTBEIIVVIIVV021lnln021lnIIVVVRTBEBE2010lnRIRIIIVRRT02210lnIIRVIRRIRTR上式重寫：上式重寫： （5-5-285-5-28）o若若IR對對I0的比值不太大的比值不太大 例如例如 o且滿足且滿足o則則上式可簡化為：上式可簡化為： （5-5-295-5-29）o 其中：其中：02210lnIIRVIRRIRTR, 3 . 2ln,1000IIIIRR則mVIIVoRT8 .59lnORTRIIVRIln1RIRRI2101RRVVVIBEQEECCR1 1、集成運算放大器的基本組成、集成運算放大器的基本組成o集成運算放

22、大器的內(nèi)部結構如圖集成運算放大器的內(nèi)部結構如圖5-6-15-6-1所示。所示。o它包括四個組成部分：它包括四個組成部分：輸入級輸入級、中間級中間級、輸出級輸出級和和基準源基準源。2 2、各個部分的功能和要求、各個部分的功能和要求o（1 1）輸入級：）輸入級：要求輸入電阻高、零漂要小要求輸入電阻高、零漂要?。ㄒ话悴捎貌罘郑ㄒ话悴捎貌罘?放大電路）放大電路）、頻帶要寬。、頻帶要寬。o（2 2）中間級：）中間級：主要是進行電壓放大，同時要實現(xiàn)合適的電主要是進行電壓放大，同時要實現(xiàn)合適的電 平移動。使集成運放在靜態(tài)時滿足平移動。使集成運放在靜態(tài)時滿足“零輸入零輸入 時零輸出時零輸出”。o（3 3）輸出

23、級：）輸出級：保證在大信號下進行放大，失真要小，輸出保證在大信號下進行放大，失真要小，輸出 電阻小。能輸出足夠大的功率，有足夠高的電阻小。能輸出足夠大的功率，有足夠高的 效率。效率。o（4 4）基準源電路：）基準源電路：能提供不同的基準電壓，通常還應有溫能提供不同的基準電壓，通常還應有溫 度補償作用的元件。度補償作用的元件。3 3、簡單的雙極性運算放大器、簡單的雙極性運算放大器o如圖如圖5-6-25-6-2所示。所示。o基準源：基準源：由由T4和和R1組成。組成。 T4與與T3、R2又構成又構成微電流源微電流源。 T4與與T10、R3也構成也構成微電流源微電流源。o輸入級：輸入級：T1和和T2

24、組成的差分放大器。組成的差分放大器。 從從T2的的C極輸出。極輸出。o中間極：中間極：由由T8、T9組成。組成。T9為射極跟隨器，為射極跟隨器，T8為共射電路（為共射電路（PNP管管）。）。o輸出級：輸出級：由由T11、T12構成的互補推挽射極跟隨器組成。構成的互補推挽射極跟隨器組成。D1、D2用來用來降降 低交越失真低交越失真。對一般集成運放的要求：對一般集成運放的要求：o輸入級輸入級的差模電壓增益為的差模電壓增益為102103，輸入電阻很大，輸入電阻很大（從（從幾幾k 105M ）o中間級中間級的電壓增益為的電壓增益為102103。o輸出級輸出級的電壓增益約為的電壓增益約為1， 應具有很小

25、的輸出電阻應具有很小的輸出電阻（幾十幾十 ）。）。 則運算放大器總的電壓增益在則運算放大器總的電壓增益在104106左右左右（80dB80dB120dB120dB），這樣的電壓增益幅度相當于理想），這樣的電壓增益幅度相當于理想運算放大器。運算放大器。1 1、讀圖的方法及步驟、讀圖的方法及步驟o（1 1）首先找出基準源支路）首先找出基準源支路o 基準源支路基準源支路從正電源到負電源之間只含有電阻、二極管從正電源到負電源之間只含有電阻、二極管（或或CB短路的三極管構成的二極管短路的三極管構成的二極管）兩種元件。兩種元件。o（2 2）確定哪些三極管為恒流源管）確定哪些三極管為恒流源管o 由于基準源電路中引出點的電位是恒定的，這些引出端接到三由于基準源電路中引出點的電位是恒定的，這些引出端接到三極管的基極，該三極管若不是共基極放大管，則就是極管的基極，該三極管若不是共基極放大管，則就是恒流管恒流管，其作，其作用或是作恒流源負載，或是作鏡像電流源。用或是作恒流源負載，或是作鏡像電流源。o（3 3）區(qū)分電路的各個部分）區(qū)分電路的各個部分o 輸入級：輸入級：要求其輸入電阻高，零