多級放大電路

多級放大電路第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1分立元件放大電路4.2差動放大電路4.3集成運(yùn)算放大電路小結(jié)習(xí)題本章大綱第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1 多級放大電路

在電子系統(tǒng)中，單級放大電路的電壓放大倍數(shù)往往不能滿足設(shè)計(jì)者的要求，因此要把放大電路的前一級輸出接到后一級輸入端，構(gòu)成多級放大電路。第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.1 多級放大電路的組成

單級放大電路的電壓放大倍數(shù)一般可以達(dá)到幾十到上百倍，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，其放大量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，話筒可以輸出的信號幅值為7mV，若要求在阻抗為8的揚(yáng)聲器上得到50W的輸出功率，那么輸送給揚(yáng)聲器的信號幅值必須達(dá)到28V，這就要求擴(kuò)音機(jī)具有很高的電壓放大能力。顯然，單級放大電路不能完成這個任務(wù)，這就需要把幾個單級放大電路連接，組成多級放大電路。多級放大電路方框圖如下圖所示。多級放大電路方框圖第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.2 多級放大電路的級間耦合方式

多級放大電路是將各單級放大電路、信號源及負(fù)載連接起來，這種連接方式稱為耦合。常見的耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合三種。前級輸出電阻與后級輸入電阻通過電容連接的方式，稱為阻容耦合，如圖所示。由于變壓器能傳送交流信號，因此可以利用變壓器進(jìn)行耦合，如圖所示。為了使直流信號能夠順利傳輸，必須消除耦合電路中的隔直作用，采用直接耦合方式就可以實(shí)現(xiàn)這一要求，如圖所示。由于它能夠傳輸直流信號，所以直接耦合多級放大電路也被稱為直流放大電路。第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.2 多級放大電路的級間耦合方式

阻容耦合多級放大電路變壓器耦合多級放大電路直接耦合多級放大電路第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.3 多級放大電路的分析

1．電壓放大倍數(shù)的計(jì)算多級放大電路對放大信號而言，屬串聯(lián)關(guān)系，前一級的輸出信號就是后一級的輸入信號。所以，多級放大電路總的電壓放大倍數(shù)為各級電壓放大倍數(shù)的乘積，即2.輸入電阻和輸出電阻多級放大電路的輸入電阻和輸出電阻與單級放大電路的類似，輸入電阻是從輸入端看進(jìn)去的等效電阻，也就是第一級的輸入電阻ri=ri1，輸出電阻是從輸出端看進(jìn)去的等效電阻，即最后一級的輸出電阻ro=ron。第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.3 多級放大電路的分析

【例4-1】兩級放大電路如圖所示，求Q、Au、ri、ro。設(shè)VCC=12V，1=2==100，UBE1=UBE2=0.7V。其他參數(shù)如圖所示。兩級放大電路第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.3 多級放大電路的分析

解第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.3 多級放大電路的分析

解第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.1.3 多級放大電路的分析

解第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日在多級直接耦合的放大電路中，存在兩個特殊問題：①級間靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響（前后級電位互相牽制）問題；②零點(diǎn)漂移問題。4.2 差動放大電路

第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

1.前后級電位互相牽制問題4.2.1 直流放大電路的問題

兩級直接耦合放大電路后級發(fā)射極接電阻的直接耦合放大電路第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

1.前后級電位互相牽制問題4.2.1 直流放大電路的問題

后級發(fā)射極接二極管的直接耦合放大電路后級發(fā)射極接穩(wěn)壓管的直接耦合放大電路第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

2.零點(diǎn)漂移問題4.2.1 直流放大電路的問題

零點(diǎn)漂移第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日差動放大電路，又稱差分放大電路，其輸出電壓與輸入電壓之差成正比。它是另一類基本放大電路，由于它在抑制零點(diǎn)漂移等性能方面有很多優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于集成電路中。4.2.2 差動放大電路的基本形式

第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1．電路構(gòu)成差動放大電路如圖所示，其中各元器件的作用如下。

差動放大電路第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日差動管：電路由兩個完全對稱的單管共射極放大電路結(jié)合而成，即Rc1=Rc2，Rb1=Rb2，Rs1=Rs2，VT1和VT2的特性與參數(shù)基本一致。電路有兩個輸入端（輸入信號分別加到兩差動管的基極）和兩個輸出端（輸出信號取自兩差動管的集電極）。輸出電壓Δuo=Δuo1?Δuo2。調(diào)零電位器：引入調(diào)零電位器來抵消元器件參數(shù)的不對稱，從而彌補(bǔ)電路不對稱造成的失調(diào)。公共發(fā)射極電阻Re：穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)及抑制零漂。輔助電源Vee∶Re越大，抑制零漂效果越好，但Re過大會使其直流壓降過大，造成靜態(tài)電流值下降，差動管輸出動態(tài)范圍減小。為保證放大電路的正常工作，電路中需要接入輔助電源。

第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2．抑制零點(diǎn)漂移的原理

由于電路的對稱性，溫度的變化對VT1、VT2兩管組成的左右兩個放大電路的影響是一致的，相當(dāng)于給兩個放大電路同時加入了大小和極性完成相同的輸入信號。因此，在電路完全對稱的情況下，兩管的集電極電位始終相同，差動放大電路的輸出為零。不會出現(xiàn)普通直接耦合放大電路中的漂移電壓，可見，差動放大電路利用電路對稱性。抑制了零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日3．信號輸入在實(shí)際使用時，加在差動放大電路兩個輸入端的信號是任意的，要想分析有輸入信號時差動放大電路的工作情況，要先來認(rèn)識一下共模輸入信號、差模輸入信號和比較輸入信號。（1）共模輸入信號兩個大小相等且極性相同的輸入信號稱為共模輸入信號，記為uic，即ui1=ui2=uic。對于完全對稱的差動放大電路來說，共模輸入時兩管的集電極電位必然相同，因此雙端輸出時電壓為零，電壓放大倍數(shù)（Auc）為零，這就說明電路對共模信號無放大作用，即完全抑制了共模信號。實(shí)際上，差動放大電路對零點(diǎn)漂移的抑制就是該電路抑制共模信號的一個特例。因此差動放大電路對共模信號抑制能力的大小，也就是反映了它對零點(diǎn)漂移的抑制能力。

第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（2）差模輸入信號如果兩個輸入端的信號大小相等、極性相反，這樣的輸入信號稱為差模輸入信號，記uid，即。因兩側(cè)電路對稱，

放大倍數(shù)相等，電壓放大倍數(shù)用Ad表示，則，差模電壓放大倍數(shù)（Aud）：=Aud。差模電壓放大倍

數(shù)等于單管放大電路的電壓放大倍數(shù)。差動放大電路用多一倍的元件為代價，換來了對零漂的抑制能力。

第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（3）比較輸入信號兩個輸入信號電壓的大小和相對極性是任意的，既非共模，又非差模，稱為比較輸入信號。比較輸入信號可以分解為一對共模信號和一對差模信號的組合，即式中：uic—共模信號；

uid—差模信號。由以上兩式可解得：對于線性差動放大電路，可用疊加定理求得輸出電壓：

上式表明，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關(guān)，而與信號本身的大小無關(guān)，這就是差動放大電路的差值特性。

第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日（3）比較輸入信號對于差動放大電路來說，差模信號是有用信號，要求對差模信號有較大的放大倍數(shù)；而共模信號是干擾信號，因此要求對共模信號的放大倍數(shù)越小越好。對共模信號的放大倍數(shù)越小，就意味著零點(diǎn)漂移越小，抗共模干擾的能力越強(qiáng)，當(dāng)用作差動放大時，就越能準(zhǔn)確、靈敏地反映出信號的偏差值。在一般情況下，電路不可能絕對對稱，Auc≠0。為了全面衡量差動放大電路放大差模信號和抑制共模信號的能力，引入共模抑制比，以KCMR表示。共模抑制比定義為Ad與Ac之比的絕對值，即

共模抑制比越大，表示電路放大差模信號和抑制共模信號的能力越強(qiáng)。第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日【例4-2】已知差動放大電路的輸入信號ui1

=

1.01V，ui2

=

0.99V，試求差模和共模輸入電壓。解差模輸入電壓：uid

=ui1?ui2=1.01?0.99=0.02V

共模輸入電壓：uic

=（ui1+ui2）/2=（1.01+0.99）/2=1V

第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.差模特性分析

差動放大電路差模輸入時的交流通路第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.差模特性分析（1）差模電壓放大倍數(shù)由差模電壓放大倍數(shù)的定義可以得出：若在VT1和VT2兩管的集電極之間加負(fù)載（RL），由于電路的對稱性，RL的中點(diǎn)始終為零電位，等效于接地。因此，單邊電路的負(fù)載為RL的一半，這時電路的差模電壓放大倍數(shù)為

第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.差模特性分析（2）差模輸入電阻差模輸入時，從差動放大電路的兩個輸入端看進(jìn)去的等效電阻為差模輸入電阻（rid），即（3）差模輸出電阻差模輸出時從差動放大電路的兩個輸出端看進(jìn)去的等效電阻為差模輸出電阻（rod），即

第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日差動放大電路有兩個對地的輸入端和兩個對地的輸出端。當(dāng)信號從一個輸入端輸入時，稱為單端輸入；從兩個輸入端之間浮地輸入時，稱為雙端輸入；當(dāng)信號從一個輸出端輸出時，稱為單端輸出；從兩個輸出之間浮地輸出時，稱為雙端輸出。因此，差動放大電路具有4種輸入、輸出方式：雙端輸入，雙端輸出；雙端輸入，單端輸出；單端輸入，雙端輸出；單端輸入，單端輸出。差動放大電路具有4種輸入、輸出方式的性能特點(diǎn)如表所示。4.2.3 差動放大電路的輸入、輸出方式

第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.2.3 差動放大電路的輸入、輸出方式

第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.2.3 差動放大電路的輸入、輸出方式

【例4-3】如下圖所示為單端輸出的差動放大電路。指出1、2兩端哪個是同相輸入端，哪個是反相輸入端，并求該電路的共模抑制比KCMR。設(shè)VCC=12V，?VEE=?6V，Rb=10k，Re=6.2k，Rc=5.1k，晶體管β1=β2=50，rbbl=rbb2=300，UBEl=UBE2=0.7V。第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.2.3 差動放大電路的輸入、輸出方式

第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.2.4 差動放大電路的應(yīng)用

在基本差動放大電路中，公共發(fā)射電阻Re越大，抑制零點(diǎn)漂移效果越好，但輔助電源Vee也越高，這對電路設(shè)計(jì)不利，因此需要設(shè)計(jì)一個具有恒流源的差動放大電路。為了使Re大時Vee能低一些，可以用三極管代替Re，這種電路稱為晶體管恒流源差動放大電路，如下圖所示。

晶體管恒流源差動放大電路第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.2.4 差動放大電路的應(yīng)用

【例4-4】如圖所示電路，設(shè)器件參數(shù)為rbb=100，β=100。①求靜態(tài)工作點(diǎn)電流（IC1Q、IC2Q），靜態(tài)工作點(diǎn)電壓（VCElQ，VCE2Q）；②求差模放大倍數(shù)（Aud）；③當(dāng)ui為一直流電壓16mV時，計(jì)算VTl、VT2集電極對地的直流電壓。

第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.2.4 差動放大電路的應(yīng)用

第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.3.1集成電路的基本知識

集成電路是在一塊半導(dǎo)體基片上做出許多電子元器件，并進(jìn)行封裝、做出引腳引線，構(gòu)成一個不可分割的整體。由于集成電路中各元器件的連接線路短，元器件密度大，外部引線及焊點(diǎn)少，從而大大提高了電路工作的可靠性，縮小體積，減輕重量，簡化組裝和調(diào)試工作，降低產(chǎn)品成本等，因此得到了廣泛應(yīng)用。常用集成電路的外形如圖3-1所示。4.3集成運(yùn)算放大電路概述

圖3-1常用集成電路的外形第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日電阻占用硅片面積比晶體管大許多，阻值越大，占用硅片面積就越大。為此，集成電路常常由三極管構(gòu)成恒流源作為大電阻來使用，也可以通過引腳外接大電阻。集成電路中用的二極管通常是利用三極管的一個PN結(jié)作為二極管。集成電路硅芯片上制造一只三極管比較容易，而且所占的面積也不大。但是在硅芯片上制造大電容器、電感器十分不方便，也不經(jīng)濟(jì)，所以集成電路內(nèi)各級之間全部采用直接耦合方式，如需大電容器、電感線圈時，就需通過引腳外接。集成電路的元器件具有良好的一致性和同向偏差，比較有利于實(shí)現(xiàn)需要對稱結(jié)構(gòu)的電路。集成電路的芯片面積小，集成度高，因此功耗很小，一般在毫瓦以下。第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日集成電路的分類劃分方法及類型說明按集成度劃分小規(guī)模集成電路元器件數(shù)目在100以下，用字母SSI表示中規(guī)模集成電路元器件數(shù)目在100～1000之間，用字母MSI表示大規(guī)模集成電路元器件數(shù)目在1000至數(shù)萬之間，用字母LSI表示超大規(guī)模集成電路元器件數(shù)目在10萬以上，用字母VLSI表示按處理信號劃分模擬集成電路用于放大或變換連續(xù)變化的電流和電壓信號。它又分為線性集成電路和非線性集成電路兩種數(shù)字集成電路用于放大或處理數(shù)字信號按制造工藝劃分半導(dǎo)體集成電路、薄膜集成電路、厚膜集成電路等第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日集成運(yùn)算放大電路簡稱運(yùn)放，是一種具有很高放大倍數(shù)的多級直接耦合放大電路，是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路，具有運(yùn)算和放大作用。集成運(yùn)算放大電路由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路4部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

4.3.2集成運(yùn)算放大器的組成

集成運(yùn)算放大電路的結(jié)構(gòu)框圖第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日集成運(yùn)放741的電路原理圖第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

1.集成運(yùn)算放大電路符號集成運(yùn)算放大電路的符號如圖所示。反相輸入端：表示輸出信號和輸入信號相位相反，即當(dāng)同相端接地，反相端輸入一個正信號時，輸出端輸出信號為負(fù)。同相輸入端：表示輸出信號和輸入信號相位相同，即當(dāng)反相端接地，同相端輸入一個正信號時，輸出端輸出信號也為正。集成運(yùn)算放大電路符號的含義對應(yīng)實(shí)際集成運(yùn)放引腳圖，如圖所示。

集成運(yùn)算放大電路符號實(shí)際集成運(yùn)放引腳圖

4.3.3集成運(yùn)算放大器的理想模型機(jī)特點(diǎn)

第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日2.理想運(yùn)算放大電路的電路符號在分析運(yùn)算放大器的電路時，一般將其看成是理想的運(yùn)算放大器。理想化的主要條件有圖所示理想運(yùn)算放大電路的電路符號開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)：Auo→∞；開環(huán)差模輸入電阻：ri→∞；開環(huán)輸出電阻：ro→0；共模抑制比：KCMR→∞；開環(huán)帶寬：fbw為0→∞。理想運(yùn)算放大電路的電路符號如圖3-6所示。

理想運(yùn)算放大電路的電路符號第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日3.理想運(yùn)算放大電路的兩個重要特點(diǎn)兩輸入端電位相等，即uP=uN；放大電路的電壓放大倍數(shù)為

在線性區(qū)，集成運(yùn)放的輸出電壓uo為有限值，根據(jù)運(yùn)放的理想特性Auo→∞，有uP=uN，即集成運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端電位相等，相當(dāng)于短路，此現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短，如圖所示。

集成運(yùn)放的虛假短路第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日凈輸入電流等于零，即I′i+=I′i-≈0

在圖4-8中，運(yùn)算放大電路的凈輸入電流I′i為

根據(jù)運(yùn)放的理想特性ri→∞，有I′i+=I′i-≈0，即集成運(yùn)放兩個輸入端的凈輸入電流約為零，好像電路斷開一樣，但又不是實(shí)際斷路，此現(xiàn)象稱為虛假斷路，簡稱虛斷，如圖所示。

集成運(yùn)放的虛假斷路第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

4.3.4集成運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)集成運(yùn)算放大電路的主要性能指標(biāo)第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日集成運(yùn)算放大電路與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算放大電路工作在線性區(qū)時，通常要引入深度負(fù)反饋，所以，它的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系基本決定于反饋電路和輸入電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而與運(yùn)算放大電路本身的參數(shù)關(guān)系不大。改變輸入電路和反饋電路的結(jié)構(gòu)形式就可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算。4.3.5 集成運(yùn)算放大器的基本單元電路

第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

4.3.5反相比例運(yùn)算放大電路

反相比例運(yùn)算放大電路第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

根據(jù)虛短（uP=uN）且P點(diǎn)接地，可得uP=uN=0，N點(diǎn)電位與地相等，所以N點(diǎn)稱為“虛地”，如圖所示。根據(jù)虛地可得輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為

式中：為比例系數(shù)由式可知，輸出電壓與輸入電壓成正比例且相位相反。利用反相比例運(yùn)算放大電路完成反相器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的反相器如圖所示。反相器比例系數(shù)為?1，即R1=Rf構(gòu)成反相器。第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

“虛地”示意圖反相器第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

4.3.5同相比例運(yùn)算放大電路

同相比例運(yùn)算放大電路

第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：根據(jù)上式可知，輸出電壓與輸入電壓成正比例且相位相同。利用同相比例運(yùn)算放大電路完成電壓跟隨器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電壓跟隨器如圖所示。電壓跟隨器可由比例系數(shù)為的同相比例運(yùn)算放大電路構(gòu)成，一種情況是Rf

短路、R1開路，這樣=1；另一種情況是R1開路，這樣≈1由式可知，輸出電壓與輸入電壓成正比例且相位相反。

Rf短路、R1開路時的電壓跟隨器R1開路時的電壓跟隨器第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

4.3.5反相輸入加法電路

根據(jù)理想特性（I′I=0）及集成運(yùn)放的反相輸入端為虛地，得

如果取R1=R2=Rf，則

反相輸入加法電路第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.3.5減法電路

當(dāng)外電路電阻滿足R3=Rf，R1=R2時，電路輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為

減法電路

第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

【例4-5】在圖所示電路中，運(yùn)放A1和A2都是理想運(yùn)放，寫出輸出電壓uo與輸入電流i1和i2之間的關(guān)系式。

例3-5圖解：兩級運(yùn)放滿足“虛短”、“虛斷”的條件。設(shè)運(yùn)放A1的輸出信號為u1，運(yùn)放A1的反相輸入端信號為uN1，運(yùn)放A2的反相輸入端信號為uN2。由虛斷，有第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日

第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.3.5積分電路

積分電路積分電路波形第五十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日4.3.6微分電路

微分電路微分電路波形第五十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期日1.查閱集成運(yùn)算放大器μA741的典型指標(biāo)數(shù)據(jù)及管腳功能；2.根據(jù)查閱的典型數(shù)據(jù)，計(jì)算可能的數(shù)據(jù)值（如Uo1，Uo2等