《電子技術基礎》 多級放大電路

1、主編 李中發(fā)制作 李中發(fā)2004年1月電子技術根底第3章 多級放大電路多級放大電路電壓放大倍數(shù)的計算互補對稱功率放大電路的工作原理差動放大電路的工作原理及輸入輸出方式運算放大器的性能特點反響極性和類型的判別方法學習要點3.1 多級放大電路的耦合方式3.2 差動放大電路3.3 互補對稱功率放大電路3.4 集成運算放大器3.5 放大電路中的負反響第3章 多級放大電路3.1 多級放大電路的耦合方式多級放大電路的組成3.1.1 阻容耦合放大電路各極之間通過耦合電容及下級輸入電阻連接。優(yōu)點：各級靜態(tài)工作點互不影響，可以單獨調整到適宜位置；且不存在零點漂移問題。缺點：不能放大變化緩慢的信號和直流分量變化的

2、信號；且由于需要大容量的耦合電容，因此不能在集成電路中采用。1阻容耦合放大電路的特點2阻容耦合放大電路分析1靜態(tài)分析：各級單獨計算。2動態(tài)分析電壓放大倍數(shù)等于各級電壓放大倍數(shù)的乘積。注意：計算前級的電壓放大倍數(shù)時必須把后級的輸入電阻考慮到前級的負載電阻之中。如計算第一級的電壓放大倍數(shù)時，其負載電阻就是第二級的輸入電阻。輸入電阻就是第一級的輸入電阻。輸出電阻就是最后一級的輸出電阻。3阻容耦合放大的頻率特性和頻率失真中頻段：電壓放大倍數(shù)近似為常數(shù)。低頻段：耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗增大，以致不可視為短路，因而造成電壓放大倍數(shù)減小。高頻段：晶體管的結電容以及電路中的分布電容等的容抗減小，以致不可

3、視為開路，也會使電壓放大倍數(shù)降低。除了電壓放大倍數(shù)會隨頻率而改變外，在低頻和高頻段，輸出信號對輸入信號的相位移也要隨頻率而改變。所以在整個頻率范圍內，電壓放大倍數(shù)和相位移都將是頻率的函數(shù)。電壓放大倍數(shù)與頻率的函數(shù)關系稱為幅頻特性，相位移與頻率的函數(shù)關系稱為相頻特性，二者統(tǒng)稱為頻率特性或頻率響應。放大電路呈現(xiàn)帶通特性。圖中fH和fL為電壓放大倍數(shù)下降到中頻段電壓放大倍數(shù)的0.707倍時所對應的兩個頻率，分別稱為上限頻率和下限頻率，其差值稱為通頻帶。一般情況下，放大電路的輸入信號都是非正弦信號，其中包含有許多不同頻率的諧波成分。由于放大電路對不同頻率的正弦信號放大倍數(shù)不同，相位移也不一樣，所以當輸

4、入信號為包含多種諧波分量的非正弦信號時，假設諧波頻率超出通頻帶，輸出信號uo波形將產生失真。這種失真與放大電路的頻率特性有關，故稱為頻率失真。3.1.2 直接耦合放大電路優(yōu)點：能放大變化很緩慢的信號和直流分量變化的信號；且由于沒有耦合電容，故非常適宜于大規(guī)模集成。缺點：各級靜態(tài)工作點互相影響；且存在零點漂移問題。零點漂移：放大電路在無輸入信號的情況下，輸出電壓uo卻出現(xiàn)緩慢、不規(guī)那么波動的現(xiàn)象。產生零點漂移的原因很多，其中最主要的是溫度影響。3.2 差動放大電路3.2.1 差動放大電路的工作原理抑制零漂的方法有多種，如采用溫度補償電路、穩(wěn)壓電源以及精選電路元件等方法。最有效且廣泛采用的方法是輸

5、入級采用差動放大電路。靜態(tài)時，uil=ui20 ，此時由負電源UEE通過電阻RE和兩管發(fā)射極提供兩管的基極電流。由于電路的對稱性，兩管的集電極電流相等，集電極電位也相等，即：IC1= IC2UC1= UC2輸出電壓：uo UC1 UC2=0溫度變化時，兩管的集電極電流都會增大，集電極電位都會下降。由于電路是對稱的，所以兩管的變化量相等。即：IC1= IC2UC1= UC2輸出電壓：uo (UC1 + UC1)( UC2 +UC2 )=0即消除了零點漂移。1抑制零點漂移的原理2信號輸入共模信號：兩輸入端加的信號大小相等、極性相同。共模電壓放大倍數(shù)：說明電路對共模信號無放大作用，即完全抑制了共模信

6、號。實際上，差動放大電路對零點漂移的抑制就是該電路抑制共模信號的一個特例。所以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漂移的抑制能力。1共模輸入因兩側電路對稱，放大倍數(shù)相等，電壓放大倍數(shù)用Ad表示，那么：差模信號：兩輸入端加的信號大小相等、極性相反。差模電壓放大倍數(shù)：可見差模電壓放大倍數(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。2差模輸入3比較輸入比較輸入：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。比較輸入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為共模信號，uid為差模信號。由以上兩式可解得

7、：對于線性差動放大電路，可用疊加定理求得輸出電壓：上式說明，輸出電壓的大小僅與輸入電壓的差值有關，而與信號本身的大小無關，這就是差動放大電路的差值特性。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，就意味著零點漂移越小，抗共模干擾的能力越強，當用作差動放大時，就越能準確、靈敏地反映出信號的偏差值。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。在一般情況下，電路不可能絕對對稱，Ac0。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

8、。共模抑制比定義為Ad與Ac之比的絕對值，即：或用對數(shù)形式表示：在發(fā)射極電阻RE的作用：是為了提高整個電路以及單管放大電路對共模信號的抑制能力。負電源UEE的作用：是為了補償RE上的直流壓降，使發(fā)射極根本保持零電位。恒流源比發(fā)射極電阻RE對共模信號具有更強的抑制作用。3.2.2 差動放大電路的輸入輸出方式雙端輸入單端輸出式電路的輸出uo與輸入ui1極性或相位相反，而與ui2極性或相位相同。所以uil輸入端稱為反相輸入端，而ui2輸入端稱為同相輸入端。雙端輸入單端輸出方式是集成運算放大器的根本輸入輸出方式。單端輸入式差動放大電路的輸入信號只加到放大器的一個輸入端，另一個輸入端接地。由于兩個晶體管

9、發(fā)射極電流之和恒定，所以當輸入信號使一個晶體管發(fā)射極電流改變時，另一個晶體管發(fā)射極電流必然隨之作相反的變化，情況和雙端輸入時相同。此時由于恒流源等效電阻或發(fā)射極電阻RE的耦合作用，兩個單管放大電路都得到了輸入信號的一半，但極性相反，即為差模信號。所以，單端輸入屬于差模輸入。單端輸出式差動電路，輸出減小了一半，所以差模放大倍數(shù)亦減小為雙端輸出時的二分之一。此外，由于兩個單管放大電路的輸出漂移不能互相抵消，所以零漂比雙端輸出時大一些。由于恒流源或射極電阻RE對零點漂移有極強烈的抑制作用，零漂仍然比單管放大電路小得多。所以單端輸出時仍常采用差動放大電路，而不采用單管放大電路。3.3 互補對稱功率放大

10、電路3.3.1 功率放大電路的特點及類型1功率放大電路的特點功率放大電路的任務是向負載提供足夠大的功率，這就要求功率放大電路不僅要有較高的輸出電壓，還要有較大的輸出電流。因此功率放大電路中的晶體管通常工作在高電壓大電流狀態(tài)，晶體管的功耗也比較大。對晶體管的各項指標必須認真選擇，且盡可能使其得到充分利用。因為功率放大電路中的晶體管處在大信號極限運用狀態(tài)，非線性失真也要比小信號的電壓放大電路嚴重得多。此外，功率放大電路從電源取用的功率較大，為提高電源的利用率，必須盡可能提高功率放大電路的效率。放大電路的效率是指負載得到的交流信號功率與直流電源供出功率的比值。2功率放大電路的類型甲類功率放大電路的靜

11、態(tài)工作點設置在交流負載線的中點。在工作過程中，晶體管始終處在導通狀態(tài)。這種電路功率損耗較大，效率較低，最高只能到達50。乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點設置在交流負載線的截止點，晶體管僅在輸入信號的半個周期導通。這種電路功率損耗減到最少，使效率大大提高。甲乙類功率放大電路的靜態(tài)工作點介于甲類和乙類之間，晶體管有不大的靜態(tài)偏流。其失真情況和效率介于甲類和乙類之間。3.3.2 互補對稱功率放大電路1OCL功率放大電路靜態(tài)ui=0時，UB=0、UE=0，偏置電壓為零，V1、V2均處于截止狀態(tài)，負載中沒有電流，電路工作在乙類狀態(tài)。動態(tài)ui0時，在ui的正半周V1導通而V2截止，V1以射極輸出器的形式將正半

12、周信號輸出給負載；在ui的負半周V2導通而V1截止，V2以射極輸出器的形式將負半周信號輸出給負載。可見在輸入信號ui的整個周期內，V1、V2兩管輪流交替地工作，互相補充，使負載獲得完整的信號波形，故稱互補對稱電路。由于V1、V2都工作在共集電極接法，輸出電阻極小，可與低阻負載RL直接匹配。從工作波形可以看到，在波形過零的一個小區(qū)域內輸出波形產生了失真，這種失真稱為交越失真。產生交越失真的原因是由于V1、V2發(fā)射結靜態(tài)偏壓為零，放大電路工作在乙類狀態(tài)。當輸入信號ui小于晶體管的發(fā)射結死區(qū)電壓時，兩個晶體管都截止，在這一區(qū)域內輸出電壓為零，使波形失真。為減小交越失真，可給V1、V2發(fā)射結加適當?shù)恼?/p>

13、向偏壓，以便產生一個不大的靜態(tài)偏流，使V1、V2導通時間稍微超過半個周期，即工作在甲乙類狀態(tài)，如下圖。圖中二極管D1、D2用來提供偏置電壓。靜態(tài)時三極管V1、V2雖然都已根本導通，但因它們對稱，UE仍為零，負載中仍無電流流過。2OTL功率放大電路因電路對稱，靜態(tài)時兩個晶體管發(fā)射極連接點電位為電源電壓的一半，負載中沒有電流。動態(tài)時，在ui的正半周V1導通而V2截止，V1以射極輸出器的形式將正半周信號輸出給負載，同時對電容C充電；在ui的負半周V2導通而V1截止，電容C通過V2、RL放電，V2以射極輸出器的形式將負半周信號輸出給負載，電容C在這時起到負電源的作用。為了使輸出波形對稱，必須保持電容C

14、上的電壓根本維持在UCC/2不變，因此C的容量必須足夠大。3.4 集成運算放大器簡介3.4.1 集成運算放大器的組成通常由差動放大電路構成，目的是為了減小放大電路的零點漂移、提高輸入阻抗。通常由共發(fā)射極放大電路構成，目的是為了獲得較高的電壓放大倍數(shù)。通常由互補對稱電路構成，目的是為了減小輸出電阻，提高電路的帶負載能力。一般由各種恒流源電路構成，作用是為上述各級電路提供穩(wěn)定、適宜的偏置電流，決定各級的靜態(tài)工作點。集成運放的電路符號如下圖。它有兩個輸入端，標“+的輸入端稱為同相輸入端，輸入信號由此端輸入時，輸出信號與輸入信號相位相同；標“的輸入端稱為反相輸入端，輸入信號由此端輸入時，輸出信號與輸入

15、信號相位相反。3.4.2 集成運算放大器的主要參數(shù)及種類1、集成運放的主要參數(shù)2、集成運放的種類3.4.3 集成運算放大器的理想模型集成運放的理想化參數(shù)： Ado=、 rid=、 ro=0 、KCMR=、等非線性區(qū)飽和區(qū)非線性區(qū)分析依據(jù)：當i0，即時，oOM當i0，即 xi ，即反響信號起了削弱凈輸入信號的作用，引入的是負反響。例：判斷圖示電路的反響極性。解：設基極輸入信號ui的瞬時極性為正，那么發(fā)射極反響信號uf的瞬時極性亦為正，發(fā)射結上實際得到的信號ube凈輸入信號與沒有反響時相比減小了，即反響信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負反響。例：判斷圖示電路的反響極性。解：設輸入信號ui瞬時極

16、性為正，那么輸出信號uo的瞬時極性為負，經RF返送回同相輸入端，反響信號uf的瞬時極性為負，凈輸入信號ud與沒有反響時相比增大了，即反響信號增強了輸入信號的作用，故可確定為正反響。例：判斷圖示電路的反響極性。解：設輸入信號ui瞬時極性為正，那么輸出信號uo的瞬時極性為正，經RF返送回反相輸入端，反響信號uf的瞬時極性為正，凈輸入信號ud與沒有反響時相比減小了，即反響信號削弱了輸入信號的作用，故可確定為負反響。根據(jù)反響網(wǎng)絡與根本放大電路在輸入端的連接方式，可分為串聯(lián)反響和并聯(lián)反響。串聯(lián)反響的反響信號和輸入信號以電壓串聯(lián)方式疊加，ud=uiuf，以得到根本放大電路的輸入電壓ud。并聯(lián)反響的反響信號

17、和輸入信號以電流并聯(lián)方式疊加，id=iiif，以得到根本放大電路的輸入電流ii。串聯(lián)反響和并聯(lián)反響可以根據(jù)電路結構判別。當反響信號和輸入信號接在放大電路的同一點另一點往往是接地點時，一般可判定為并聯(lián)反響；而接在放大電路的不同點時，一般可判定為串聯(lián)反響。綜合以上兩種情況，可構成電壓串聯(lián)、電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)和電流并聯(lián)4種不同類型的負反響放大電路。3.5.2 負反響的類型及其判別1、電壓串聯(lián)負反響設ui瞬時極性為正，那么uo的瞬時極性為正，經RF返送回反相輸入端，uf的瞬時極性為正，ud與沒有反響時相比減小了，即反響信號削弱了輸入信號的作用，故為負反響。將輸出端交流短路，RF直接接地，反響電壓uf=

18、0，即反響信號消失，故為電壓反響。ui加在集成運算放大器的同相輸入端和地之間，而uf加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點，故為串聯(lián)反響。uiuf2、電壓并聯(lián)負反響設uiii瞬時極性為正，那么uo的瞬時極性為負，if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時極性為正，id與沒有反響時相比減小了，即反響信號削弱了輸入信號的作用，故為負反響。將輸出端交流短路，RF直接接地，反響電流if=0，即反響信號消失，故為電壓反響。ii加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，而if也加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點，故為并聯(lián)反響。iiif3、電流串聯(lián)負反響設ui瞬時極性為正，那么uo的瞬

19、時極性為正，經RF返送回反相輸入端，uf的瞬時極性為正，ud與沒有反響時相比減小了，即反響信號削弱了輸入信號的作用，故為負反響。將輸出端交流短路，盡管uo=0 ，但io仍隨輸入信號而改變，在R上仍有反響電壓uf產生，故可判定不是電壓反響，而是電流反響。ui加在集成運算放大器的同相輸入端和地之間，而uf加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，不在同一點，故為串聯(lián)反響。uiuf設uiii瞬時極性為正，那么uo的瞬時極性為負，if的方向與圖示參考方向相同，即if瞬時極性為正，id與沒有反響時相比減小了，即反響信號削弱了輸入信號的作用，故為負反響。4、電流并聯(lián)負反響將輸出端交流短路，盡管uo=0 ，但io仍隨輸入信號而改變，在R上仍有反響電壓uf產生，故可判定不是電壓反響，而是電流反響。ii加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，而if也加在集成運算放大器的反相輸入端和地之間，在同一點，故為并聯(lián)反響。iiif3.5.3 負反響對放大電路性能的影響1、穩(wěn)定放大倍數(shù)引入負反響后，閉環(huán)放大倍數(shù)的相對變化率為開環(huán)放大倍數(shù)相對變化率的1+AF分之一，因1+AF1，所以即閉環(huán)放大倍數(shù)的穩(wěn)定性優(yōu)于開環(huán)放大倍數(shù)。負反響越深，放大倍數(shù)越穩(wěn)定。在深度負反響條件下，即1+AF1時，有：說明深度負反響時的閉環(huán)放大倍數(shù)僅取決于反響系數(shù)F，而與開環(huán)放大倍數(shù)A無關。通常反響網(wǎng)