模擬電路基礎(chǔ)：第四章 多級(jí)放大

1、第4章 多級(jí)放大電路和集成運(yùn)算放大電路4.1 多級(jí)放大電路的耦合方式及分析4.2 差動(dòng)放大電路4.3 集成運(yùn)算放大電路作業(yè)：4-3 4-7 4-13 4-14 本章重點(diǎn) 1.多級(jí)放大電路的耦合方式及其特點(diǎn)，多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算。 2.差分放大電路工作原理;靜態(tài)工作點(diǎn)、差模放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的分析和估算。 3.集成運(yùn)放的特點(diǎn)、組成及主要參數(shù)常見耦合方式有四種:直接耦合阻容耦合變壓器耦合光電耦合多個(gè)基本放大電路連接構(gòu)成了“多級(jí)放大電路”，每一個(gè)基本放大電路叫一“級(jí)”，級(jí)與級(jí)之間的連接方式叫“耦合方式” 4.1.1 多級(jí)放大電路的耦合方式及分析 4.1.1 多級(jí)放大電路的耦合方式及

2、分析1. 直接耦合UCE1 = UBE2 0.7V, 使VT1接近飽和區(qū), 動(dòng)態(tài)時(shí)易產(chǎn)生飽和失真。前一級(jí)輸出直接接后一級(jí)輸入解決辦法：(提高UB2)(1)加入電阻RE2 (影響Au2) .（2）在VT2的發(fā)射極加穩(wěn)壓管電阻R保證穩(wěn)壓管的電流大于最小穩(wěn)壓穩(wěn)定電流.直流有壓降(恒壓),動(dòng)態(tài)電阻小，對(duì)放大能力影響小。（3）NPN型和PNP型管配合使用？問題：集電極電位逐級(jí)升高，級(jí)數(shù)受到限制UC2UB2(UC1)（2） 直接耦合方式的特點(diǎn)3）各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試較困難。1）低頻特性較好，可以放大變化緩慢的信號(hào)；2）電路中沒有大電容，易于集成。零點(diǎn)漂移：輸入電壓為零而輸出電壓不

3、為零，且緩慢變化的現(xiàn)象ut0o（3） 直接耦合放大電路的零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的原因：電源波動(dòng)、元件老化、半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生變化.放大電路的漂移逐級(jí)放大,會(huì)造成電路無法正常工作。抑制零點(diǎn)漂移的方法1）恒溫；2）溫度補(bǔ)償法；用熱敏元件抵消溫度的變化； 采用“差動(dòng)放大電路”3）引入直流負(fù)反饋穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)將溫度變化1C時(shí)，放大電路輸出端的漂移電壓折合到輸入端，衡量零點(diǎn)漂移大小主要原因：溫度變化引起半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化 又稱溫度漂移（簡稱溫漂）2. 阻容耦合 將放大電路的前級(jí)輸出端通過電容接到后級(jí)輸入端特點(diǎn)1）各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,靜態(tài)分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試方便；2)交流信號(hào)在傳輸過程中損失??；3）耦

4、合電容的隔直作用使電路的穩(wěn)漂很??；4）低頻特性差，不能放大變化緩慢的信號(hào)；5）大電容的存在，阻容耦合放大電路難集成。3. 變壓器耦合前級(jí)輸出端通過變壓器接到后級(jí)輸入端或負(fù)載電阻上，前后級(jí)通過磁路耦合變壓器耦合方式的特點(diǎn)（1）各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)、計(jì)算、調(diào)試方便；（4）變壓器的存在，不便集成，用于分立元件電路中。（5）最大特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)電流、電壓和阻抗變換。（3）低頻特性差，不能用來放大直流和緩慢變化的信號(hào)。（2）只能放大交流信號(hào)，所以幾乎沒有零點(diǎn)漂移；4 光電耦合(1)光電耦合器 以光信號(hào)為媒介實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的耦合與傳遞。將發(fā)光元件與光敏元件相互絕緣地組合在一起.DT1T2iciDceuD+

5、-光電耦合器發(fā)光元件為輸入回路：將電能轉(zhuǎn)換為光能；光敏元件為輸出回路：將光能轉(zhuǎn)換為電能。傳輸比：0.11.5uCE ID3ID2ID1增大IDic傳輸特性傳輸特性描述了光電晶體管集電極電流及管壓降與發(fā)光二極管電流的關(guān)系iC幾乎僅由iD決定(2)光電耦合放大電路 光電耦合電路輸入回路與輸出回路間沒有電氣連接，靠光耦合，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。DT1T2usVRs+-+-uo+VCC信號(hào)源光電耦合器輸出回路4.1.2 多級(jí)放大電路的分析1.靜態(tài)工作點(diǎn)的分析阻容耦合電路各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立,計(jì)算方法同單管放大電路.直接耦合電路各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響,需列方程組求解.常以特殊電位點(diǎn)做為突破口,簡化求解

6、過程.例4-1 求圖示電路的靜態(tài)工作點(diǎn)(2) 動(dòng)態(tài)性能的分析多級(jí)放大電路方框圖總電壓增益等于組成它的各級(jí)放大電路電壓電壓增益的乘積。注意:每一級(jí)的Au必須將后一級(jí)的輸入電阻作為前一級(jí)的負(fù)載例:寫出圖示電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路共射電路共集電路解：畫出多級(jí)放大電路的微變等效電路，逐級(jí)進(jìn)行計(jì)算過程復(fù)雜。根據(jù)所學(xué)知識(shí)，直接寫出總電路的各參數(shù)的表達(dá)式。輸入電阻Ri = R1 / R5 / rbe1+（1+1） R3 = Ri1 輸出電阻Ro = R10 = Ro3 靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路共射電路共集電路如果輸入級(jí)（或輸出級(jí)）為共集電路，則輸入電阻（輸出電阻）的計(jì)算需考慮后（前）級(jí)

7、的影響。共集電極放大電路作為輸出級(jí)共射共集VCCC1RLR1VT1C2R3C3C4R2R4R5R6VT2電壓增益輸入電阻共集電極放大電路作為輸出級(jí)輸出電阻共射共集VCCC1RLR1VT1C2R3C3C4R2R4R5R6VT2Ro1考慮前級(jí)輸出電阻影響注意：計(jì)算輸出電阻不考慮RL影響思考：如果輸入級(jí)為共集電路？4.2 差分放大電路1. 電路的組成4.2.1 差分放大電路特性相同的管子，組成兩半結(jié)構(gòu)對(duì)稱的電路2. 抑制零點(diǎn)漂移的原理因?yàn)閮蓚€(gè)管子的特性相同，當(dāng)外界條件變化時(shí)，兩管的集電極電位始終相等，使輸出端電壓為0，因此抑制了零點(diǎn)漂移4.2 差分放大電路4.2.1 差分放大電路3. 信號(hào)的輸入方式

8、和電路的響應(yīng)（2） 共模輸入方式兩輸入端接相同的信號(hào)的輸入方式共模電壓增益0干擾信號(hào)可等效為共模信號(hào)，該差動(dòng)放大電路輸出端的共模電壓為零共模信號(hào) ：大小相等、極性相同的信號(hào)差模信號(hào) ：大小相等、極性相反的信號(hào)（2） 差模輸入方式加在兩管輸入端的信號(hào)大小相等，極性相反的輸入方式輸入信號(hào)為差模電壓增益輸出電壓不為零，出現(xiàn)差模輸出信號(hào)半電路分析法半電路電壓增益整個(gè)差放的電壓增益與半電路相等，是多一半電路來換取對(duì)零點(diǎn)漂移的抑制。整個(gè)電路的輸出電壓差放電路的差模電壓增益（3） 任意輸入方式兩輸入端接的輸入信號(hào)分別為將任意輸入信號(hào)看作由共模輸入分量和差模輸入分量組成兩個(gè)輸入端之間有差別，輸出端才有變動(dòng)，因

9、此稱為差動(dòng)放大電路。得到：因?yàn)楣材ｋ妷涸鲆鏋榱悖敵鲭妷褐兄挥胁钅７至浚?） 存在的問題及解決方案兩半電路不完全對(duì)稱或輸出信號(hào)取自一個(gè)管子的集電極時(shí)，電路沒有抑制零點(diǎn)漂移的能力，必須提高每一半電路的穩(wěn)定性。在射極接大電阻，同時(shí)采用正負(fù)電源保證合適的靜態(tài)電流及動(dòng)態(tài)范圍。該電路稱為“長尾式差動(dòng)放大電路”。又稱為“射極耦合差動(dòng)放大電路”條件:輸入信號(hào)為零4.2.2 射極耦合差動(dòng)放大電路的分析1.射極耦合差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析RRP較小可略溫度影響很小或1.射極耦合差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析1.射極耦合差動(dòng)放大電路的動(dòng)態(tài)分析雙端輸入、雙端輸出共模和差模輸入分量分別為1.射極耦合差動(dòng)放大電路的靜態(tài)分析（1）

10、差模電壓增益（2）共模電壓增益差模信號(hào)作用下，兩個(gè)管子射極電流一個(gè)增大一個(gè)減小，射極電阻RE上的總電流不變，所以滑動(dòng)端C電位恒定不變，相當(dāng)于交流接地.同樣兩管集電極電位一個(gè)升高一個(gè)降低，負(fù)載電阻RL兩端電位一端升高，一端降低，中點(diǎn)電位恒定，相當(dāng)于交流接地CC點(diǎn)交流接地RL中點(diǎn)交流接地0(3)差模輸入電阻:()差模輸出電阻:CC點(diǎn)交流接地RL中點(diǎn)交流接地()共模抑制比:為了衡量差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)的放大能力和對(duì)共模信號(hào)的抑制能力KCMR:定義此值越大越好電路對(duì)稱且信號(hào)雙端輸出時(shí)(8)電壓傳輸特性線性關(guān)系 uoduId只在一定范圍內(nèi)才成線性()最大共模輸入電壓UicM:()最大差模輸入電壓Uid

11、M :1. 雙端輸入、雙端輸出方式（雙入雙出) 2. 雙端輸入、單端輸出方式（雙入單出） 3. 單端輸入、雙端輸出方式（單入雙出） 4. 單端輸入、單端輸出方式（單入單出）4.2.2 輸入和輸出的四種接法及性能分析1. 雙端輸入、雙端輸出（雙入雙出）差模電壓增益差模輸入電阻差模輸出電阻共模電壓增益Ac=0共模抑制比 2. 雙端輸入、單端輸出（雙入單出）常用于將雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。（1）靜態(tài)分析輸入回路仍對(duì)稱IBQ1=IBQ2UCEQ1 UCEQ2ICQ1=ICQ2輸出回路不對(duì)稱UCQ2=V CC - ICQRc差模電壓增益只有雙端輸出時(shí)的一半只取出一管的集電極電壓變化量若從c2輸出

12、時(shí)電壓增益為正（2）對(duì)差模輸入的動(dòng)態(tài)分析差模輸入電阻差模輸出電阻共模電壓增益：共模抑制比：R越大抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)（3）對(duì)差模輸入的動(dòng)態(tài)分析輸入共模信號(hào)時(shí),流過電阻RE上的電流為2?e,忽略調(diào)零電位器，對(duì)共模信號(hào)半電路的交流通路為輸出電壓差模電壓共模電壓3、單端輸入，雙端輸出（單入雙出）要求信號(hào)源接地時(shí)采用將單端輸入看作一種任意輸入方式，將其分解為差模分量和共模分量此時(shí)，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)分析與輸入雙出相同3、單端輸入，單端輸出（單入單出）用于要求輸入和輸出端都有一端接地的場合與雙入單出電路的分析方法相似總結(jié)）靜態(tài)時(shí)單端輸出時(shí)）單端輸出為雙端輸出的一半，但不同；）：雙端輸出，單端輸

13、出 ；）單入和雙入相同；）單出是雙出的一半例圖示電路中，解（）靜態(tài)分析（）動(dòng)態(tài)分析將輸入信號(hào)分解為差模分量和共模分量（）動(dòng)態(tài)分析將輸入信號(hào)分解為差模分量和共模分量）雙端輸出（與之間）差模電壓增益共模電壓增益Ac=0共模抑制比輸出電壓）單端輸出（與地之間）差模電壓增益共模電壓增益共模抑制比輸出電壓若從與地之間輸出，輸出電壓？4.2. 帶射極恒流源的差動(dòng)放大電路電路的組成和工作原理增大電阻R能有效擬制零點(diǎn)漂移, 提高共模抑制比。但R的增大在同樣靜態(tài)工作電流的情況下則要求提高VEE ,困難同時(shí)集成電路中不易制作大電阻。解決的辦法:采用恒流源代替大電阻R,以保證交流時(shí)有很大的等效電阻,又可采用較低的電

14、源電壓。工作點(diǎn)穩(wěn)定電路代替R ，IB3恒定時(shí),IC3就是一個(gè)恒流源。靜態(tài)計(jì)算：動(dòng)態(tài)分析：對(duì)差模信號(hào)：點(diǎn)交流接地對(duì)共模信號(hào)：射極上接入了大電阻 用專門的制作工藝，將晶體管、二極管、電阻等元器件及連線組成完整的放大電路制作在一塊硅片上，作為一個(gè)集成器件使用。因最初用于模擬信號(hào)的運(yùn)算，所以叫做“集成運(yùn)算放大電路”（簡稱集成運(yùn)放）是具有很高開環(huán)電壓放大倍數(shù)的直接耦合放大器。 集成運(yùn)放現(xiàn)廣泛用于模擬信號(hào)的產(chǎn)生及處理電路中。性能價(jià)格比優(yōu)越，在絕大多數(shù)情況下已取代了分立元件放大電路。4.1 集成運(yùn)算放大電路1 集成電路特點(diǎn)）不能做大C、L，只能采用直接耦合方式。）為克服溫漂，采用差分放大電路。）用管子構(gòu)成的

15、恒流源代替大R及設(shè)置Q。）采用復(fù)合管改善單管的性能。）大電阻不便集成，常用有源器件取代電阻 集成運(yùn)算放大電路概述輸入級(jí) 差分放大器，具有較強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移能力2 集成運(yùn)放的組成輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路輸出級(jí) 射極輸出器或互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器。 輸出電阻?。◣лd能力強(qiáng)），非線性失真小中間級(jí) 共射/共源放大電路。 具有較強(qiáng)的放大能力，采用復(fù)合管作放大管， 以恒流源做負(fù)載偏置電路 用于設(shè)置各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、一般采用電流源電路.還有電平偏移電路，短路保護(hù)電路等。輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路4.2 集成運(yùn)放中的電流源電路有鏡像電流源、微電流源、威爾遜電流源、比例電流源、多路電流源等，下面以鏡像電流

16、源為例。1. 鏡像電流源 管子處于臨界飽和狀態(tài)，放大邊緣。T1T2R+VCCIRIC2IC1IB0IB12IB2.微電流源設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定IC2和IC1，然后選定R和RE。在VT2發(fā)射極接入電阻RE3. 多路電流源同一個(gè)參考電流同時(shí)產(chǎn)生幾路輸出，為多個(gè)放大管提供偏置電流一個(gè)，產(chǎn)生了、. 作為有源負(fù)載的電流源電路圖示共射電路中，采用鏡像電流源代替集電極電阻，即保證其直流工作點(diǎn)基本不變，又提高了電壓增益。4.3.3 典型集成運(yùn)放電路通用型集成運(yùn)放雙極型單極型F007(A741)：恒流源， 反向擊穿電壓高。F324(LM324)：有源負(fù)載，Aod。輸入阻抗高；電源電壓范圍寬；芯片面積小，集成度高。例

17、：P1 F007(A741)電路原理圖集成運(yùn)放（通用型集成運(yùn)放F007）4.4 集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益Aod Aod=uo/（uP- uN），常用分貝（dB，20lgAod）表示，通用型在105左右（100dB）。2. 共模抑制比KCMR 常用分貝（dB）表示, 80dB 。3. 差模輸入電阻rid 2M4. 輸入失調(diào)電壓UIO 為使輸出電壓為零，在輸入端所加的補(bǔ)償電壓。6. 輸入失調(diào)電流IIO 反映差分管輸入電流的不對(duì)稱程度。 IIO= IB1 - IB2 8. 輸入偏置電流IIB 輸入差放管基極偏置電流 的平均值。 IIB= （IB1 + IB2 ）/25. 輸入失調(diào)電壓溫

18、漂dUIO/dT 是UIO的溫度系數(shù)。7. 輸入失調(diào)電流溫漂dIIO/dT 是IIO的溫度系數(shù)。9. 最大共模輸入電壓UIcmax UIC高于此值時(shí)，運(yùn)放就不能放大差模輸入信號(hào) 10. 最大差模輸入電壓UIdmax 不使PN結(jié)反向擊穿所允許的最大Uid。11. 3dB帶寬fH (BW) 使Aod下降3dB（即下降到約0.707 Aod ）時(shí)的信 號(hào)頻率寬度。12. 單位增益帶寬f (BWG) 。 使Aod下降到0dB（即 Aod=1）時(shí)的信號(hào)頻率。 與晶體管的fT類似。13. 轉(zhuǎn)換速率SR。 表明集成運(yùn)放對(duì)信號(hào)變化速度的適應(yīng)能力， 是衡量大幅值信號(hào)作用時(shí)工作速度的參數(shù)。 SR=duo/dtmax 常用單位：（輸出電壓變化）V / S。理想運(yùn)放參數(shù)： Aod、 KCMR、rid、 fH 均為無窮大； UIO 、 dUIO/dT 、 IIO 、 dIIO/dT 、 IIB均為零。近似分析中，常把運(yùn)放理想化。符號(hào)及電壓傳輸特性高阻型 具有高輸入電阻rid的運(yùn)放。2. 高速型 具有轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)放。3. 高精度型 具有低失調(diào)、低溫漂、低噪聲、高增益的運(yùn)放。4. 低功耗型 具有靜態(tài)功耗低、工作電源電壓低的運(yùn)放。集成運(yùn)放的種類一、性能指標(biāo)分類二、工作原理分類電壓放大型電流放大型跨導(dǎo)型互阻型。三、制造工藝分