多級(jí)放大電路

1、第五章多級(jí)放大電路第一節(jié)多級(jí)放大電路在實(shí)際工作中，為了放大非常微弱的信號(hào)，需要把若干個(gè)基本放大電路連接起來(lái)，組成多級(jí)放大電路，以獲得更高的放大倍數(shù)和功率輸出。多級(jí)放大電路內(nèi)部各級(jí)之間的連接方式稱為耦合方式。常用的耦合方式有三種，即阻容耦合方式、援耦合方式和變壓器耦合方式。1.多級(jí)放大電路的耦合方式1.1阻容耦合通過(guò)電容和電阻將信號(hào)由一級(jí)傳輸?shù)搅硪患?jí)的方式稱為阻容耦合。圖所示電路 是典型的兩級(jí)阻容耦合放大電路。優(yōu)點(diǎn)：耦合電容的隔直通交作用，使兩級(jí)Q相互獨(dú)立，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)了方便；缺點(diǎn)：放大頻率較低的信號(hào)將產(chǎn)生較大的衰減，不適合傳遞變化緩慢的信號(hào)，更不能傳遞直流信號(hào)；加之不便于集成化，因而在應(yīng)用

2、上也就存在一定的局 限性。1.2直接耦合多級(jí)放大電路中各級(jí)之間直接（或通過(guò)電阻）連接的方式，稱為直接耦合。直接耦合放大電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于集成化、能夠放大變化十分緩慢的信號(hào)、 信號(hào)傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，在集成電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。直接耦合放大電路存在的最突出的問(wèn)題是零點(diǎn)漂移問(wèn)題。所謂零點(diǎn)漂移是指把 一個(gè)直接耦合放大電路的輸入端短路時(shí)，即輸入信號(hào)為零時(shí)，由于種種原因引起 輸出電壓發(fā)生漂移（波動(dòng)）。1.3變壓器耦合變壓器耦合放大電路如圖所示。這種耦合電路的特點(diǎn)是：級(jí)間無(wú)直流通路，各級(jí)Q獨(dú)立；變壓器具有阻抗變換作用，可獲最佳負(fù)載；變壓器造價(jià)高、體積大、不能集成，其應(yīng)用受到限制。1.4級(jí)間耦合的優(yōu)、缺

3、點(diǎn)及應(yīng)用比較耦合方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用直接耦合可放大直流及緩慢變化的信號(hào)，低頻響應(yīng)好。.便于集成各級(jí)Q不獨(dú)立，使設(shè)計(jì)、計(jì)算、調(diào)試不便。有嚴(yán)重的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。直流或交流放 大，分立或集成 電路阻容耦合各級(jí)Q獨(dú)立傳輸交流信號(hào)損失小，增益高體積小，成本低無(wú)法集成不能放大直流及緩慢變化的信號(hào)，低頻響應(yīng)差交流放大分立電路變壓器耦合各級(jí)Q獨(dú)立可以改變交流信號(hào)的電壓、電流和阻抗無(wú)法集成高頻和低頻響應(yīng)差體積大，笨重功率放大調(diào)諧放大2.直接耦合放大電路的特殊問(wèn)題零點(diǎn)漂移2.1零點(diǎn)漂移所謂零點(diǎn)漂移是指當(dāng)把一個(gè)直接耦合放大電路的輸入端短路時(shí)，即輸入信號(hào) 為零時(shí)，由于種種原因引起輸出電壓發(fā)生漂移（波動(dòng)）。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因

4、很多。如晶體管的參數(shù)隨溫度的年華、電源、電壓的波 動(dòng)等，其中，溫度的影響是最重要的。在多級(jí)放大電路中，又已第一、第二級(jí)的漂移影響最為嚴(yán)重。因此，抑制零點(diǎn)漂移著重點(diǎn)在第一、第二級(jí)。2.2差分式放大電路（觀看視頻）在直接耦合多級(jí)放大電路中抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)是差動(dòng)放大電 路。因此，在要求較高的多級(jí)直接耦合放大電路的前置級(jí)和集成電路中廣泛采用 這種電路。廣一差分放大電蹈2.2.1差分放大電路的組成差分放大電路是由對(duì)稱的兩個(gè)基本放大電路，通過(guò)射極公共電阻耦合構(gòu)成的，如圖所示。對(duì)稱的含義是兩個(gè)三極管的特性一致，電路參數(shù)對(duì)應(yīng)相等。61鄧2鄧VBE1 = VBE2 = VBErbe1rbe2 = r

5、be】CBO1 - 】CBO2 - 】CBORc1=Rc2=RcRb1= Rb2=R2.2 .2差分放大電路的輸入和輸出方式差分放大電路一般有兩個(gè)輸入端：同相輸入端，反相輸入端。根據(jù)規(guī)定的正方向，在一個(gè)輸入端加上一定極性的信號(hào)，如果所得到的輸出 信號(hào)極性與其相同，則該輸入端稱為同相輸入端。反之，如果所得到的輸出信號(hào)的極性與其相反，則該輸入端稱為反相輸入。信號(hào)的輸入方式:若信號(hào)同時(shí)加到同相輸入端和反相輸入端稱為雙端輸入;若信號(hào)僅從一個(gè)輸入端加入，稱為單端輸入。差分放大電路可以有兩個(gè)輸出端，一個(gè)是集電極C1，另一個(gè)是集電極c2。從C1和c2輸出稱為雙端輸出，僅從集電極C1或c2對(duì)地輸出稱為單端輸出

6、。2 .2.3.差模信號(hào)和共模信號(hào)差模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相反的信號(hào)；共模信號(hào)是指在兩個(gè)輸入端加上幅度相等，極性相同的信號(hào)。如圖所示。差分放大電路僅對(duì)差模信號(hào)具有放大能力，對(duì)共模信號(hào)不予放大。溫度對(duì)三極管電流的影響相當(dāng)于加入了共模信號(hào)。差分放大器是模擬集成運(yùn) 算放大電路輸入級(jí)所采用的電路形式。ajmMiHMagjMg jvjw vasasssasi I上厝若尺故華強(qiáng)3.多級(jí)放大電路的分析方法（圖見(jiàn)書P73 ）分析多級(jí)放大電路的基本方法是：化多級(jí)電路為單級(jí)，然后再逐級(jí)求解。化 解多級(jí)電路時(shí)要注意，后一級(jí)電路的輸入電阻作為前一級(jí)電路的負(fù)載電阻;或者， 將前一級(jí)輸出電阻作為后一級(jí)電

7、路的信號(hào)源內(nèi)阻。3.1輸入電阻和輸出電阻多級(jí)放大電路的輸入電阻就是第一級(jí)放大電路的輸入電阻，其輸出電阻就是 最后一級(jí)放大電路的輸出電阻。有時(shí)第一級(jí)的輸入電阻也可能與第二級(jí)電路有 關(guān)，最后一級(jí)的輸出電阻也可能與前一級(jí)電路有關(guān)，這就取決于具體電路結(jié)構(gòu)。R = U = R / R / r = R = U = R / r ，其中 R = R / R，為第一級(jí)的i I 1112 be1 i I 1 be111112等效偏流電阻。Ro= R02 = R 23.2電壓放大倍數(shù)苛凡工口小-1:|式中Au1、Au2.Aun :多級(jí)放大電路各級(jí)的電壓放大倍數(shù)。Au(dB)= Au1 (dB)+ Au2 (dB)+

8、 .+ Aun ( dB )注意：在計(jì)算每一級(jí)電壓放大倍數(shù)時(shí)，要把后一級(jí)的輸入電阻視為它的負(fù)載電 阻。胃=RAu 1 = 71，其中 R = R / R ，而 R = R / R / r，可見(jiàn)，R，be 1rL1c1i 2i 22122 be 2L1為Rc1、氣、與2、二2四個(gè)電阻并聯(lián)。RA 2 = T 2一2，其中 RL2 = R 2 Rlbe 2=Au1 Au 2=-P1VRL1rrbe1 八I-p 么2 rbe 2 J又有(-1) Au2七例題3-1補(bǔ)充例題三級(jí)放大電路如圖Z0225所示。計(jì)算該電路的Au、ri、ro。（略）圖L02B8三獺f大電路解：（1）電壓放大倍數(shù)按前述分析方法將三

9、級(jí)放大電路劃分為3個(gè)單級(jí)放大電路，如圖Z0226所示。圖Z0226多級(jí)放大電路劃給為單，電路由上圖可見(jiàn)，第一級(jí)電路和第三級(jí)電路為共集電極放大電路，其電壓放大倍 數(shù)為：Au1 = Au3-1,第二級(jí)電路為共射極放大電路，它的電壓放大倍數(shù)為Au2 = - 0(RC2iiri3)/rbe2總電壓放大倍數(shù)為：Au = Au1-Au2-Au3 喝輸入電阻第一級(jí)電路為射極輸出器，它的輸入電阻為：S二明+ 崗)勤故:專二 &L 二1 +(1 + 1)(虬 1 ”冬)明十(1十1 *膈)輸出電阻第三級(jí)電路為射極輸出放大電路則：由上例可以看出，分析多級(jí)放大電路的關(guān)鍵在于正確地劃分出各單級(jí)放大 電路。第二節(jié)放大電

10、路的頻率特性1.頻率響應(yīng)概述前面討論放大電路時(shí)，為了便于研究，都假定了輸入信號(hào)是單一頻率的正 弦波，而實(shí)際工作中所要放大的信號(hào)并不是單一頻率的正弦波。由于放大電路中 電抗元件的存在，放大電路對(duì)不同頻率分量的信號(hào)放大能力是不相同的，而且不 同頻率分量的信號(hào)通過(guò)放大電路后還會(huì)產(chǎn)生不同的相移。因此，衡量放大電路放 大能力的放大倍數(shù)也就成為頻率的函數(shù)。放大電路的電壓放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系稱為幅頻特性,輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位差與頻率之間的關(guān)系稱為相頻特性。兩者統(tǒng)稱頻率特性。晶體管PN結(jié)兩側(cè)電荷的分布使之具有一個(gè)附著的小電容，我們稱之為極間 電容或結(jié)電容。結(jié)電容、放電電路中耦合電容和旁路電容、電路聯(lián)線分布

11、電容， 這些使得實(shí)際放大電路的電壓放大倍數(shù)隨著頻率的變化而變化。在工業(yè)電子技術(shù) 中，最常用的是低頻放大電路，其頻率范圍約為2010000Hz。在分析放大電 路的頻率特性時(shí)，再將低頻范圍分為低、中、高三個(gè)頻段，分別求出各頻段中的 頻率特性，然后綜合求得完整的頻率特性。放大電路的頻率特性中有三項(xiàng)性能指標(biāo)，它們是:下限頻率在低頻段，放大電路的電壓放大倍數(shù)降到中頻段電壓放大倍數(shù)Avo的 0.707Av。時(shí)的頻率值叫做下限頻率fL,如圖(a)所示。引起低頻段電壓放大倍數(shù)下降的原因主要是輸入耦合電容、輸出耦合電 容和射極旁路電容，對(duì)低頻信號(hào)形成較大的衰減從而使電壓放大倍數(shù)下降。（2）上限頻率在高頻段，放大

12、電路的電壓放大倍數(shù)降到中頻段電壓放大倍數(shù)Avo的 0.707Avo時(shí)的頻率值叫做上限頻率fH，如圖（a）所示。引起高頻段電壓放大倍數(shù)下降的原因主要是三極管的極間電容和放大 電路的輸入電路和輸出電路的分布電容，將高頻信號(hào)旁路，從而使電壓放大 倍數(shù)下降。（3）通頻帶在頻率特性的中頻段，放大電路的各種電容對(duì)交流信號(hào)的影響均可以忽略， 因此電壓放大倍數(shù)Avo基本不變。這個(gè)頻率帶寬B = fH - fL，稱B為通 頻帶。放大電路的通頻帶越寬，即放大電路的頻率特性就越好。對(duì)于任一放大電路都有一確定的通頻帶，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須首先了解信號(hào) 的頻率范圍，以便使所設(shè)計(jì)的電路具有適應(yīng)于該信號(hào)頻率范圍的通頻帶；在使

13、用 電路前，應(yīng)查閱手冊(cè)、資料，或?qū)崪y(cè)其通頻帶，以便確定電路的適用范圍。三個(gè)特點(diǎn)：（1）中頻區(qū)：耦合電容（大電容）和結(jié)電容（小電容）均可忽略?？烧J(rèn)為增益 的大小和相位差不隨頻率變化。（2 ）低頻區(qū)：結(jié)電容（小電容）可以忽略。但耦合電容（大電容）不可忽略?？烧J(rèn)為增益的大小隨頻率減小而降低。(3)高頻區(qū)：耦合電容(大電容)可以略，結(jié)電容(小電容)不可忽略。可認(rèn) 為增益的大小隨頻率升高而降低。多級(jí)電路頻率特性的總帶寬小于各級(jí)電路的帶寬第三節(jié) 功率放大電路(OTL)觀看視頻前面討論的各種放大電路的主要任務(wù)是使負(fù)載上獲得盡可能大的不失真電壓 信號(hào)，它們的主要指標(biāo)是電壓放大倍數(shù)。而功率放大電路的主要任務(wù)則是

14、，在允 許的失真限度內(nèi)，盡可能高效率地向負(fù)載提供足夠大的功率。因此，功率放大電 路的電路形式、工作狀態(tài)、分析方法等都與小信號(hào)放大電路有所不同。1.對(duì)功率放大電路的基本要求功率要大 輸出功率Po = voio，要獲得大的輸出功率，不僅要求輸出電壓 高，而且要求輸出電流大。因此，晶體管往往工作在極限狀態(tài)，應(yīng)用時(shí)要考慮管 子的極限參數(shù)，注意管子的安全。效率要高 放大信號(hào)的過(guò)程就是晶體管按照輸入信號(hào)的變化規(guī)律，將直流電 源提供的能量轉(zhuǎn)換為交流能量的過(guò)程。其轉(zhuǎn)換效率為負(fù)載上獲得的信號(hào)功率和電 源供給的功率之比值，即：叮=魚一 100%式中：Po負(fù)載上獲得的信號(hào)功率；PV電源供給的功率。合理的設(shè)置功放電路

15、的工作狀態(tài) 在這里，我們主要討論三種功放電路：甲類、甲乙類、乙類。(略)叩：注沖+扣由于在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，晶體管要消耗一定的能量，從而造成了門下降。顯然， 要提高n，就要設(shè)法減小晶體管的損耗。而晶體管的損耗與靜態(tài)工作點(diǎn)密切相關(guān)。 圖2.9.1給出了晶體管的幾種工作狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的輸出波形。由圖可見(jiàn)，甲類狀態(tài)， iC始終存在，沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，直流電源供給的能量全部消耗在晶體管上，這 種狀態(tài)的效率很低；乙類狀態(tài)，沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，iC = 0，晶體管不消耗能量， 這種狀態(tài)的效率較高。這就指明了提高效率的途徑是降低靜態(tài)工作點(diǎn)。失真要小。甲類功放通過(guò)合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，非線性失真可以很小，但 它的效率低。

16、乙類狀態(tài)雖然效率高，但輸出波形卻只有半波波形。為了保存乙類 狀態(tài)高效率的優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)想讓兩個(gè)管子輪流工作在輸入信號(hào)的正半周和負(fù)半 周，并使負(fù)載上得到基本完整的輸出波形。三極管從甲類工作狀態(tài)改為乙類或甲 乙類工作狀態(tài)。此時(shí)雖降低了靜態(tài)工作電流，但依然還存在失真問(wèn)題，即交越失 真。如果不能解決乙類狀態(tài)下交越失真問(wèn)題，乙類工作狀態(tài)在功率放大電路中仍 不能采用。推挽電路和互補(bǔ)對(duì)稱電路較好地解決了乙類工作狀態(tài)下的失真問(wèn)題。 由于功率放大電路工作在大信號(hào)狀態(tài)，所以對(duì)功放電路的分析多采用圖解法。要 確定的主要性能指標(biāo)是po、pv、pt（損耗）和n。如何解決效率低的問(wèn)題？辦法：降低q點(diǎn)缺點(diǎn)：但又會(huì)引起截止失真

17、。既降低q點(diǎn)又不會(huì)引起截止失真的辦法：采用推挽輸出電路，或互補(bǔ)對(duì)稱設(shè)計(jì) 輸出器互補(bǔ)堆成：電路中采用兩支晶體管，NPN、PNP各一支；兩管特性一致?；パa(bǔ)對(duì)稱功放的類型：無(wú)輸出變壓器形式（OTL電路）和無(wú)輸出電容形式（OCL 電路）2互補(bǔ)功率放大電路（OCL）2.1電路組成它由一對(duì)NPN、PNP特性相同的互補(bǔ)三極管組成。電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由NPN型、PNP型三極管構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的射極輸出器對(duì)接而成。雙電源供電。輸入輸出端不加隔直電容2.2工作原理當(dāng)輸入信號(hào)處于正半周時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開(kāi)啟電壓，此時(shí)NPN型 三極管導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載Rl，按圖中方向由上到下，與假設(shè)正方向相同。當(dāng)輸入信號(hào)處于負(fù)半周

18、時(shí)，且幅度遠(yuǎn)大于三極管的開(kāi)啟電壓，此時(shí)PNP型三 極管導(dǎo)電，有電流通過(guò)負(fù)載Rl，按圖中方向由下到上，與假設(shè)正方向相反。T1、T2兩個(gè)晶體管都只在半個(gè)周期內(nèi)工作的方式，稱為乙類放大。于是兩個(gè)三極管一個(gè)正半周、一個(gè)負(fù)半周輪流導(dǎo)電，在負(fù)載上將正半周和負(fù) 半周合成在一起，得到一個(gè)完整的不失真波形。如圖2.9.3(a)所示。嚴(yán)格說(shuō)， 輸入信號(hào)很小時(shí)，達(dá)不到三極管的開(kāi)啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周 交替過(guò)零處會(huì)出現(xiàn)一些非線性失真，這個(gè)失真稱為交越失真如圖所示。為解決交越失真，可給三極管稍稍加一點(diǎn)偏置，使之工作在甲乙類。此時(shí)的 互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。3.單電源互補(bǔ)功率放大電路（OTL電路）單111漩。丁L r i.補(bǔ)以宰成k I仕哼、電路特點(diǎn):單電源供電；輸出加有大電容單電源互補(bǔ)功率放大電路如圖所示。當(dāng)電路對(duì)稱時(shí)，輸出端的靜態(tài)電位等于 VCC /2。為了使負(fù)載上僅獲得交流信號(hào)，用一個(gè)電容器串聯(lián)在負(fù)載與輸出端之間。 這種功率放大電路也稱為OTL( Output Transformerless).設(shè)輸入端在0.5UCC直流電平基礎(chǔ)上加入正