第3章 多级放大电路,3.1 多级放大电路概述 3.2 多级放大电路的动态分析 3.3 直接耦合多级放大电路,3.1.1 耦合形式,3.1.2 零点漂移,3.1 多级放大电路概述,问题提出 前面所述的单管放大电路，在实际运用中各 项性能指标很难满足要求，所以需要采用多级放 大电路，来满足实际要求。,多级放大器级间耦合的条件是把前级的输出 信号尽可能多地传给后级，同时要保证前后级晶体管均处于放大状态，实现不失真的放大。,3.1.1 耦合形式,多级放大电路的连接，产生了单元电路间的级联问题，即耦合问题。放大电路的级间耦合必须要保证信号的传输，且保证各级的静态工作点正确。,耦合电路采用直接连接或电阻连接， 不采用电抗性元件。,级间采用电容或变压器耦合。,电抗性元件耦合，只能传输交流信号， 漂移信号和低频信号不能通过。,直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而 缓慢变化的漂移信号也可以通过直接耦合放大电路。,直接耦合,电抗性元件耦合,根据输入信号的性质，就可决定级间耦合电路的形式。,耦合电路的简化形式如图07.01所示。,直接耦合或电阻耦合使各放大级的工作点互相影响，应认真加以解决；阻容耦合使前后级相对独立，静态工作点Q互不影响，可抑制温漂；变压器耦合可实现阻抗变换（不常用）。,(a)阻容耦合 (b)直接耦合 (c)变压器耦合 图07.01 耦合电路的形式,3.1.2 零点漂移,零点漂移,是三极管的工作点随时间而 逐渐偏离原有静态值的现象。 产生零点漂移的主要原因是温度的影响， 所以有时也用温度漂移或时间漂移来表示。 工作点参数的变化往往由相应的指标来衡量。,一般将在一定时间内，或一定温度变化 范围内的输出级工作点的变化值除以放大倍数， 即将输出级的漂移值归算到输入级来表示的。 例如 V/C 或 V/min 。,3.2 多级放大电路的动态分析,1.多级放大电路的构成可用如下方框图表示：,2.多级放大电路的放大倍数：,3.输入电阻与输出电阻：,Ri = Ri1 , Ro = Rno,?,?,4. 多级放大电路电压放大倍数的计算,在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。,输入电阻法,开路电压法,一是将后一级的输入电阻作为前一级的 负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级 集电极负载电阻并联。,二是将后一级与前一级开路，计算前 一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并 将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用 到后一级的输入端。,现以图07.05的两级放大电路为例加以说明，三极管的参数为:,1=2=100，VBE1=VBE2=0.7 V。计算总电压 放大倍数。 用输入电阻法 计算。,图07.05 两级放大电路计算例,用输入电阻法求电压增益,（1）求静态工作点,（2）求电压放大倍数,先计算三极管的输入电阻,电压增益,如果求从VS算起的电压增益，需计算第一级的输入电阻,Ri1 =rbe1 / Rb1 / Rb2 =3.1/51/20 =3.1/14.4=2.55 k,对于多级放大电路可认为：前级是后级的信号源，后级是前级的负载。 多级放大器可使放大倍数提高，但是靠牺牲 通频带来实现的。通频带将在频率响应中介绍。,3.3 直接耦合多级放大电路,3.3.1 复合管放大电路 3.3.2 差分放大电路 3.3.3 直接耦合互补输出级 3.3.4 直接耦合多级放大电路,3.3.1 复合管放大电路,一、复合管（Dartington管）,（一）、为什么要组成复合管？ 1、用以提高输入电阻和电流放大系数。 2、在电路结构有时需要组合器件。（运放输出级）,等效后的型号：与第一管型号相同 等效后的参数：,条件：1）使各管均能处于放大状态，满足三极管Q 点合适条件；2）FET+BJT，应特别注意分析UGS的正负和 IG=0的情况。 注意：必须使各管均处于正常的工作状态才能组成 复合管。,由复合管组成的放大电路见书中113页说明,3.3.2 差分放大电路,3.3.2.1 概述 3.3.2.2 差分放大电路的静态计算 3.3.2.3 差分放大电路的动态计算,3.3.2.1 概述,一、 差分放大电路的组成 二、 差分放大电路的输入和 输出方式 三、 差模信号和共模信号,一、 差分放大电路的组成,差分放大电路是由对称的两个基本放大电路， 通过射极公共电阻耦合构成的。如图06.01所示。 对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数 对应相等。,即：1=2= VBE1=VBE2= VBE rbe1= rbe2= rbe ICBO1=ICBO2= ICBO RC1=RC2= RC Rb1=Rb2= Rb,图06.01差分放大电路,二、 差分放大电路的 输入和输出方式,差分放大电路一般有两个输入端： 同相输入端， 反相输入端。,信号的输入方式：若信号同时加到同相输入 端和反相输入端，称为双端输入； 若信号仅从 一个输入端对地加入，称为单端输入。,差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。 从C1 和C2输出称为双端输出，仅从集电极 C1或C2 对地输出称为单端输出。,根据规定的正方向，在一个 输入端加上一定极性的信号，如 果所得到的输出信号极性与其相 同，则该输入端称为同相输入端。,反之，如果所得到的输出 信号的极性与其相反，则该输 入端称为反相输入端。,图06.02共模信号和差模信号示意图,三、 差模信号和共模信号,差分放大电路仅对差模信号具有放大能力，对共模信号不予放大。,温度对三极管电流的影响相当于加入了共模 信号。差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的电路形式。,差模信号 共模信号,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相反 的信号。,是指在两个 输入端加上幅度 相等，极性相同 的信号。,图06.03双电源差分放大电路,3.3.2.2 差分放大电路的静态计算,差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电 路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端 基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源VEE。,由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，只有2 Re 才能获得相同的电压降。,如图06.03所示。由于接入负电源， 所以偏置电阻Rb可以取消，改为VEE 和Re提供基极偏置电流。基极电流为:,3.3.2.3 差分放大电路的动态计算,一、差模状态动态计算 二、共模状态动态计算 三、恒流源差分放大电路 四、差分放大电路的传输特性,一、 差模状态动态计算,差分放大电路的差模工作状态分为四种: 1. 双端输入、双端输出（双-双） 2. 双端输入、单端输出（双-单） 3. 单端输入、双端输出（单-双） 4. 单端输入、单端输出（单-单） 主要讨论的问题有： 差模电压放大倍数 差模输入电阻 输出电阻,图06.04双端输入双端输出,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入差放电路如图06.04所示。负载电阻接在两集电极之间。vi 接在两输入端之间，也可看成 vi /2各接在两输入端与地之间。,这种方式适用于 双端输入和双端输出， 输入、输出均不接地 的情况。,双端输入双端输出差模电压放大倍数,(1)差模电压放大倍数Avd,双端输入单端输出差模电压放大倍数,这种方式适用于将 差分信号转换为单端输出 的信号。,双端输入单端输出因只利 用了一个集电极输出的变化量， 所以它的差模电压放大倍数是 双端输出的二分之一。,图06.05双端输入单端输出,单端输入双端输出差模电压放大倍数,单端输入信号可以转换为双端输入，其转换过程见图06.06。右侧的Rs+rbe归算到发射极回路的值(Rs+rbe) /(1+) Re，故 Re 对 Ie 分流极小，可忽略，于是有,这种方式用于将单 端信号转换成双端差分 信号, 可用于输出负载 不接地的情况。,图06.06 单端输入转换为 双端输入,vi1 = vi2 = vi /2,单端输入单端输出,通过从 T1 或 T2 的集电极输出，可以得到输出与输入之间或电位反相或电位同相的关系。从T1的基极输入信号，从C1 输出，为反相；从C2 输出为同相。,(2)差模输入电阻,不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻Rid是基本放大电路的两倍。,(3)输出电阻,输出电阻在 单端输出时， 双端输出时，,二、 共模状态动态计算,问题引出 前面已经介绍差放电路抑制温漂的原理，在理想情况下温漂应为零，但实际电路的器件和参数很难完全对称，因此达不到预期的结果。 怎样来衡量实际效果呢？,因此提出了共模信号的概念，由于温漂的变化作用于电路的两部分，且T1、T2的 变化相同，可看作在两个输入端同时输入一对极性相同、幅值相同的信号的结果。 于是引入共模电压放大倍数来衡量放大电路抑制温漂的能力。,计算共模放大倍数Avc的微变等效电路，如图 06.08 所示。其中Re用2Re等效，这与差模时不同。 Avc的大小，取决于差分电路的对称性，双端输出 时可以认为等于零。 单端输出时为,图06.08 共模微变 等效电路,(1) 共模放大倍数Avc,(2)共模抑制比,共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。,，或,双端输出时KCMR可认为等于无穷大，单端输出时共模抑制比,三、 恒流源差分放大电路,为了提高共模抑制比应加大Re 。但Re加大后，为保证工作点不变，必须提高负电源，这是不经济的。为此可用恒流源T3来代替Re 。 恒流源动态电阻大，可提高 共模抑制比。同时恒流源的 管压降只有几伏，可不必提 高负电源之值。这种电路称 为恒流源差分放大电路，电 路如图06.09所示。,恒流源电流数值为 IE =(VZ - VBE3 )/ Re,图06.09恒流源差分放大电路,四、差分放大电路的传输特性,差分放大器的四种典型电路，可看书中238页 表 6.2.1，加以比较应用。由BJT组成的差分电路对 共模输入信号有相当强的抑制能力，但它的Ri较低，因此在高输入阻抗的模拟集成电路中，常采用FET构成的差分电路，Rid大、输入偏置电流很小，书中237页有介绍，大家自学。,由差分放大电路的特性曲线可知： （1）输入信号只有在很小的范围内(Uid)，输出与输入有线性关系； （2）当输入信号幅值过大时，输出会产生失真，Uod趋于饱和值（Uom）。,3.3.3 直接耦合互补输出级,一、电路组成 乙类互补功率放大电路如图17.02所示。它由 一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这 种电路也称为OCL互补功率放大电路。,图17.02 乙类互补功率放大电路及波形,二、工作原理,当输入信号处于正半周时，且 幅度远大于三极管的开启电压，此 时NPN型三极管导电，有电流通过 负载RL，按图中方向由上到下，与 假设正方向相同。,当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负 载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。,严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图17.03所示。,图17.03 交越失真,为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图17.04所示。也称为OCL电路，有关计算在 第九章介绍。,(a)利用二极管提供偏置电压 (b)利用三极管恒压源提供偏置 图17.04 甲乙类互补功率放大电路,3.3.4 直接耦合多级放大电路,直接耦合多级放大电路常用差分放大电路作为输入级，可减小电路的温漂，提高共模抑制比；输出级一般采用OCL电路，以提高整个电路的带负载能力，为得到更高的电压放大倍数往往采用共射放大电路作为中