第三章第三章 多级放大电路多级放大电路13.1 多级放大电路多级放大电路 3.1.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式 常用的耦合方式有三种, 即阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。 1. 多级放大电路的组成多级放大电路的组成图2 29 多级放大电路组成的方框图信号源中间级输出级 负载输入级多级放大电路22.5.2 多级放大电路的指标计算多级放大电路的指标计算1. 电压放大倍数电压放大倍数由于则上式可写成加以推广到n级放大器3三级阻容耦合放大电路4图2 35 考虑前后级相互影响5 2. 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 一般说来, 多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻, 而输出电阻就是输出级的输出电阻。由于多级放大电路的放大倍数为各级放大倍数的乘积, 所以, 在设计多级放大电路的输入级和输出级时, 主要考虑输入电阻和输出电阻的要求, 而放大倍数的要求由中间级完成。 具体计算输入电阻和输出电阻时, 可直接利用已有的公式。但要注意, 有的电路形式, 要考虑后级对输入级电阻的影响和前一级对输出电阻的影响。 6图为三级放大电路。图2 36 例5三级阻容耦合放大电路7已知: 三极管的电流放大倍数均为=50。试求电路的静态工作点、 电压放大倍数、 输入电阻和输出电阻。 解解 图示放大电路, 第一级是射极输出器, 第二、 三级都是具有电流反馈的工作点稳定电路, 均是阻容耦合, 所以各级静态工作点均可单独计算。 8第一级: 9第二级: 10第三级: 11电压放大倍数: 第一级: 第一级是射极输出级, 其电压放大倍数12第二级: 13第三级:14输入电阻: 输入电阻即为第一级输入电阻15输出电阻: 输出电阻即为第三级的输出电阻ro=ro3=Rc3=3k16Home1. 直接耦合直接耦合 Next1 级级间间耦耦合合：多多级级放放大大电电路路的的每每一一个个基基本本放放大大电电路路称称为为一一级级；级级与与级级之之间间的的连连接接称称之之为为耦耦合合。多多级级放放大大电电路路有有四四种种基基本本耦耦合合方方式式：直直接接耦耦合合、阻阻容容耦耦合合、变变压压器器耦耦合和光电耦合。合和光电耦合。 将将前前一一级级的的输输出出用用导导线线直直接接连连接接到到后后一一级级的的输输入入端端的耦合方式，称之为的耦合方式，称之为直接耦合直接耦合。一、直接耦合放大电路静态工作点的设置一、直接耦合放大电路静态工作点的设置 例例3.1 计计算算图图3.13.1所所示示直直接接耦耦合合放放大大电电路路的的静静态态工工作作点点，并并在在输输出出特特性性曲曲线线上上标标出出该该静静态态工工作作点点，进进行行动动态态范范围围和和失失真真的的定定性性分分析析。计计算算放放大大电电路路的的电电压压放放大大倍倍数数、输输入入电电阻和输出电阻。阻和输出电阻。172HomeNextBack 已已知知：R Rs s=1.5k=1.5k ，R Rb1b1=20k=20k ，R Rc1c1=2.2k=2.2k ，R Rc2c2=720=720 ， V Vcccc=12V=12V， 1 1= = 2 2=50=50， T T1 1、T T2 2均为硅管。均为硅管。183HomeNextBack 从计算的过程可以看出，从计算的过程可以看出，直接耦合放大电路的静态工作直接耦合放大电路的静态工作点是相互影响的；从图中可以点是相互影响的；从图中可以看出，看出，T T1 1的静态工作点靠近饱的静态工作点靠近饱和区，容易产生饱和失真。和区，容易产生饱和失真。194HomeNextBack205HomeNextBack直接耦合放大电路的改进形式：直接耦合放大电路的改进形式： 问题：问题：Re2的接入将大大降低第二级的电压放大倍数，的接入将大大降低第二级的电压放大倍数，从而影响整个放大电路的放大能力。从而影响整个放大电路的放大能力。 问题：问题：DZ的接入将逐级抬高集电极的静态电位，使之的接入将逐级抬高集电极的静态电位，使之接近于电源电压，引起后级的静态工作点不合适。接近于电源电压，引起后级的静态工作点不合适。216二、直接耦合放大电路的优缺点二、直接耦合放大电路的优缺点 优优点点：具具有有良良好好的的低低频频特特性性，可可以以放放大大缓缓慢慢变变化化的的信信号；无大电容和电感，容易集成。号；无大电容和电感，容易集成。HomeNextBack 缺缺点点：静静态态工工作作点点相相互互影影响响，分分析析、计计算算、设设计计较较复复杂；存在零点漂移。杂；存在零点漂移。2. 阻容耦合阻容耦合 将将前前一一级级的的输输出出用用电电容容连连接接到到后后一一级级的的输输入入端端的的耦耦合方式，称之为合方式，称之为阻容耦合阻容耦合。 例例3.2 图图3.5所所示示阻阻容容耦耦合合放放大大电电路路，推推导导静静态态工工作作点点、电电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。227HomeNextBack 提提示示：（1 1）在在直直流流通通路路上上求求解解静静态态工工作作点点，此此时时电电容容相相当当于于开开路路；（2 2）在在微微变变等等效效电电路路上上求求解解交交流流参参数数，此此时时电电容容和和直直流流电电源源均均相相当当于短路于短路。 阻阻容容耦耦合合放放大大电电路路的的直直流流通通路路是是相相互互独独立立的的，电电路路的的分分析析、计计算算和和调调试试比比较较容容易易，是是分分立立元元件件放放大大电电路路的的主主要要耦耦合合方方式式。其其缺缺点点是是低低频频特特性性差差，不不能能放放大大缓缓慢慢变变化的化的 信号；由于耦合电容容量较大，所以不便于集成化。信号；由于耦合电容容量较大，所以不便于集成化。238HomeNextBack 提提示示：（1 1）在在直直流流通通路路上上求求解解静静态态工工作作点点，此此时时电电容容相相当当于于开开路路，电电感感相相当当于于短短路路；（2 2）在在微微变变等等效效电电路路上上求求解解交交流流参参数数，此此时时电电容容和和直直流流电电源源均均相相当当于于短短路路，变压器相当于阻抗变换器变压器相当于阻抗变换器。3. 变压器耦合变压器耦合 将将前前一一级级的的输输出出通通过过变变压压器器连连接接到到后后一一级级的的输输入入端端（或负载上）的耦合方式，称之为（或负载上）的耦合方式，称之为变压器耦合变压器耦合。 例例3.3 对对图图3.6所所示示放放大大电电路路进行静态和动态分析。进行静态和动态分析。249HomeNextBack 变变压压器器耦耦合合放放大大电电路路的的直直流流通通路路也也是是相相互互独独立立的的，电电路路的的分分析析、计计算算和和调调试试比比较较容容易易；可可以以实实现现阻阻抗抗变变换换，在在分分立立元元件件功功率率放放大大电电路路中中应应用用广广泛泛。其其缺缺点点是是低低频频特特性性差差，不不能能放放大大缓缓慢慢变变化化的的 信信号号；体体积积大大，而而且且非非常常笨笨重，不能集成化。重，不能集成化。4. 光电耦合光电耦合 光电耦合：光电耦合：以光信号为媒质来实现电信号的耦合与传递。以光信号为媒质来实现电信号的耦合与传递。2510HomeNextBack输出特性：输出特性：传输比：传输比： 光光电电耦耦合合放放大大电电路路的的最最大大优优点点是是可可以以实实现现输输入入回回路路和和输输出出回回路路的的电电气气隔隔离离，从从而而可可有有效效地地抑抑制制电电干干扰扰。但但其其放放大大能能力力较较差差，可可用用集成光电耦合放大器解决。集成光电耦合放大器解决。26特点：特点：结构对称。结构对称。3.9 差动放大电路差动放大电路ui1ui2uoRCR1T1RBRCR1T2RB3.9.1 3.9.1 差动放大电路的工作情况差动放大电路的工作情况27一一. 抑制零漂的原理抑制零漂的原理uo= UC1 - UC2 = 0当当 ui1 = ui2 =0 时：时：uo= (UC1 + uC1 ) - (UC2 + uC2 ) = 0当温度变化时：当温度变化时：+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui228二二. 输入信号分类输入信号分类(1)差模差模(differential mode)输入输入ui1 = -ui2= ud(2)共模共模( common mode) 输入输入ui1 = ui2 = uC任意输入的信号任意输入的信号 ui1 , ui2 ，都可分解成差模分，都可分解成差模分量和共模分量。量和共模分量。(3)比较比较 输入输入29ui1 = uC + ud ；ui2 = uC - ud例例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV则：则：ud = 5mV , uc = 15mV 差模分量差模分量:共模分量共模分量:ui1 = 15mV + 5mV ；ui2 = 15mV - 5mV30三三. 共模电压放大倍数共模电压放大倍数AC+UCCuoui1RCR1T1RBRCR1T2RBui2共模输入信号：共模输入信号： ui1 = ui2 = uC （大小相等，极性相同）（大小相等，极性相同）理想情况：理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0 共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：（很小，（很小，1)设设uC1 =UC1 + uC1 ， uC2 =UC2 + uC2 。因因ui1 = -ui2， uC1 =- uC2 uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2 uC1 差模电压放大倍数：差模电压放大倍数：+UCC32五五 . 共模抑制比共模抑制比(CMRR)的定义的定义例例: Ad=-200 Ac=0.1 KCMRR=20 lg (-200)/0.1 =66 dBCMRR Common Mode Rejection Ratio KCMRR =KCMRR (dB) =(分贝分贝)33为了使左右平衡，可为了使左右平衡，可设置调零电位器设置调零电位器: 3.9.2 典型差动放大电路（典型差动放大电路（长尾式差动放大电路长尾式差动放大电路 ）特点：特点：加入射极电阻加入射极电阻RE ；加入负电源；加入负电源 -UEE ，采用正负双电源供电。采用正负双电源供电。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE一、静态分析一、静态分析34双电源的作用：双电源的作用：（1）使信号变化幅度加大。）使信号变化幅度加大。（2）IB1、IB2由负电源由负电源-UEE提供。提供。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE35ICIE = 2ICUEUBEIBIC温度温度TRE的作用的作用 设设ui1 = ui2 = 0自动稳定自动稳定RE 具有强负反馈作用具有强负反馈作用 抑制温度抑制温度漂移，稳定静漂移，稳定静态工作点。态工作点。uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE36RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUEE二、动态分析二、动态分析37RE 对差模信号作用对差模信号作用ib2 , ic2 ui1 ui2ib1 , ic1ic1 = - ic2iRE = ie1+ ie2 = 0uRE = 0 RE对差模信号不起作用对差模信号不起作用RRuoui+UCCRCT1RBRCT2RBREUEEib2ib1ic2ic1iRE38差模信号通路差模信号通路T1单边微变单边微变等效电路等效电路uod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1RRuoui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E39单边差模放大倍数单边差模放大倍数:uod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib140即：总的差动电压放大倍数为：即：总的差动电压放大倍数为：差模电压放大倍数差模电压放大倍数:RRuodui1RCT1RBRCT2RBib2ib1ic2ic1ui2uod1uod2E若带负载，若带负载，RL中点电位为中点电位为 0, 所以放大倍数：所以放大倍数：41差放电路的几种接法差放电路的几种接法输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEE42双端输出：双端输出：Ad = Ad1单端输出：单端输出：对对Ad而言，双端输入与单端输入效果是一样的。而言，双端输入与单端输入效果是一样的。ud = 0.5ui , uc = 0双端输入：双端输入：ui1 = -ui2 =0.5uiud = 0.5ui , uc = 0.5ui 单端输入：单端输入：ui1 =-ui ，ui2 = 0双双(单单)端输入双端输出：端输入双端输出：Ad = Ad1双双(单单)端输入单端输出：端输入单端输出：43(1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEMIcuce3.10互补对称功率放大电路互补对称功率放大电路3.10.13.10.1对功率放大电路的基本要求对功率放大电路的基本要求44(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。波形失真。(3) 电源提供的能量尽可能地转换给负载，电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶体管及线路上的损失。即注意提以减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（高电路的效率（ ）。）。Pomax : 负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PE ： 电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。45uotuoibQicuceUSC46uo的取的取值范围值范围QIcuCEUSC直流负直流负载线载线交流负交流负载线载线UCEQ = 0.5USC 静态工作点：静态工作点：若忽略晶体管的饱和压降若忽略晶体管的饱和压降和截止区，输出信号和截止区，输出信号uo的的峰值最大只能为：峰值最大只能为：放大电路的输出没有失真的工作方式称为放大电路的输出没有失真的工作方式称为甲类放大甲类放大。47如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？办法：办法：降低降低Q点。点。既降低既降低Q点又不会引起截止失真的办法：点又不会引起截止失真的办法：采用采用互补对称射极输出电路。互补对称射极输出电路。缺点：缺点：但又会引起截止失真。但又会引起截止失真。48 互补对称功放的类型互补对称功放的类型 无输出变压器形式无输出变压器形式 （ OTL电路）电路）无输出电容形式无输出电容形式 （ OCL电路）电路）互补对称：互补对称：电路中采用两支晶体管，电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。各一支；两管特性一致。类型：类型：493.10.2 互补对称功放电路互补对称功放电路 一、特点一、特点1. 单电源供电；单电源供电；2. 输出加有大电容。输出加有大电容。二、静态分析二、静态分析 T1、T2 特性对称，特性对称，0.5USCRLuiT1T2+USCCAUL+-UC1.1.无输出变压器的乙类互补对称功放电路无输出变压器的乙类互补对称功放电路 50三、动态分析三、动态分析设输入端在设输入端在 0.5USC 直流电基础上加入正弦信号。直流电基础上加入正弦信号。若输出电容足够大，若输出电容足够大， UC基本保持在基本保持在0.5USC ，负，负载上得到的交流信号正载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交负半周对称，但存在交越失真。越失真。ic1ic2交越失真交越失真RLuiT1T2+USCCAUL+-时，时，T1导通、导通、T2截止；截止；时，时，T1截止、截止、 T2导通。导通。0.5USCuit两个晶体管都只在半个周期内工作，称为两个晶体管都只在半个周期内工作，称为乙类放大乙类放大。512. 无输出电容的乙类互补对称功放电路无输出电容的乙类互补对称功放电路一、工作原理（设一、工作原理（设ui为正弦波）为正弦波）电路的结构特点：电路的结构特点：ui-USCT1T2uo+USCRLiL1. 由由NPN型、型、PNP型三极型三极管构成两个对称的射极管构成两个对称的射极输出器对接而成。输出器对接而成。2. 双电源供电。双电源供电。3. 输入输出端不加隔直电输入输出端不加隔直电容。容。52ic1ic2动态分析：动态分析：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL= ic1 ;ui-USCT1T2uo+USCRLiLiL=ic2因此，不需要隔直电容。因此，不需要隔直电容。静态分析：静态分析：ui = 0V T1、T2均不工作均不工作 uo = 0V53乙类放大的输入输出波形关系乙类放大的输入输出波形关系:ui-USCT1T2uo+USCRLiL死区电压死区电压uiuououo tttt交越失真：交越失真：输入信号输入信号 ui在零点在零点前后，输出信号出现的失真为前后，输出信号出现的失真为交越失真。交越失真。交越失真交越失真54ui-USCT1T2uo+USCRLiL(1) 静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；(2) 每管导通时间等于半个周期每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。存在交越失真。 乙类放大的特点：乙类放大的特点：55交越失真产生的原因：交越失真产生的原因： 在于晶体管特性存在在于晶体管特性存在非线性，非线性，ui uT时晶体管截止。时晶体管截止。iBiBuBEtuitUT563.3.甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T2 静态时静态时 T1、T2两管发射结电位两管发射结电位分别为二极管分别为二极管D1、 D2的的正向导通压降，致使两管正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态。均处于微弱导通状态。克服交越失真的措施：克服交越失真的措施：57R1D1D2R2+USC-USCULuiiLRLT1T2两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为两管导通时间均比半个周期大一些的工作方式称为“甲乙类放大甲乙类放大” ” 。 动态时动态时 设设 ui 加入正弦信号。加入正弦信号。正半周，正半周， T2 截止，截止，T1 基极基极电位进一步提高，进入良电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周，好的导通状态；负半周，T1截止，截止，T2 基极电位进一基极电位进一步提高，进入良好的导通步提高，进入良好的导通状态。从而克服死区电压状态。从而克服死区电压的影响，去掉交越失真。的影响，去掉交越失真。58uB1tUTtiBIBQ甲乙类放大的波形关系：甲乙类放大的波形关系：ICQiCuBEiBib特点：特点：存在较小的静态存在较小的静态电流电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大每管导通时间大于半个周期，基于半个周期，基本不失真。本不失真。 iCQuceUSC /REUSCIBQ593.10.3 复合管复合管增加复合管的目的是：增加复合管的目的是：扩大电流的驱动能力。扩大电流的驱动能力。复合管的构成方式：复合管的构成方式：cbeT1T2ibicbecibic方式一：方式一：60becibic 1 2晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。方式二：方式二：cbeT1T2ibic复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效复合管构成方式很多。不论哪种等效方式，等效后晶体管的性能确定均如下：后晶体管的性能确定均如下：61