第第 3 章章 多级放大电路多级放大电路耦合方式 当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如当单级放大电路不能满足多方面的性能要求（如A Au u10104 4、R Ri i=2M=2M、 R Ro o=100=100）时，应考虑采用多级放大电）时，应考虑采用多级放大电路。组成多级放大电路时首先应考虑如何路。组成多级放大电路时首先应考虑如何“连接连接”几个几个单级放大电路，耦合方式即连接方式。单级放大电路，耦合方式即连接方式。 常见耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变常见耦合方式有：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合、光电耦合等。压器耦合、光电耦合等。信息学院电子系3.1.1 直接耦合直接耦合定义定义: 放大电路的输出端与另一个放大电路的输入端放大电路的输出端与另一个放大电路的输入端直接连接直接连接的耦合方式的耦合方式 既是第一级的集电极电阻，又既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻是第二级的基极电阻能够放大变化缓慢的信号，便于能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，集成化， Q点相互影响，存在零点相互影响，存在零点漂移现象。点漂移现象。 当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。变化会逐级放大。输入为零，输出输入为零，输出产生变化的现象产生变化的现象称为零点漂移称为零点漂移第二级第二级第一级第一级信息学院电子系如何设置合适的静态工作点？如何设置合适的静态工作点？Q1合适吗？合适吗？对哪些动态参对哪些动态参数产生影响？数产生影响？ 用什么元件取代用什么元件取代Re既可设置合适的既可设置合适的Q点，又可使第二级放大倍点，又可使第二级放大倍 数不至于下降太大？数不至于下降太大？若要若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？，则应怎么办？用多个二极管吗？二极管导通电压二极管导通电压UD？动态电阻？动态电阻rd？Re如何设置合适的静态工作点？如何设置合适的静态工作点？ UCEQ1太小太小加加Re（Au2数值数值）改用改用D若要若要UCEQ1大，则改用大，则改用DZ。稳压管稳压管伏安特性伏安特性小功率管多为小功率管多为5mA由最大功耗得出由最大功耗得出必要性？必要性？rzu /i，小功率管多为几欧至二十几欧。，小功率管多为几欧至二十几欧。问题问题: 随着级数的增加随着级数的增加, 后一级的后一级的UCEQ将趋于将趋于VCC信息学院电子系采用NPN型 + PNP型管混合使用T2在放大区时, T2管的集电极电位应低于T1管的集电极电位信息学院电子系2. 直接耦合方式的特点直接耦合方式的特点 由于级间是直接耦合, 电路对于低频信号(包括直流信号)均能放大.即具有良好的低频特性 电路中只有晶体管与电阻,没有大电容, 所以易于将全部元器件及连线制作在一片硅片上, 构成集成放大电路 直接耦合使得各级Q点互相影响,由于各级的放大作用, 第一级的Q点的微弱变化将使最后在输出端产生很大的变化. 影响Q点变化的因素很多, 最主要的因素是温度.由于环境温度的变化而引起工作点的漂移,通称为温温漂漂.它对直接耦合放大电路的影响是比较严重的.3.1.2 阻容耦合阻容耦合 Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。特性差，不能集成化。共射电路共射电路共集电路共集电路有零点漂移吗？有零点漂移吗？ 利用电容连接信号源与利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，后级、放大电路与负载，为阻容耦合。为阻容耦合。信息学院电子系3.1.3 变压器耦合变压器耦合从变压器原边看从变压器原边看到的等效电阻到的等效电阻 可能是实际的负载，也可能可能是实际的负载，也可能是下级放大电路是下级放大电路 理想变压器情况理想变压器情况下，负载上获得的下，负载上获得的功率等于原边消耗功率等于原边消耗的功率。的功率。信息学院电子系信息学院电子系 变压器耦合方式的特点: 靠磁路耦合, 低频特性差(与阻容耦合类似) 可实现阻抗变换阻抗变换, 用于分立元件功率放大电路.采用阻抗变换阻抗变换的原因实际系统的负载电阻较小电压放大倍数小负载上无法获得较大功率,通通过过阻阻抗抗变变换换改改变变负负载载电电阻阻的的大大小小, ,从从而而获获得得较大的功率较大的功率3.1.4 光电耦合光电耦合定义:以光信号为媒介信号的耦合和传递.由发光元件(光电二极管)与光敏元件(光电三极管)绝缘组合而成,抗干扰能力强光电耦合放大电路信息学院电子系3.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析1.1.电压放大倍数电压放大倍数2. 输入电阻输入电阻3. 输出电阻输出电阻对电压放大电路的要求：对电压放大电路的要求：Ri大，大， Ro小，小，Au的数值大，的数值大，最大不失真输出电压大。最大不失真输出电压大。信息学院电子系信息学院电子系例例3.2.1. 计算计算Q点与动态参数点与动态参数第一级电路形式第一级电路形式:典型的典型的Q点稳定电路点稳定电路第二级电路形式第二级电路形式:共集放大电路共集放大电路电路的耦合形式电路的耦合形式:阻容耦合阻容耦合,各级各级Q点独立点独立,可分别计算可分别计算 计算计算Q点点计算动态参数计算动态参数 ( (关键关键: :画交流等效电路图画交流等效电路图) )信息学院电子系讨论一讨论一 失真分析：由失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路型管组成的两级共射放大电路共射放共射放大电路大电路共射放共射放大电路大电路饱和失真？截止失真？饱和失真？截止失真？ 首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。 比较比较Uom1和和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。哪一级首先出现失真。 在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。信息学院电子系讨论二讨论二放大电路的选用放大电路的选用按下列要求组成两级放大电路：按下列要求组成两级放大电路：n Ri12k，Au 的数值的数值3000；n Ri 10M，Au的数值的数值300；n Ri100200k，Au的数值的数值150；n Ri 10M ，Au的数值的数值10，Ro100。共射、共射共射、共射共源、共射共源、共射共集、共射共集、共射共源、共集共源、共集3.3 直接耦合放大电路直接耦合放大电路直接耦合放大电路适于放大缓慢变化的信号直接耦合放大电路适于放大缓慢变化的信号. .而这一类信号而这一类信号在现实生活中是常见的在现实生活中是常见的. .如温度如温度, ,压力压力, ,长度长度, ,流量等信号流量等信号但直接耦合电路存在温漂但直接耦合电路存在温漂, ,从而可能导致电路性能变差从而可能导致电路性能变差, ,本本节主要讨论相关解决的方法节主要讨论相关解决的方法v3.3.1 零点漂移现象零点漂移现象v3.3.2 差分放大电路差分放大电路v3.3.3 直接耦合互补输出级直接耦合互补输出级v3.3.4 直接耦合多级放大电路直接耦合多级放大电路信息学院电子系3.3.1 零点漂移现象零点漂移现象 定义定义: 输入电压为0时,输出电压不为0且缓慢变化的现象 测试电路输出电压产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性 对温度敏感是主要原因，故也称零漂为对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂温漂。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：典型电路： 差分放大电路差分放大电路信息学院电子系零输入零输入零输出零输出若若V与与UC的变的变化一样，则化一样，则输出电压就输出电压就没有漂移没有漂移信号特点？信号特点？能否放大？能否放大？零点零点漂移漂移参数理想对称：参数理想对称：Rb1= Rb2，Rc1= Rc2， Re1= Re2;T1、T2在任何温度下特在任何温度下特性均相同。性均相同。3.3.2 3.3.2 差分放大电路差分放大电路1. 1. 电路的组成电路的组成信息学院电子系信息学院电子系 共模信号：大小相同，极性相同的信号，即：uI1= uI2iB1= iB2iC1= iC2uC1= uC2uO= 0 差模信号：大小相同，极性相反的信号，即：uI1= - uI2iB1= -iB2iC1= -iC2uC1= -uC2uO= 2uC1 不能放大共模信号 可以放大差模信号信息学院电子系 电路中由于发射极电路的存在,将导致电压放大倍数下降, 需要对电路进行改进. 解决方法:两电阻合并 对于差模信号, T1(T2)管的发射极电流大小相等,方向相反, 流入Re的动态电流为0,交流等效电路中可视为短路,因此合并后, 电压放大倍数增加信息学院电子系 为使电源与信号源“共地”, 进一步简化电路,如右上图. 由于电路象拖了个尾巴,故又称长尾式差分放大电路 只有当两个输入端有差别时,输出电压才有变动. 该电路也称为差动放大电路Q点：令点：令u uI1I1= = u uI2I2=0=02. 2. 长尾式差分放大电路的性能长尾式差分放大电路的性能 (Q (Q点与动态分析点与动态分析) )信息学院电子系信息学院电子系差分电路对共模信号起抑制作用差分电路对共模信号起抑制作用电路采用了两种抑制方法温度补偿温度补偿(电路的对称性电路的对称性)射极电阻的负反馈射极电阻的负反馈(交流负反馈交流负反馈)为描述电路对共模信号的抑制能力,引入新参数共模放大倍数理想情况下理想情况下, Ac为为0 动态分析 (包括共模信号与差模信号下的动态分析) 输入为共模信号时的动态分析共模输入共模输入 为什么？为什么？ 输入为差模信号时的动态分析差模放大倍数差模放大倍数差分电路的电压放大能力只相差分电路的电压放大能力只相当于单管当于单管. 另一只用于补偿温另一只用于补偿温漂漂输入输入( (出出) )电阻均是单管共射电路的两倍电阻均是单管共射电路的两倍信息学院电子系共模抑制比共模抑制比KCMR共模抑制比共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力综合考察差分放大电路放大差模信号的能力 和抑制共模信号的能力。和抑制共模信号的能力。 在实际应用时，信号源需要有在实际应用时，信号源需要有“ 接地接地”点，以避免干扰；或点，以避免干扰；或负载需要有负载需要有“ 接地接地”点，以安全工作。点，以安全工作。 根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法： 双端输入双端输出、双端输入单端输出、双端输入双端输出、双端输入单端输出、 单端输入双端输出、单端输入单端输出。单端输入双端输出、单端输入单端输出。信息学院电子系信息学院电子系3. 差分放大电路的四种接法及相应特点差分放大电路的四种接法及相应特点左图中输入(出)端均没有接“地”点. 称为双端输入双端输入双端输出电路双端输出电路为防止干扰, 常将信号源(或负载电阻)的一端接地. 根据输入(出)端接地情况的不同, 差分电路有四种接法 双端输入 单端输入 双端输出电路 单端输出电路(1).(1).双端输入单端输出：双端输入单端输出：Q点分析点分析由于输入回路没有变化，所以由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一与双端输出时一样。但是样。但是UCEQ1 UCEQ2。信息学院电子系(1).(1).双端输入单端输出：差模信号作用下的分析双端输入单端输出：差模信号作用下的分析信息学院电子系(1).(1).双端输入单端输出：共模信号作用下的分析双端输入单端输出：共模信号作用下的分析信息学院电子系(1).(1).双端输入单端输出：问题讨论双端输入单端输出：问题讨论（1）T2的的Rc可以短路吗？可以短路吗？（2）什么情况下）什么情况下Ad为为“”？（3）双端输出时的）双端输出时的Ad是单端输出时的是单端输出时的2倍吗？倍吗？（4）Re与共模抑制比与共模抑制比, , 共模放大倍数的关系共模放大倍数的关系？ 增大Re是改善共模抑制比的基本措施信息学院电子系（2 2）. .单端输入双端输出单端输入双端输出共模输入电压共模输入电压差模输入电压差模输入电压 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入： 在输入信号作用下发射极在输入信号作用下发射极的电位变化吗？说明什么？的电位变化吗？说明什么？信息学院电子系（2 2）. .单端输入双端输出单端输入双端输出差模输出差模输出共模输出共模输出问题讨论：问题讨论：如何减小共模输出电压？如何减小共模输出电压？信息学院电子系信息学院电子系 对于单端输出电路, 通常省略不输出信号一边的Rc 分析方法:将将单端输入单端输入等等 效为效为双端输入双端输入, 其余分其余分析析 方法与双端输入单端输方法与双端输入单端输 出相同出相同.(3). 单单端输入单单端输出电路4.4.四种接法的比较：电路参数理想对称条件下四种接法的比较：电路参数理想对称条件下输入方式：输入方式： Ri均为均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，单端输入；双端输入时无共模信号输入，单端输入 时有共模信号输入。时有共模信号输入。输出方式：输出方式：Q点、点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。均与之有关。信息学院电子系信息学院电子系5. 改进型差分放大电路改进型差分放大电路 对射极电阻Re的改进-恒流源电路恒流源电路增大增大Re 可以抑制温漂可以抑制温漂, 提高提高共模抑制比共模抑制比Re 增大是受限制的 VEE限制 集成电路中,不易制造大阻值通常采用恒流源电路替代通常采用恒流源电路替代Re 交流等效电阻无穷大恒流源特点 具有恒流源的差分放大电路具有恒流源的差分放大电路等效电阻等效电阻为无穷大为无穷大近似为近似为恒流恒流信息学院电子系1) RW取值应大些？还是小些？取值应大些？还是小些？2) RW对动态参数的影响？对动态参数的影响？3) 若若RW滑动端在中点，写出滑动端在中点，写出 Ad、Ri的表达式。的表达式。加调零电位器加调零电位器RW信息学院电子系5.5.场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路信息学院电子系信息学院电子系例例3.3.1 (P167), 求求Q点与动态分析点与动态分析注意事项注意事项: Q点分析时点分析时, Re上流过上流过 2IE 电流电流 直流表测得的输出电压包括交直流表测得的输出电压包括交(直直)流量流量,需要减去需要减去直流量才能得到交流量直流量才能得到交流量需要分清差分电路的接法需要分清差分电路的接法, 以选用相关公式以选用相关公式讨论一讨论一若若uI1=10mV，uI2=5mV，则，则uId=？ uIc=？uId=5mV ，uIc=7.5mV差模信号等于两输入信号的差模信号等于两输入信号的差差，差模信号等于两输入信号的差模信号等于两输入信号的平均值平均值信息学院电子系讨论二讨论二1、uI=10mV，则，则uId=? uIc=? 2、若、若Ad=102、KCMR103 用直流表测用直流表测uO ，uO=?uId=10mV ，uIc=5mVuO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1=?=?=?信息学院电子系3.3.3 直接耦合互补输出级直接耦合互补输出级 差分放大电路可抑制温漂差分放大电路可抑制温漂, 常用在多级放大电路的输入级常用在多级放大电路的输入级 多级放大电路通常分为三级多级放大电路通常分为三级: 输入级输入级 (差分放大电路差分放大电路,抑制温漂抑制温漂) 中间级中间级 (共射放大电路或复合管共射放大电路或复合管,放大放大) 输出级输出级 (OCL, 互补输出电路互补输出电路, 要求要求Ro低低, Uom大大) 共集电路满足共集电路满足Ro低低, 缺点缺点:静态时静态时 uo 0, 引入引入RL后后,Q点改变点改变信息学院电子系对输出级的要求对输出级的要求 互补输出级是直接耦合的功率放大电路。互补输出级是直接耦合的功率放大电路。 对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。最大不失真输出电压最大。射极输出形式射极输出形式静态工作电流小静态工作电流小输入为零时输出为零输入为零时输出为零 双电源供电时双电源供电时Uom的峰的峰值接近电源电压。值接近电源电压。 单电源供电单电源供电Uom的峰值的峰值接近二分之一电源电压。接近二分之一电源电压。信息学院电子系基本电路基本电路静态时静态时T1、T2均截止，均截止，UB= UE=01. 特征：特征：T1、T2特性理想对称。特性理想对称。2. 静态分析静态分析T1的输入特性的输入特性理想化特性理想化特性信息学院电子系动态分析动态分析 ui正半周，电流通路为正半周，电流通路为 +VCCT1RL地，地， uo = ui 两只管子交替工作，两路两只管子交替工作，两路 电源交替供电，双向跟随。电源交替供电，双向跟随。 ui负半周，电流通路为负半周，电流通路为 地地 RL T2 -VCC， uo = ui信息学院电子系交越失真交越失真消除失真的方法：消除失真的方法：设置合适的静态工作点。设置合适的静态工作点。信号在零附近信号在零附近两只管子均截止两只管子均截止开启开启电压电压信息学院电子系消除交越失真的互补输出级消除交越失真的互补输出级n对偏置电路的要求：有合适的对偏置电路的要求：有合适的Q Q点，且动态电阻尽可能点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。小，即动态信号的损失尽可能小。n如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因而消除了交越失真。而消除了交越失真。n二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个0.60.60.8V0.8V的直流电池，对交流信号的作用可等效为一的直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。个数值很小的动态电阻。信息学院电子系消除交越失真的互补输出级消除交越失真的互补输出级信息学院电子系准互补输出级准互补输出级 为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。信息学院电子系3.3.4 多级放大电路多级放大电路 多级放大电路通常分为三级多级放大电路通常分为三级: 输入级输入级 (差分放大电路差分放大电路,抑制温漂抑制温漂,增大共模抑制比增大共模抑制比) 中间级中间级 (共射放大电路或复合管共射放大电路或复合管,放大放大) 输出级输出级 (OCL, 互补输出电路互补输出电路, 保证保证Ro低低, Uom大大) 信息学院电子系1.1.多级放大电路的读图方法多级放大电路的读图方法（1）化整为零：按信号流通顺序将化整为零：按信号流通顺序将N级放大电路分为级放大电路分为 N个基本放大电路。个基本放大电路。（2）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有）识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有 何特点。何特点。（3）统观总体：分析整个电路的性能特点。）统观总体：分析整个电路的性能特点。（4）定量估算：必要时需估算主要动态参数。）定量估算：必要时需估算主要动态参数。信息学院电子系2. 2. 例题例题第一级：双端输入单端输出的差放第一级：双端输入单端输出的差放第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第二级：以复合管为放大管的共射放大电路第三级：准互补输出级第三级：准互补输出级动态电阻无穷大动态电阻无穷大（1 1）化整为零，识别电路）化整为零，识别电路信息学院电子系（2 2）基本性能）基本性能 输入电阻为输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电阻很小、最大、电压放大倍数较大、输出电阻很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。不失真输出电压的峰值接近电源电压。信息学院电子系（3 3）判断电路的同相输入端和反相输入端）判断电路的同相输入端和反相输入端接法接法输入输入输出输出相位相位共射共射bc反相反相共集共集be同相同相共基共基ec同相同相整个电路可等效为一整个电路可等效为一个双端输入单端输出个双端输入单端输出的差分放大电路。的差分放大电路。同相同相输入端输入端反相反相输入端输入端信息学院电子系（4 4）交流等效电路）交流等效电路可估算低频小信可估算低频小信号下的电压放大号下的电压放大倍数、输入电阻、倍数、输入电阻、输出电阻等输出电阻等信息学院电子系例例3.3.2 多级放大电路举例多级放大电路举例 (P170)输入级输入级中间级中间级输出级输出级 T1, T2 PNP构成差放 (双入单出) T3, T4 共射, 复合管 OCL电路, 包括倍增电路信息学院电子系 耦合方式耦合方式 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合 光电耦合 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻信息学院电子系差分放大电路的差分放大电路的Q点点(动态动态)分析分析 采用差分电路的原因 差分电路的组成,不同接法下的动态参数 OCL电路产生原因与组成