华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
第三章 多级放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
第三章 多级放大电路
§ 3.1 多级放大电路的耦合方式
§ 3.2 多级放大电路的动态分析
§ 3.3 差分放大电路
§ 3.4 互补输出级
§ 3.5 直接耦合多级放大电路读图华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 3.1 多级放大电路的耦合方式一、直接耦合二、阻容耦合三、变压器耦合华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、直接耦合既是第一级的集电极电阻,
又是第二级的基极电阻能够放大变化缓慢的信号,便于集成化,Q点相互影响,存在零点漂移现象。
当输入信号为零时,前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。
第二级第一级
Q1合适吗?
直接连接输入为零,输出产生变化的现象称为零点漂移求解 Q点时应按各回路列多元一次方程,然后解方程组。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
如何设置合适的静态工作点?
对哪些动态参数产生影响?
用什么元件取代 Re既可设置合适的 Q点,又可使第二级放大倍数不至于下降太多?
若要 UCEQ= 5V,则应怎么办?用多个二极管吗?
二极管导通电压 UD≈?动态电阻 rd特点?
Re
必要性?
稳压管伏安特性
UCEQ1太小 →加 Re( Au2数值 ↓) →改用 D→若要 UCEQ1大
,则改用 DZ。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
NPN型管和 PNP型管混合使用在用 NPN型管组成 N级共射放大电路,由于 UCQi> UBQi,
所以 UCQi> UCQ(i-1) ( i=1~ N),以致于后级集电极电位接近电源电压,Q点不合适。
UCQ1 ( UBQ2 ) > UBQ1
UCQ2 < UCQ1
UCQ1 ( UBQ2 ) > UBQ1
UCQ2 > UCQ1
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、阻容耦合
Q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。
共射电路 共集电路有零点漂移吗?
利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载,为阻容耦合。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
可能是实际的负载,也可能是下级放大电路三、变压器耦合
L2'L2c21 RIRIPP l,
理想变压器情况下,负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,实现了阻抗变换。L2
2
1
L2
c
2
'
L )( RN
NR
I
IR l
从变压器原边看到的等效电阻华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论:两级直接耦合放大电路选择合适参数使电路正常工作 电位高低关系华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
从 Multisim,参数扫描”
结果分析两级放大电路 Q点的相互影响。
R1取何值时 T2工作在饱和区?
uC1
uC2
T2工作在放大区华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 3.2 多级放大电路的动态分析二、分析举例一、动态参数分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、动态参数分析
1.电压放大倍数

n
j
uj
n
u AU
U
U
U
U
U
U
UA
1i
o
i2
o2
i
o1
i
o
2,输入电阻
i1i RR?
3,输出电阻
nRR oo?
对电压放大电路的要求,Ri大,Ro小,Au的数值大,最大不失真输出电压大。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
)])(1([ L622be5i2 RRrRR ∥∥
21
L62b e 2
L62
2
1be
i23
1
)( ) 1(
)( ) 1(
)(
uuu
u
u
AAA
RRr
RR
A
r
RR
A



∥+
∥+

b e 121i rRRR ∥∥?


1
b e 2536o rRRRR ∥∥
二、分析举例华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论 一失真分析:由 NPN型管组成的两级共射放大电路共射放大电路共射放大电路iu ou
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。
比较 Uom1和 Uim2,则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。
在前级均未出现失真的情况下,多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
讨论二:放大电路的选用
1,按下列要求组成两级放大电路:
① Ri= 1~ 2kΩ,Au的数值 ≥3000;
② Ri ≥ 10MΩ,Au的数值 ≥300;
③ Ri= 100~ 200kΩ,Au的数值 ≥150;
④ Ri ≥ 10MΩ,Au的数值 ≥10,Ro≤100Ω。
① 共射、共射;②共源、共射;
③共集、共射;④共源、共集。
2,若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻和空载电压放大倍数,则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数?
注意级联时两级的相互影响!
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 3.3 差分放大电路一、零点漂移现象及其产生的原因二、长尾式差分放大电路的组成三、长尾式差分放大电路的分析四、差分放大电路的四种接法五、具有恒流源的差分放大电路六、差分放大电路的改进华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、零点漂移现象及其产生的原因
1,什么是零点漂移现象,ΔuI= 0,ΔuO≠0的现象。
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,故也称零漂为温漂。
克服温漂的方法:引入直流负反馈,温度补偿。
典型电路:差分放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
零点漂移 零输入零输出理想对称二、长尾式差分放大电路的组成信号特点?
能否放大?
共模信号:大小相等,极性相同。
差模信号:大小相等,极性相反,
信号特点?能否放大?
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
典型电路
0
2CQ1CQO
CQ2CQ1CQ
EQ2EQ1EQ
CQ2CQ1CQ
BQ2BQ1BQ





UUu
UUU
III
III
III
在理想对称的情况下:
1,克服零点漂移;
2,零输入零输出;
3,抑制共模信号;
4,放大差模信号。
R R
R
R t
+ V CC
u
I
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
三、长尾式差分放大电路的分析
e
B E QEE
EQ 2 R
UVI
1
EQ
BQ
II
0
2CQ1CQO
CQ2CQ1CQ
EQ2EQ1EQ
CQ2CQ1CQ
BQ2BQ1BQ





UUu
UUU
III
III
III
Rb是必要的吗?
1,Q点,
eEQB E QBQEE 2 RIURIV b
晶体管输入回路方程:
通常,Rb较小,且 IBQ很小,故
B E QcCQCCC E Q URIVU 选合适的 VEE和 Re就可得合适的 Q
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,抑制共模信号
0 )()( C2C Q 2C1C Q 1C2C1O uuuuuuu
0 c
Ic
Oc
c
A
u
uA,参数理想对称时共模放大倍数
C21C
C21C
B21B
uu
ii
ii



共模信号:数值相等、极性相同的输入信号,即
IcI2I1 uuu
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,抑制共模信号,Re的共模负反馈作用
0
c
Ic
Oc
c

A
u
uA
参数理想对称时共模放大倍数
Re的共模负反馈作用:温度变化所引起的变化等效为共模信号对于每一边电路,Re=?
如 T(℃ )↑→IC1↑ IC2 ↑→UE↑→ IB1 ↓IB2 ↓→ IC1 ↓ IC2 ↓
抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,放大差模信号
C1O
C21C
C21C
B21B
2 uu
uu
ii
ii




△ iE1=-△ iE2,Re中电流不变,即 Re 对差模信号无反馈作用。
2/IdI2I1 uuu
差模信号:数值相等,极性相反的输入信号,即

-2
Idu

-2
Idu
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
)(2 bebBId rRiu
为什么?
差模信号作用时的动态分析
beb
L
c
d
)
2
(
rR
RR
A

∥?
差模放大倍数
Id
Od
d u
uA

)2(2 LcCOd RRiu ∥
2 )(2 cobebi RRrRR,
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
4,动态参数,Ad,Ri,Ro,Ac,KCMR
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和抑制共模信号的能力。
。下,在参数理想对称的情况
C M R
c
d
C M R
K
A
A
K
在实际应用时,信号源需要有,接地”点,以避免干扰;或负载需要有,接地”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: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。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
四、差分放大电路的四种接法
cCQCCC Q 2
LcCQCC
Lc
L
C Q 1
)(
RIVU
RRIV
RR
R
U



由于输入回路没有变化,所以 IEQ,IBQ,ICQ
与双端输出时一样。但是 UCEQ1≠ UCEQ2。
1,双端输入单端输出,Q点分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
1,双端输入单端输出,差模信号作用下的分析
beb
Lc
d
)(
2
1
rR
RRA

∥? cobebi )(2 RRrRR,
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
1,双端输入单端输出,共模信号作用下的分析
beb
Lc
d
)(
2
1
rR
RRA

∥?
ebeb
Lc
c )1(2
)(
RrR
RRA


beb
ebeb
C M R
)1(2
rR
RrRK

华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
1,双端输入单端输出,问题讨论
beb
Lc
d
)(
2
1
rR
RRA

∥?
( 1) T2的 Rc可以短路吗?
( 2)什么情况下 Ad为“+”?
( 3)双端输出时的 Ad是单端输出时的 2倍吗?
beb
ebeb
C M R
)1(2
rR
RrRK

cobebi )(2 RRrRR,
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,单端输入双端输出共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:
在输入信号作用下发射极的电位变化吗?说明什么?
2/IIcIId uuuu,
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,单端输入双端输出问题讨论:
( 1) UOQ产生的原因?
( 2)如何减小共模输出电压?
OQ
I
cIdO 2 U
uAuAu测试,
差模输出 共模输出静态时的值华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,四种接法的比较,电路 参数 理想对称条件下输入方式,Ri均为 2(Rb+rbe);双端输入时无共模信号输入,
单端输入时有共模信号输入。
输出方式,Q点,Ad,Ac,KCMR,Ro均与之有关。
co
C M R
c
beb
L
c
d
2
0
)
2
(
RR
K
A
rR
R
R
A


双端输出:
co
beb
ebeb
C M R
ebeb
Lc
c
beb
Lc
d
)(2
)1(2
)1(2
)(
)(2
)(
RR
rR
RrR
K
RrR
RR
A
rR
RR
A




单端输出:
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
五,具有恒流源的差分放大电路
Re 越大,每一边的漂移越小,共模负反馈越强,单端输出时的 Ac越小,KCMR越大,差分放大电路的性能越好。
但为使静态电流不变,Re 越大,VEE越 大,以至于 Re太大就 不合理了。
需在低电源条件下,设置合适的 IEQ,并得到得到趋于无穷大的 Re。
解决方法:采用电流源取代 Re!
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
具有恒流源差分放大电路的组成
3
B E QEE
21
2
3EB32 R
UV
RR
R
III

,
等效电阻为无穷大近似为恒流华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
1) RW取值应大些?还是小些?
2) RW对动态参数的影响?
3) 若 RW滑动端在中点,写出 Ad、
Ri的表达式。
2
)1( Wbeb
c
d R
rR
RA


Wbebi )1()(2 RrRR
六、差分放大电路的改进
1,加调零电位器 RW
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
doidmd 2 RRRRgA,,
2,场效应管差分放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
若 uI1=10mV,uI2=5mV,则
uId=? uIc=?
uId=5mV,uIc=7.5mV
讨论一
R R
R
R t
+ V CC
u
I
若将电桥的输出作为差放的输入,则其共模信号约为多少?如何设置 Q点时如何考虑?
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
1,uI=10mV,则 uId=? uIc=?
2、若 Ad=- 102,KCMR= 103
用直流表测 uO,uO=?
uId=10mV,uIc=5mV
uO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1
=?=? =?
讨论二华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 3.4 互补输出级二、基本电路三、消除交越失真的互补输出级四、准互补输出级一、对输出级的要求华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
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;
负载电阻上无直流功耗;
最大不失真输出电压最大。
一、对输出级的要求射极输出形式静态工作电流小输入为零时输出为零双电源供电时 Uom的峰值接近电源电压。
单电源供电 Uom的峰值接近二分之一电源电压。
不符合要求!
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、基本电路静态时 T1,T2均截止,UB= UE=0
1,特征,T1,T2特性理想对称。
2,静态分析
T1的输入特性理想化特性华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,动态分析
ui正半周,电流通路为
+VCC→T1→RL→地,
uo = ui
两只管子交替工作,两路电源交替供电,
双向跟随。

+ ui负半周,电流通路为地 → RL → T2 → -VCC,
uo = ui
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
4,交越失真消除失真的方法:
设置合适的静态工作点。


信号在零附近两只管子均截止开启电压
① 静态时 T1,T2处于临界导通状态,
有信号时至少有一只导通;
② 偏置电路对动态性能影响要小。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
三、消除交越失真的互补输出级
ib2b1
D2D1B 1 B 2
uuu
UUU


动态:
静态:
倍增电路故称之为

,则>>若
BE
BE
4
43
B 1 B 2
B2
U
U
R
RR
U
II

华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
四、准互补输出级
B E 5
4
5
E B 3B E 2B E 1
)1( U
R
R
UUU

静态时:
ib3b1 uuu动态时:
为保持输出管的良好对称性,输出管应为同类型晶体管。
大!
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 3.5 直接耦合多级放大电路读图一、放大电路的读图方法二、例题华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一,放大电路的读图方法
1,化整为零,按信号流通顺序将 N级放大电路分为 N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,
有何特点。
3,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。
信号从放大管的哪个极输入?
又从哪个极输出?
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、例题第一级: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三级:准互补输出级动态电阻无穷大
1,化整为零,识别电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,基本性能分析输入电阻为 2rbe、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。
整个电路可等效为一个双端输入单端输出的差分放大电路。
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
3,交流等效电路可估算低频小信号下的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。