模拟电子线路第3章

1、第三章第三章 多级放大电路多级放大电路3.1 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式3.1.13.1.1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图图3.1.1 直接耦合放大电路静态工作点的设置直接耦合放大电路静态工作点的设置二、直接耦合方式的优缺点二、直接耦合方式的优缺点1. 采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而静静态工作点相互影响态工作点相互影响，这样就给电路的分析、设计和调试带来，这样就给电路的分析、设计和调试带来一定的困难。一定的困难。2. 直接耦合放大电路的突出优点是直接耦合放

2、大电路的突出优点是具有良好的低频特性具有良好的低频特性，可，可以放大变化缓慢的信号；并且由于电路中没有大容量电容，以放大变化缓慢的信号；并且由于电路中没有大容量电容，所以所以易于将全部电路集成在一片硅片上易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成放大电，构成集成放大电路。路。3. 直接耦合放大电路的直接耦合放大电路的零点漂移现象严重，零点漂移现象严重，为克服这种现象为克服这种现象可采用差分放大电路。（在本章第三节中讲述）可采用差分放大电路。（在本章第三节中讲述） 3.1.2 3.1.2 阻容耦合阻容耦合一、电路图一、电路图图图3.1.2 两级阻容耦合放大电路两级阻容耦合放大电路二、阻容耦合电路的

3、优缺点：二、阻容耦合电路的优缺点：1. 由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路各不相通，路各级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互各级的静态工作点相互独立独立，在求解或实际调试，在求解或实际调试Q点时可按单级处理，所以电路点时可按单级处理，所以电路的分析、设计和调试简单易行。的分析、设计和调试简单易行。2. 只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，因此，信号就可以几乎没有衰减地传递到后级的输入端，因此，

4、在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用广泛的应用。3. 阻容耦合放大电路的阻容耦合放大电路的低频特性差低频特性差，不能放大变化缓慢的信，不能放大变化缓慢的信号。号。4. 在集成电路中制造大容量电容很困难，甚至不可能，所以在集成电路中制造大容量电容很困难，甚至不可能，所以这种耦合方式这种耦合方式不便于集成化不便于集成化。3.1.3 变压器耦合变压器耦合一、电路图一、电路图图图3.1.3 变压器耦合共射放大电路变压器耦合共射放大电路二、电路特点：二、电路特点：1.用于阻抗变换用于阻抗变换22112212222221122111221212121 NNII

5、UUUIIUUIIUIUIUZZNNIINNUU图图3.1.4 变压器耦合的阻抗变换变压器耦合的阻抗变换U1U2LLRNNZNNZR 22122211阻抗比等于圈数比的平方阻抗比等于圈数比的平方变压器耦合的电压放大倍数变压器耦合的电压放大倍数（3.1.2）2. 用于选频放大电路用于选频放大电路晶体管收音机的晶体管收音机的中频放大级中频放大级只对只对465KHz的信号有的信号有放大作用放大作用三、变压器耦合电路的优缺点三、变压器耦合电路的优缺点1. 由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦由于变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，所以与阻容耦合电路一样，它的各级放大电路的合电路一样，它的各

6、级放大电路的静态工作点相互独立静态工作点相互独立，便于分析、设计和调试。便于分析、设计和调试。2. 可以实现可以实现阻抗变换阻抗变换。3. 可以组成可以组成LC谐振电路，用于谐振电路，用于选频放大选频放大。4. 低频特性差低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。，不能放大变化缓慢的信号。5. 非常笨重非常笨重，不能集成化。，不能集成化。3.1.4 3.1.4 光电耦合光电耦合 光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。的，因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用。一、光电耦合器一、光电耦合器 光电耦合器

7、是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件光电耦合器是实现光电耦合的基本器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘地组合在一起，如图在一起，如图 3.1.5(a) 所示。发光元件为输入回路，它将电所示。发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干能，实现了两部分电路的电气隔离，从而可有效地抑制电干扰。在输出回路常采用复合管（也称达林顿结构）形式以增扰。在输出回路常采用复合管（也称达林顿结构

8、）形式以增大放大倍数。大放大倍数。图图3.1.5 光电耦合器及其传输特性光电耦合器及其传输特性DICECufi)( iC 是是 iD 的函数，但不是线性的。的函数，但不是线性的。 （3.1.3）光电耦合器的传输比光电耦合器的传输比 当管压降当管压降UCE为定值（足够大）时，为定值（足够大）时，iC的变化量与的变化量与iD的变化的变化量之比称为传输比量之比称为传输比CTR，即：，即：CTR 0.11.5CEUDCiiCTR (3.1.4)二、光电耦合放大电路二、光电耦合放大电路图图3.1.6 光电耦合放大电路光电耦合放大电路思考题思考题3.1.1 “直接耦合放大电路只能放大直流信号，阻直接耦合放

9、大电路只能放大直流信号，阻容耦合放大电路只能放大交流信号。容耦合放大电路只能放大交流信号。”这种说法这种说法对吗？为什么？对吗？为什么？3.1.2 在组成多级放大电路时，什么情况下采用阻在组成多级放大电路时，什么情况下采用阻容耦合方式？什么情况下采用变压器耦合方式？容耦合方式？什么情况下采用变压器耦合方式？什么情况下应采用光电耦合方式？什么情况下应采用光电耦合方式？3.2 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析一、多级放大电路的放大倍数一、多级放大电路的放大倍数 Au1. 单级放大电路的方框图和放大倍数单级放大电路的方框图和放大倍数iouuUUARiRo321332211231211uu

10、uioioioooooioiouAAAUUUUUUUUUUUUUUA 2. 多级放大电路的方框图和电压放大倍数多级放大电路的方框图和电压放大倍数Ui1=Ui ; Ui2=Uo1 ; Ui3=Uo2 ; Uo=Uo3【例3.2.1】图图3.1.2 两级阻容两级阻容耦合放大电路耦合放大电路15k5k5k2.3k100k5k5k解：解：图3.2.2 图3.2.1 所示电路的交流等效电路图图3.2.2 图图3.2.1 所示电路的交流等效电路所示电路的交流等效电路-13.3 3.3 直接耦合放大电路直接耦合放大电路工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、流量、压力

11、、液面、长度等等，它们通过各度、流量、压力、液面、长度等等，它们通过各种不同传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非种不同传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非周期性信号，而且比较微弱，这类信号只有通过周期性信号，而且比较微弱，这类信号只有通过放大才能驱动负载；由于信号变化缓慢；所以采放大才能驱动负载；由于信号变化缓慢；所以采用直接耦合放大电路将其放大最为方便。用直接耦合放大电路将其放大最为方便。图图3.3.1 零点漂移现象零点漂移现象3.3.1 直接耦合放大电路的零点漂移现象直接耦合放大电路的零点漂移现象一、零点漂移现象及其发生的原因一、零点漂移现象及其发生的原因1. 零点漂移现象零点漂移现象 在

12、直接耦合放大电路中，即使将输入端短路，用灵敏在直接耦合放大电路中，即使将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压，如图的直流表测量输出端，也会有变化缓慢的输出电压，如图331所示。这种所示。这种输入电压输入电压(uI)为零而输出电压为零而输出电压(uO)不为零不为零且缓慢变化的现象且缓慢变化的现象，称为，称为零点漂移现象零点漂移现象。2. 零点漂移发生的原因零点漂移发生的原因 在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都

13、将产生输出电压的漂移。都将产生输出电压的漂移。 在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连，前一在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连，前一级的漂移电压会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级级的漂移电压会和有用信号一起被送到下一级，而且逐级放大，以至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什放大，以至于有时在输出端很难区分什么是有用信号、什么是漂移电压，放大电路不能正常工作。么是漂移电压，放大电路不能正常工作。 由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度漂移，点漂移现象的主要原因，因而也称零点漂移为温度

14、漂移，简称温漂。简称温漂。 从某种意义上讲，零点漂移就是从某种意义上讲，零点漂移就是Q点的漂移。因此，在点的漂移。因此，在第二章第二章24节中所讲到的稳定静态工作点的方法，也是抑制节中所讲到的稳定静态工作点的方法，也是抑制温度漂移的方法。抑制温度漂移的方法归纳如下：温度漂移的方法。抑制温度漂移的方法归纳如下： 1在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路定电路(见图见图242)中中Re所起的作用。所起的作用。二、抑制温漂的方法二、抑制温漂的方法TIC(IE)UE(UB不变不变)UBEIB IC缺点：缺点：Re 造成造成 Au 下降下降 2

15、采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化。例如图化。例如图245所示电路中的二极管。所示电路中的二极管。温度补偿的原理：温度补偿的原理：TIDUD ICQT IDIBQICQ缺点：开环电路，缺点：开环电路， 很难精确补偿很难精确补偿 3采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，构成构成“差分放大电路差分放大电路”。这个方法也可归结为温度。这个方法也可归结为温度补偿。补偿。图图3.3.2 差分放大差分放大电路的组成电路的组成3.3.2 3.3.2 差分放大电路差分放大电路一、电路的组成一、电路的组

16、成 二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路1. 静态分析静态分析静态：静态：uI = 0差放电路差放电路Q点计算点计算Q点计算点计算因为因为UBQ 0 所以所以 UEQ = UBQ UBEQ = -UBEQ2. 对共模信号的抑制作用对共模信号的抑制作用图图3.3.4 差分放大电路输入共模信号差分放大电路输入共模信号21BBii ICIIuuu 1121CCii 21CCOCuuu = 021CCuu 差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用ICIIuuu 110 Ocu Re 的作用：的作用：当当直流负反馈使直流负反馈使Q点得到稳定，共模信号进一步被抑

17、制点得到稳定，共模信号进一步被抑制输入无差别，输出不变动。输入无差别，输出不变动。共模放大倍数共模放大倍数 Ac理想情况下，双端输出差放电路共模放大倍数为零。理想情况下，双端输出差放电路共模放大倍数为零。 由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流由于电路参数的理想对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同，故可以将变化完全相同，故可以将温度漂移等效成共模信号温度漂移等效成共模信号，用共，用共模特性来电路对温漂的的抑制能力。模特性来电路对温漂的的抑制能力。差分放大电路对温度漂移有很强的抑制作用差分放大电路对温度漂移有很强的抑制作用3. 对差模信号的放大作用对差模信号的放大作用图图3.3.5

18、差分放大电路加差模信号差分放大电路加差模信号21IdIuu 22IdIuu 电路平衡，所以：电路平衡，所以：IDODduuA 21IIiduuu 对负载电阻的处理对负载电阻的处理在输出端，在输出端，uod = u+ - u-RL 的中点处电压为零。的中点处电压为零。RL 被分成两部份，每边被分成两部份，每边各占各占12 。RL1RL2211LCLR/RR 222LCLR/RR 发射极相当于直接接地。发射极相当于直接接地。差模放大倍数差模放大倍数 AdIdOdduuA （3.3.6） bebBIIIdrRiuuu 221) () (11222112212LBLBLBCCOdRiRiRiuuu b

19、ebLIdOddrRRuuA （3.3.7） 由此可见，虽然差分放大电路使用了两由此可见，虽然差分放大电路使用了两只晶体管，但它的电压放大能力只相当于单只晶体管，但它的电压放大能力只相当于单管共射放大电路。因而差分放大电路是以牺管共射放大电路。因而差分放大电路是以牺牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温牲一只管子的放大倍数为代价，换取了低温漂的效果。漂的效果。（P161第一行）第一行）输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：（3.3.8）（3.3.9）共模抑制比：共模抑制比：（3.3.10）4. 电压传输特性电压传输特性图图3.3.6 差分放大电路的电压传输

20、特性差分放大电路的电压传输特性三、差分放大电路的四种接法三、差分放大电路的四种接法1. 双端输入单端输出电路双端输入单端输出电路图图3.3.7 双端输入、单端输出差分放大电路双端输入、单端输出差分放大电路T1的集电极等效电路的集电极等效电路vccvcc戴维南定理戴维南定理图图3.3.8 图图3.3.7 所示电路的直流通路所示电路的直流通路动态性能分析：动态性能分析： 差模放大倍数差模放大倍数图图3.3.9 图图3.3.7 所示电路对所示电路对差模信号的等效电路差模信号的等效电路（3.3.16）与双端输出电路比较与双端输出电路比较双入单出电路的共模特性双入单出电路的共模特性与双端输出电路比较与双

21、端输出电路比较ebebLIcOcCRrRRuuA)( 12eBbeBbBIcRiriRiu111112 iBiERe越大，越大，Ac越小越小共模抑制比共模抑制比 bebebebcdCMRrRRrRAAK 212 (3.3.18)增大增大Re是改善共模抑制比的基本措施。是改善共模抑制比的基本措施。2.单端输入双端输出单端输入双端输出图图3.3.11 单端输入、双端输出电路单端输入、双端输出电路221IIIcuuu 21IIIduuu 21IdIduu 22IdIduu 单端输入相当于双端输入单端输入相当于双端输入222202112112121IdIdIdIdIIIIdIIIIcIiIuuuuuu

22、uuuuuuuuu 单端输入的特点单端输入的特点P155单端输入电路与双端输入电路的区别在于：单端输入电路与双端输入电路的区别在于：在差模信号输入的同时，伴随着共模信号的输入。在差模信号输入的同时，伴随着共模信号的输入。（3.3.19）差模分量差模分量共模分量共模分量3. 单端输入、单端输出电路单端输入、单端输出电路图图3.3.12 单端输入、单端输出电路单端输入、单端输出电路四种接法的动态参数特点四种接法的动态参数特点由以上分析可知，将四种接法的动态参数特点归纳如下：由以上分析可知，将四种接法的动态参数特点归纳如下：(1) 输入电阻输入电阻 Ri 均为均为2(Rb+rbe)。(2) Ad、A

23、c、Ro与输出方式有关，双端输出时，与输出方式有关，双端输出时，Ad见式见式(337)，Ac=0，Ro见式见式(339)；单端输出时，；单端输出时，Ad与与Ac分别见式分别见式(3316)、(2317)，而，而Ro=Rc。(3) 单端输入时，若输入信号为单端输入时，若输入信号为uI，其差模输入电压，其差模输入电压Uld=uI；而与此同时，共模输入电压而与此同时，共模输入电压 ，式，式(3319)是输出是输出电压表达式。电压表达式。221IIIcuuu 图图3.3.13 具有恒流源的差分放大电路具有恒流源的差分放大电路四、改进型差分放大电路四、改进型差分放大电路3.3.3 直接耦合互补输出级直接耦合互补输出级 对于电压放大电路的输出级一般有两个基本要对于电压放大电路的输出级一般有两个基本要求：一是输出电阻低，二是最大不失真输出电压尽求：一是输出电阻低，二是最大不失真输出电压尽可能大。分析所学过的各种基本放大电路，共集放可能大。分析所学过的各种基本放大电路，共集放大电路满足前一要求，但它带上负载后静态工作点大电路满足前一要求，但它带上负载后静态工作点会产生变化，且输出不失真