第3章 多级放大电路

1、 几乎在所有情况下，放大电路的输入信几乎在所有情况下，放大电路的输入信号都很微弱，一般为毫伏或微伏级，输入功号都很微弱，一般为毫伏或微伏级，输入功率常在率常在1mW以下。从单级放大电路的放大以下。从单级放大电路的放大倍数来看，仅几十倍到一百多倍，输出的电倍数来看，仅几十倍到一百多倍，输出的电压和功率都不大。为了推动负载工作，必须压和功率都不大。为了推动负载工作，必须由多级放大电路对微弱信号进行连续放大，由多级放大电路对微弱信号进行连续放大，才可以在输出端获得必要的电压幅值或足够才可以在输出端获得必要的电压幅值或足够的功率。的功率。一个实际的放大系统通常需要由多一个实际的放大系统通常需要由多级放

2、大电路构成。级放大电路构成。输入级电压放大级电压放大级功率输出级推动级信号源中间级小信号放大电路功率放大电路负载 根据信号源和负载性质的不同，对多级放大电路的各级电路有不同的要求。多级放大电路的第一级称为输输入级入级（或（或前置级前置级），），一般要求有尽可能高的输入电阻和低的静态工作电流；中间级中间级主要提高电压放大倍数，但级数过多易产生自激振荡；推动级推动级（或（或激励级激励级）输出一定信号幅度推动功率输出级工作；功率输出级功率输出级则以一定功率驱动负载工作。3.1.1 3.1.1 就是利用电阻和电容把前级和后级连接起来，因就是利用电阻和电容把前级和后级连接起来，因此称为阻容耦合放大电路。

3、两级阻容耦合放大电此称为阻容耦合放大电路。两级阻容耦合放大电路见下图。路见下图。阻容耦合放大电路的特点阻容耦合放大电路的特点Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+阻容耦合方式的优点：阻容耦合方式的优点：n电容的隔直作用，使各级电路的静态工作点相互隔离，电容的隔直作用，使各级电路的静态工作点相互隔离，互不影响。给电路的设计、计算和调试带来很大方便。互不影响。给电路的设计、计算和调试带来很大方便。n不存在零点漂移问题。不存在零点漂移问题。n当耦合电容足够大时，在一定范围内电容可视交流短路，当耦合电容足够大时

4、，在一定范围内电容可视交流短路，所以能有效放大交流信号。所以能有效放大交流信号。阻容耦合方式的缺点：阻容耦合方式的缺点：n当交流信号频率较低时，电容的容抗较大，会使交流信当交流信号频率较低时，电容的容抗较大，会使交流信号衰减，放大倍数下降。所以阻容耦合方式不适合放大号衰减，放大倍数下降。所以阻容耦合方式不适合放大缓慢变化的信号和直流信号。缓慢变化的信号和直流信号。n阻容耦合放大电路不便于集成。阻容耦合放大电路不便于集成。阻容耦合放大电路分析阻容耦合放大电路分析（1）静态分析：各级单独计算。）静态分析：各级单独计算。（2）动态分析）动态分析电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。电压放大倍数等于

5、各级电压放大倍数的乘积。21o1oo1ouuiiuAAUUUUUUA注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电注意：计算前级的电压放大倍数时必须把后级的输入电阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放阻考虑到前级的负载电阻之中。如计算第一级的电压放大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。输入电阻就是第一级的输入电阻。输入电阻就是第一级的输入电阻。输出电阻就是最后一级的输出电阻。输出电阻就是最后一级的输出电阻。Rsus+uiRC1C1C2V1RB11RB12CE1RL+uo+UCCRC2C3V2RB21RB22CE2RE1RE2+uo1+r

6、be1+o1Ub1I+iUb1IRC1RB11Rs +sU RB12rbe2+oUb2Ib2IRC2RLRB21RB22第一级第二级阻容耦合放大的频率特性和频率失真阻容耦合放大的频率特性和频率失真AuAum0.707AumfHfLf通频带共发射级放大电路的幅频特性：电压放大倍数近似为常数。电压放大倍数近似为常数。：耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。：晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数

7、容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。降低。除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和除了电压放大倍数会随频率而改变外，在低频和高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频高频段，输出信号对输入信号的相位移也要随频率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍率而改变。所以在整个频率范围内，电压放大倍数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与数和相位移都将是频率的函数。电压放大倍数与频率的函数关系称为频率的函数关系称为，相位移与频率的相位移与频率的函数关系称为函数关系称为，二者统称为，二者统称为。放大电路呈现带通特性。图中。放大电路呈现带通特性。图中fH和和fL为电压放大倍数下降到中频

8、段电压放大倍数的为电压放大倍数下降到中频段电压放大倍数的0.707倍时所对应的两个频率，分别称为倍时所对应的两个频率，分别称为和和，其差值称为，其差值称为。一般情况下，放大电路的输入信号都是非一般情况下，放大电路的输入信号都是非正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐正弦信号，其中包含有许多不同频率的谐波成分。由于放大电路对不同频率的正弦波成分。由于放大电路对不同频率的正弦信号放大倍数不同，相位移也不一样，所信号放大倍数不同，相位移也不一样，所以当输入信号为包含多种谐波分量的非正以当输入信号为包含多种谐波分量的非正弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出弦信号时，若谐波频率超出通频带，输出信号信号uo

9、波形将产生失真。这种失真与放大电波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为路的频率特性有关，故称为。+uiRC1V1RB1+uo+UCCRC2V2RE2+uo13.1.2 优点：优点：能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。且由于没有耦合电容，故非常适宜于大规模集成。缺点：缺点：各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。各级静态工作点互相影响；且存在零点漂移问题。：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压：放大电路在无输入信号的情况下，输出电压uo却出现缓慢、不规则波动的现象。却出现缓慢、

10、不规则波动的现象。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。产生零点漂移的原因很多，其中最主要的是温度影响。3.2.1 抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电抑制零漂的方法有多种，如采用温度补偿电路、稳压电源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法源以及精选电路元件等方法。最有效且广泛采用的方法是输入级采用差动放大电路。是输入级采用差动放大电路。RCRCREUEE+UCCV1V2+ui1+ uo +ui2+uo1+uo2o2o1o21uuuuuuiii，uil=ui20 ，此时由负电源，此时由负电源UEE通过电阻通过电阻RE和两和两管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对

11、称性，两管发射极提供两管的基极电流。由于电路的对称性，两管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即：管的集电极电流相等，集电极电位也相等，即：IC1= IC2UC1= UC2输出电压：输出电压：uo UC1 UC2=0，两管的集电极电流都会增大，集电极电位，两管的集电极电流都会增大，集电极电位都会下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等都会下降。由于电路是对称的，所以两管的变化量相等。即：。即：IC1= IC2UC1= UC2输出电压：输出电压：uo (UC1 + UC1)( UC2 +UC2 )=0即消除了零点漂移。即消除了零点漂移。共模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相同。共模信号：

12、两输入端加的信号大小相等、极性相同。iiiuuu210o2o1oo2o1uuuuAuuiu共模电压放大倍数：共模电压放大倍数：0ociuuA说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。说明电路对共模信号无放大作用，即完全抑制了共模信号。实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共实际上，差动放大电路对零点漂移的抑制就是该电路抑制共模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力模信号的一个特例。所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。的大小，也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。因两侧电路对称，放大倍数相等，电压放大倍数用因两侧电路对称，

13、放大倍数相等，电压放大倍数用Ad表表示，则：示，则：差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。差模信号：两输入端加的信号大小相等、极性相反。idiidididuAuuAuuuuAuuAu)( 21o2o1o2o21o1差模电压放大倍数差模电压放大倍数：diAuuAod可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零数。差动放大电路用多一倍的元件为代价，换来了对零漂的抑制能力。漂的抑制能力。idiiuuu2121比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极

14、性是任意的，既非共模，又非差模。意的，既非共模，又非差模。比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的比较输入可以分解为一对共模信号和一对差模信号的组合，即：组合，即：idiciidiciuuuuuu21)(21)(212121iiidiiicuuuuuu式中式中uic为共模信号，为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：为差模信号。由以上两式可解得：对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：输出电压：iddicciddiccuAuAuuAuAuo2o1)(221o2o1oiididduuAuAuuu上式表明，上式表明，输出电压的大小仅与输入

15、电压的差输出电压的大小仅与输入电压的差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差值有关，而与信号本身的大小无关，这就是差动放大电路的差值特性。动放大电路的差值特性。对于差动放大电路来说，对于差动放大电路来说，差模信号是有差模信号是有用信号，用信号，要求对差模信号有较大的放大要求对差模信号有较大的放大倍数；而倍数；而共模信号是干扰信号，共模信号是干扰信号，因此对因此对共模信号的放大倍数越小越好。对共模共模信号的放大倍数越小越好。对共模信号的放大倍数越小，就意味着零点漂信号的放大倍数越小，就意味着零点漂移越小，抗共模干扰的能力越强，当用移越小，抗共模干扰的能力越强，当用作差动放大时，就越能准确、灵敏

16、地反作差动放大时，就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。映出信号的偏差值。cdCMRlg20AAK共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号共模抑制比越大，表示电路放大差模信号和抑制共模信号的能力越强。的能力越强。在一般情况下，电路不可能绝对对称，在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac0。为了全面为了全面衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，衡量差动放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入共模抑制比，以引入共模抑制比，以KCMR表示。表示。共模抑制比定义为共模抑制比定义为Ad与与Ac之比的绝对值，即：之比的绝对值，即：cdCMRAAK或用对数形式表示：或用对数形式表示

17、：是为了提高整个电路以及单管是为了提高整个电路以及单管放大电路对共模信号的抑制能力。放大电路对共模信号的抑制能力。：是为了补偿是为了补偿RE上的直流压降，使发上的直流压降，使发射极基本保持零电位。射极基本保持零电位。 RC RC +UCC V1 V2 + uo (a) 具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路 ui2 ui1 V3 R1 R2 RE UEE RC RC +UCC V1 V2 + uo ui2 ui1 UEE (b) 图图(a)的简化电路的简化电路 I 恒流源比发射极电阻恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。对共模信号具有更强的抑制作用。3.2.2 (a)

18、双端输入双端输出双端输入双端输出 RC RC +UCC V1 V2 + uo UEE (b) 双端输入单端输出双端输入单端输出 I RC RC +UCC V1 V2 + uo UEE I + ui1 + ui1 + ui2 + ui2 双端输入单端输出式电路的输出双端输入单端输出式电路的输出uo与输入与输入ui1极性（或相位）极性（或相位）相反，而与相反，而与ui2极性（或相位）相同。所以极性（或相位）相同。所以uil输入端称为反相输入端称为反相输入端，而输入端，而ui2输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方输入端称为同相输入端。双端输入单端输出方式是集成运算放大器的基本输入输出方式。式是集

19、成运算放大器的基本输入输出方式。 (c) 单端输入双端输出单端输入双端输出 RC RC +UCC V1 V2 + uo UEE (d) 单端输入单端输出单端输入单端输出 I RC RC +UCC V1 V2 + uo UEE I + ui1 + ui1 单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个单端输入式差动放大电路的输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流输入端，另一个输入端接地。由于两个晶体管发射极电流之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变之和恒定，所以当输入信号使一个晶体管发射极电流改变时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化

20、，情时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，情况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极况和双端输入时相同。此时由于恒流源等效电阻或发射极电阻电阻RE的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的耦合作用，两个单管放大电路都得到了输入信号的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属的一半，但极性相反，即为差模信号。所以，单端输入属于差模输入。于差模输入。单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍单端输出式差动电路，输出减小了一半，所以差模放大倍数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管数亦减小为双端输出时的二分之一。此外，由于两个单管放大电路的输出漂移不能

21、互相抵消，所以零漂比双端输出放大电路的输出漂移不能互相抵消，所以零漂比双端输出时大一些。由于恒流源或射极电阻时大一些。由于恒流源或射极电阻RE对零点漂移有极强对零点漂移有极强烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单烈的抑制作用，零漂仍然比单管放大电路小得多。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。双端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为：双端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为：beLd2d1idodrRAAuuA单端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为：单端输出差动放大电路的差模电压放大倍数为：beLd1i1o1

22、ido1idod21212rRAuuuuuuA或或beLd1i2o2ido2idod21212rRAuuuuuuA3.3.1 功率放大电路的特点功率放大电路的特点功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率，这就要求功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输功率放大电路不仅要有较高的输出电压，还要有较大的输出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大出电流。因此功率放大电路中的晶体管通常工作在高电压大电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必电流状态，晶体管的功耗也比较大。对晶体管的各项指标必须认真选择，且尽可能使其得

23、到充分利用。因为功率放大电须认真选择，且尽可能使其得到充分利用。因为功率放大电路中的晶体管处在大信号极限运用状态，路中的晶体管处在大信号极限运用状态，非线性失真也要非线性失真也要比小信号的电压放大电路严重得多。此外，功率放大电路从比小信号的电压放大电路严重得多。此外，功率放大电路从电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，电源取用的功率较大，为提高电源的利用率，必须尽可能必须尽可能提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的提高功率放大电路的效率。放大电路的效率是指负载得到的交流信号功率与直流电源供出功率的比值。交流信号功率与直流电源供出功率的比值。功率放大电路的类型功率放大电路的类型

24、(a) 甲甲类类 (b) 乙乙类类 (c) 甲甲乙乙类类 0 uCE iC uCE iC 0 0 uCE iC 甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的甲类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电中点。在工作过程中，晶体管始终处在导通状态。这种电路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到路功率损耗较大，效率较低，最高只能达到50。 乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的乙类功率放大电路的静态工作点设置在交流负载线的截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路截止点，晶体管仅在输入信号的半个周期导通。这种电路功率损耗减到最少，使

25、效率大大提高。功率损耗减到最少，使效率大大提高。 甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之甲乙类功率放大电路的静态工作点介于甲类和乙类之间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲间，晶体管有不大的静态偏流。其失真情况和效率介于甲类和乙类之间。类和乙类之间。3.3.2 RLV1V2+UCCUCC+ui+uoic1ic2静态（静态（ui=0）时，时，UB=0、UE=0，偏置偏置电压为零，电压为零，V1、V2均处于截止状态，均处于截止状态，负载中没有电流，电路工作在乙类状态负载中没有电流，电路工作在乙类状态。动态（动态（ui0）时，在）时，在ui的正半周的正半周V1导通导通而而V2截止

26、，截止，V1以射极输出器的形式将以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载；在正半周信号输出给负载；在ui的负半周的负半周V2导通而导通而V1截止，截止，V2以射极输出器的以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载。可见在形式将负半周信号输出给负载。可见在输入信号输入信号ui的整个周期内，的整个周期内，V1、V2两管两管轮流交替地工作，互相补充，使负载获轮流交替地工作，互相补充，使负载获得完整的信号波形，故称互补对称电路得完整的信号波形，故称互补对称电路。由于由于V1、V2都工作在共集电极接法，输出电阻极小，都工作在共集电极接法，输出电阻极小，可与低阻负载可与低阻负载RL直接匹配。直接匹配。OCL

27、: Output Capacitorless ui 0 t uo1 0 t uo2 0 t uo 0 t 交交越越失失真真 从工作波形可以看到，在波从工作波形可以看到，在波形过零的一个小区域内输出形过零的一个小区域内输出波形产生了失真，这种失真波形产生了失真，这种失真称为称为交越失真交越失真。产生交越失。产生交越失真的原因是由于真的原因是由于V1、V2发射发射结静态偏压为零，放大电路结静态偏压为零，放大电路工作在乙类状态。当输入信工作在乙类状态。当输入信号号ui小于晶体管的发射结死小于晶体管的发射结死区电压时，两个晶体管都截区电压时，两个晶体管都截止，在这一区域内输出电压止，在这一区域内输出电

28、压为零，使波形失真。为零，使波形失真。RLV1V2+UCCUCC+ui+uoR1R2R3D1D2为减小交越失真，可给为减小交越失真，可给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，便产生一个不大的静态偏流，使使V1、V2导通时间稍微超过半导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态，个周期，即工作在甲乙类状态，如图所示。图中二极管如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三用来提供偏置电压。静态时三极管极管V1、V2虽然都已基本导通，虽然都已基本导通，但因它们对称，但因它们对称，UE仍为零，负仍为零，负载中仍无电流流过。载中仍无电流流过。

29、RLV1V2+UCC+ui+uoR1R2R3D1D2C+因电路对称，静态时两个晶体管因电路对称，静态时两个晶体管发射极连接点电位为电源电压的发射极连接点电位为电源电压的一半，负载中没有电流。动态时，一半，负载中没有电流。动态时，在在ui的正半周的正半周V1导通而导通而V2截止，截止，V1以射极输出器的形式将正半周以射极输出器的形式将正半周信号输出给负载，同时对电容信号输出给负载，同时对电容C充充电；在电；在ui的负半周的负半周V2导通而导通而V1截截止，电容止，电容C通过通过V2、RL放电，放电，V2以射极输出器的形式将负半周信以射极输出器的形式将负半周信号输出给负载，电容号输出给负载，电容C

30、在这时起到在这时起到负电源的作用。为了使输出波形负电源的作用。为了使输出波形对称，必须保持电容对称，必须保持电容C上的电压基上的电压基本维持在本维持在UCC/2不变，因此不变，因此C的容的容量必须足够大。量必须足够大。OTL: Output Transformerless3.4.1 输入级中间级输出级偏置电路通常由差动放通常由差动放大电路构成，大电路构成，目的是为了减目的是为了减小放大电路的小放大电路的零点漂移、提零点漂移、提高输入阻抗。高输入阻抗。通常由共发射极放大电路构成，目的是通常由共发射极放大电路构成，目的是为了获得较高的电压放大倍数。为了获得较高的电压放大倍数。通常由互补对通常由互补

31、对称电路构成，称电路构成，目的是为了减目的是为了减小输出电阻，小输出电阻，提高电路的带提高电路的带负载能力。负载能力。一般由各种恒流源电路构成，作一般由各种恒流源电路构成，作用是为上述各级电路提供稳定、用是为上述各级电路提供稳定、合适的偏置电流，决定各级的静合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。态工作点。 A + + 同同 相相 输输 入入 端端 反反 相相 输输 入入 端端 uo u u+ 3.4.2 1 1、集成运放的主要参数集成运放的主要参数1 1、集成运放的主要参数集成运放的主要参数2 2、集成运放的种类集成运放的种类3.4.3 uo u u+ + + 实际特性实际特性 理想运放符号理

32、想运放符号 运放电压传输特性运放电压传输特性 理想特性理想特性 uo u+u UOM UOM 0 当当i0，即即时，时，oOM当当i0，即即1，所以所以即闭环放大倍数的稳定性优于开环放大倍数。即闭环放大倍数的稳定性优于开环放大倍数。负反馈越深，放大倍数越稳定。在深度负反馈条件下，负反馈越深，放大倍数越稳定。在深度负反馈条件下，即即1+AF1时，有：时，有：FAFAAf11表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反馈系数表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反馈系数F，而与开环放大倍数而与开环放大倍数A无关。通常反馈网络仅由电无关。通常反馈网络仅由电阻构成，反馈系数阻构成，反馈系数F十分稳定。所以，闭环放大倍数十分稳定。所以，闭环放大倍数必然是相当稳定的，诸如温度变化、参数改变、电源必然是相当稳定的，诸如温度变化、参数改变、电源电压波动等明显影响开环放大倍数的因素，都不会对电压波动等明显影响开环放大倍数的因素，都不会对闭环放大倍数产生多大影响。闭环放大倍数产生多大影响。2 2、减小非线性失真、减小非线性失真A