华工模电课件chapter-3

,2010.1.30,第 3 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 直接耦合放大电路,2010.1.30,为什么要多级放大？在第2章，我们主要研究了由一个晶体管组成基本放大电路，它们的电压放大倍数一般只有几十倍。但是在实际应用中，往往需要放大非常微弱的信号，上述的放大倍数是远远不够的。为了获得更高的电压放大倍数，可以把多个基本放大电路连接起来，组成“多级放大电路”。其中每一个基本放大电路叫做一“级”，而级与级之间的连接方式则叫做“耦合方式”。 实际上，单级放大电路中也存在电路与信号源以及负载之间的耦合问题。,3.1 多级放大电路的耦合方式,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。,2010.1.30,一、 级间耦合问题,极间耦合形式：,阻容 耦合,各级 “Q” 独立，只放大交流 信号，信号频率低时耦合电 容容抗大。,变压 器 耦合,用于选频放大器、 功率放大器等。,直接 耦合,电路简单，能放大交、直流 信号，“Q” 互相影响，零点 漂移严重。,2010.1.30,1. 直接耦合,第二级,第一级,直接耦合两级放大电路,存在两个问题：,1）第一级的静态工作点已接近饱和区。,2）由于采用同种类型的管子，级数不能太多。,2010.1.30,第一个问题：如何设置合适的静态工作点？,Q1合适吗？,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大？,若要UCEQ15V，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？,Re,加入电阻Re,2010.1.30,UCEQ1太小加Re（Au2数值）改用D若要UCEQ1大，则改用DZ。,稳压管 伏安特性,小功率管多为5mA,由最大功耗得出,必要性？,rzu /i，小功率管多为几欧至二十几欧。,保证Dz工作在稳压区,2010.1.30,NPN型管和PNP型管混合使用,问题的提出： 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=1N），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,第二个问题：,2010.1.30,（1）电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。由于级间是直接耦合，所以电路可以放大缓慢变化的信号和直流信号。,（2）便于集成。由于电路中只有晶体管和电阻，没有电容器和电感器，因此便于集成。,缺点：,优点：,（1）各级的静态工作点不独立，相互影响。会给设计、计算和调试带来不便。,（2）引入了零点漂移问题。零点漂移对直接耦合放大电路的影响比较严重。,直接耦合放大电路的优缺点,2010.1.30,2、阻容耦合 阻容耦合是通过电容器将后级电路与前级相连接，其方框图所示。,阻容耦合放大电路的方框图,2010.1.30,单级阻容耦合放大电路,两极阻容耦合放大电路,2010.1.30,1）各级的直流工作点相互独立。由于电容器隔直流而通交流，所以它们的直流通路相互隔离、相互独立的，这样就给设计、调试和分析带来很大方便。,2）在传输过程中，交流信号损失少。只要耦合电容选得足够大，则较低频率的信号也能由前级几乎不衰减地加到后级，实现逐级放大。,优点：,3）电路的温漂小。 4）体积小，成本低。,缺点：,2）低频特性差；,1）无法集成；,3）只能使信号直接通过，而不能改变其参数。,2010.1.30,3、 变压器耦合,变压器可以通过磁路的耦合把一次侧的交流信号传送到二次侧，因此可以作为耦合元件。,变 压 器 耦 合,的 两 级 放 大 电 路,2010.1.30,为什么要讲变压器耦合？因为变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,图4-5 变压器的等效电路,工作原理：,2010.1.30,优点：,1）变压器耦合多级放大电路前后级的静态工作点是相互独立、互不影响的。因为变压器不能传送直流信号。,2）变压器耦合多级放大电路基本上没有温漂现象。,3）变压器在传送交流信号的同时，可以实现电流、电压以及阻抗变换。,缺点：,1）高频和低频性能都很差；,2）体积大，成本高，无法集成。,2010.1.30,思路：根据电路的约束条件和管子的IB、IC和IE的相互关系，列出方程组求解。如果电路中有特殊电位点，则应以此为突破口，简化求解过程。,3.2 多级放大电路的分析,1、静态工作点的分析,变压器耦合 同第二章单级放大电路 阻容耦合 直接耦合,2010.1.30,例3.1,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。 计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);,2010.1.30,解:,两级放大电路的静态值可分别计算。,2010.1.30,第一级是射极输出器:,第二级是分压式偏置电路,2010.1.30,2010.1.30,RB1,C1,C2,RE1,+,+,+,RC2,C3,CE,+,+,+24V,+,T1,T2,1M,27k,82k,43k,7.5k,510,10k,2010.1.30,2、动态性能分析,= Au1·Au2 · · · Aun,Au1(dB) = Au1 (dB) + Au2 (dB) + · · · + Aun (dB),考虑级与级之间的相互影响，计算各级电压放大倍数时，应把后级的输入电阻作为前级的负载处理!,（1）放大倍数的计算,2010.1.30,（2）输入和输出电阻的计算,多级放大电路的输入电阻为第一级放大电路的输入电阻。,多级放大电路的输出电阻为最后一级放大电路的输出电阻。,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。,2010.1.30,例 3.2,如图所示的两级电压放大电路， 已知1= 2 =50, T1和T2均为3DG8D。,（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数。 （2）求放大电路的输入电阻和输出电阻,2010.1.30,（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数,第一级放大电路为射极输出器,2010.1.30,第二级放大电路为共发射极放大电路,总电压放大倍数,2010.1.30,(2) 计算 r i和 r 0,微变等效电路,2010.1.30,2010.1.30,2,b,I,2,c,I,rbe2,RC2,rbe1,RB1,1,b,I,1,c,I,RE1,+,_,+,_,+,_,2010.1.30,3.3.1、直接耦合放大电路中的零点漂移问题,2）产生零点漂移的原因,3）零点漂移的严重性及其抑制方法,电阻，管子参数的变化，电源电压的波动，元器件老化。如果采用高精度电阻并经经过老化处理和采 用高稳定度的电源，则晶体管参数随温度的变化将成为产生零点漂移的主要原因。故称零漂也称温漂。,如果零点漂移的大小足以和输出的有用信号相比拟，就无法正确地将两者加以区分。因此，为了使放大电路能正常工作，必须有效地抑制零点漂移。,3.3 直接耦合放大电路,1） 什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。,2010.1.30,抑制零点漂移的方法：,1）采用恒温措施，使晶体管工作温度稳定。需要恒温室或槽，因此设备复杂，成本高。,2）采用温度补偿法。就是在电路中用热敏元件或二极管（或晶体管的发射结）来与工作管的温度特性互相补偿。最有效的方法是设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移相互抵消。这就是“差动放大电路”的设计思想。,3）采用直流负反馈稳定静态工作点。,4）各级之间采用阻容耦合。,典型克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路,2010.1.30,原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。 但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤为严重。,为什么只对直接耦合电路提出零点漂移？,2010.1.30,3.3.2 差动放大电路的工作原理,(Differential Amplifier),一 电路组成及抑制零漂的工作原理,特点： a.两只完全相同的管子； b.两个输入端， 两个输出端； c.元件参数对称；,1、电路组成,2010.1.30,二、抑制零漂的工作原理,原理：静态时，输入信号为零，即将输入端和短接。由于两管特性相同，所以当温度或其他外界条件发生变化时，两管的集电极电流ICQ1和ICQ2的变化规律始终相同，结果使两管的集电极电位UCQ1、UCQ2始终相等，从而使UOQ=UCQ1-UCQ20，因此消除了零点漂移。,具体实践：在实践中，两个特性相同的管子采用“差分对管”，两半电路中对应的电阻可用电桥精密选配，尽可能保证阻值对称性精度满足要求。,结论：可想而知，即使采取了这些措施，差动放大电路的两半电路仍不可能完全对称，也就是说，零点漂移不可能完全消除，只能被抑制到很小。,2010.1.30,3、信号的输入方式和电路的响应,（1）差模输入方式,Ui1=Uid，Ui2=Uid,差模输入信号为Ui1 Ui2=2 Uid,差模输入方式,若Ui1的瞬时极性与参考极性一致，则Ui2的瞬时极性与参考极性相反。则有：,ui1ib1 ic1 uc1,ui2 ib2 ic2 uc2 ,输出电压uO= uC1 uC20，而是出现了信号，记为Uod。,定义：Ad=Uod/2Uid,2010.1.30,（2）共模输入方式,Ui1=Ui2=Uic,在共模输入信号作用下，差放两半电路中的电流和电压的变化完全相同。,ui1=ui2=0，uo=0,Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。,定义：Auc=Uoc/Uic,共模输入方式,理想情况下，Auc=0,2010.1.30,（3）任意输入方式,输入端分别接Ui1和Ui2，这种输入方式带有一般性，叫“任意输入方式”。,Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2,Ui1=Uic+Uid,Ui2=Uic+（-Uid）,若,则,Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2,任意输入方式,2010.1.30,（4）存在的问题及改进的方案,以上研究的是基本的差动放大电路，它实际上不可能完全抑制零漂，因为两半电路不会完全对称。另外，如果从一管输出，则与单管放大电路一样，对零漂毫无抑制能力，而这种“单端输出”方式的形式又是经常采用的。,为了很好的抑制零漂，常在射级加一反馈电阻Re，稳定静态工作点，如图所示,2010.1.30,可以想见，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越小。但，RE太大，在一定的工作电流下，RE上的压降太大，管子的动态范围就会变小，如图所示。,2010.1.30,为了解决这个问题，采用双电源供电。改进后的电路称为长尾型差分放大电路，如图所示,2010.1.30,因为有负电源VEE提供发射极正偏所需要的电压，所以RB可以去掉。VT1和VT2的射极之间还接入了电位器RW，用于电路调零。,4. 射极耦合差动放大电路的静态分析,静态工作点的计算：,忽略Ib，有：Vb1=Vb2=0V,2010.1.30,5. 射极耦合差动放大电路的动态分析,以双端输入双端输出为例。,2010.1.30,对于任意输入信号Ui1和Ui2，可以用一个差模信号和一个共模信号叠加来表示。其中,Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2,Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2,因此总是分别求电路的差模电压放大倍数和共模电压放大倍数。,1)、差模电压放大倍数,关键在于画出差模信号作用下，半电路的交流通路和微