第4章-多级放大电路和集成运算放大电路.

第4章多级放大电路和集成运算放大电路4.1多级放大电路的耦合方式及分析4.2差动放大电路4.3集成运算放大电路思考：4－1（1.2.3.4.5.）习题：4－5、4－8、4－15选作：4－7、4－13第4章多级放大电路和集成运算放大电路重点:1.多级放大电路的耦合方式及其特点，多级放大电路的动态参数与组成它的各级电路之间的关系。2.差动放大电路工作原理、静态工作点、差模放大倍数、输入电阻、输出电阻的分析和估算。3.集成运放的特点及主要参数。本章重点与难点本章重点与难点难点:1.组成多级放大电路的各级电路的输入电阻和输出电阻及其对多级放大电路动态参数的影响。2.单端输出差分放大电路静态和动态的分析。主要原因是单管放大电路性能无法满足要求。解决思路将多个基本放大电路连接起来构成“多级放大电路”为什么引入多级放大？4.1多级放大电路的耦合方式及分析常见耦合方式有四种:直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合多个基本放大电路连接构成了“多级放大电路”，每一个基本放大电路叫一“级”，级与级之间的连接方式叫“耦合方式”。4.1多级放大电路的耦合方式及分析1.直接耦合问题：UCE1=UBE20.7V,使VT1接近饱和区,动态时易产生饱和失真。前一级输出直接接后一级输入。解决办法：设法提高UB2。(1)电路形式4.1.1多级放大电路的耦合方式1）加入电阻RE2(影响Au2)1.直接耦合2）在VT2的发射极加稳压管电阻R保证稳压管的电流大于最小稳压稳定电流。直流时VS有压降，但动态时电阻小，对放大能力影响小。3）NPN型和PNP型管配合使用UC2UB2(UC1)利用NPN型管和PNP型管进行电平移动。保证VT2工作在放大区,要解决NPN管多级共射接集电极电位逐级升高，级数受到限制问题！(2)直接耦合方式的特点各级静态工作点相互影响，电路的分析、设计和调试较困难。1）低频特性较好，可以放大变化缓慢的信号；2）电路中没有大电容，易于集成。优点：缺点：零点漂移：输入电压为零时，而输出电压不为零且缓慢变化的现象。ut0o（3）直接耦合放大电路的零点漂移产生的原因：电源电压波动、元器件老化、半导体元件参数随温度变化而产生变化等。直接耦合放大电路的漂移逐级放大,会造成电路无法正常工作。将温度变化1°C时，放大电路输出端的漂移电压折合到输入端，衡量零点漂移大小。TAuuuodrIdr主要原因：温度变化引起半导体器件参数的变化，又称温度漂移（简称温漂）。（3）直接耦合放大电路的零点漂移抑制零点漂移的方法：1）采用恒温措施；2）温度补偿法，用热敏元件（如二极管、热敏电阻）抵消温度的变化；3）引入直流负反馈稳定静态工作点；4）采用“差动放大电路”（用特性相同的两只管子，使其温漂相互抵消）；5）用其他的耦合方式。（3）直接耦合放大电路的零点漂移2.阻容耦合将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端。特点：1）各级静态工作点相互独立,静态分析、设计和调试方便；2)交流信号在传输过程中损失小；2.阻容耦合3）耦合电容的隔直作用使电路的温漂很小；4）低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；5）大电容的存在，阻容耦合放大电路不便于集成。3.变压器耦合前级输出端通过变压器接到后级输入端或负载电阻上，前后级通过磁路耦合。变压器耦合方式的特点：（1）各级静态工作点相互独立，设计、计算、调试方便；（3）变压器的存在，不便集成。（2）低频特性差，不能用来放大直流和缓慢变化的信号。（4）最大特点可以实现阻抗变换，广泛用于分立元件功率放大电路。3.变压器耦合4.光电耦合(1)光电耦合器以光信号为媒介实现电信号的耦合与传递。将发光元件与光敏元件相互绝缘地组合在一起.DT1T2iciDceuD+-光电耦合器发光元件在输入回路，将电能转换为光能；光敏元件在输出回路：将光能转换为电能。CEUDCiiCTR传输比：（与晶体管相类似）CTR数值小，在0.1～1.5。uCEiD3iD2iD1增大iDic传输特性传输特性描述了光电晶体管集电极电流及管压降与发光二极管电流的关系。当管压降合适时，iC几乎仅由iD决定。4.光电耦合(2)光电耦合放大电路光电耦合电路输入回路与输出回路间没有电气连接，靠光耦合，具有较强的抗干扰能力。DT1T2usVCCRs+-+-uo+VCC信号源光电耦合器输出回路4.1.2多级放大电路的静态及动态分析阻容耦合电路各级静态工作点相互独立,计算方法同单管放大电路。直接耦合电路各级静态工作点相互影响,需列方程组求解，常以特殊电位点做为突破口，简化求解过程。（相对复杂）1.静态工作点的分析2.动态性能的分析多级放大电路方框图：12212ooouiiiuuunUUUAUUUAAA总电压增益等于组成它的各级放大电路电压增益的乘积。注意:计算每一级的Au必须将后一级的输入电阻作为其负载。2.动态性能的分析多级放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻：Ri=Ri1多级放大电路的输出电阻等于最后一级的输出电阻。Ro=RonRiRo2.动态性能的分析例:写出图示电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。静态工作点稳定电路共射电路共集电路画出多级放大电路的微变等效电路，逐级进行计算过程复杂。根据所学知识，直接写出总电路的各项参数的表达式。+VCCRCC1C2VTRLRB2RE++RB1+-+-iUoU静态工作点稳定电路CORR//(1)CLubeERRArR'12'////[(1]]iBBiibeERRRRRrR分压式偏置稳定共射放大电路的动态分析+－rbeUo•Ui•Ib••RCRLREIe+RB2RB1Ib•－LELRRR//+VCCC1C2VTRLRE++RB+-+-iUoURssU共集放大电路''(1)(1)LubeLRArR//[(1)]iBbeLRRrR//1besoErRRRsBsRRR//需要考虑的是：在多级互连电路中，RS和RL的具体含义？共集放大电路解：3893////ibeRRRr电压放大倍数26227//[(1)]ibeRRrR121113(1)ubeRArR222//iRRR773//iRRR722722)1()1(RrRAbeu101012//RRR31033ubeRAr123uuuuAAAA输入电阻Ri=R1//R5//[rbe1+(1+1)R3]=Ri1输出电阻Ro=R10=Ro3如果输入级（或输出级）为共集电路，则输入电阻（输出电阻）的计算需考虑后（前）级的影响。4.2差动放大电路1.电路的组成4.2.1电路组成及抑制零漂原理特性相同的管子，组成两半结构完全对称的电路。信号从两管基极输入，从两管集电极输出。2.抑制零点漂移的原理因为两个管子的特性相同，当外界条件变化时，两管的集电极电位始终相等，使输出端电压为0，如此抑制了零点漂移。3.信号的输入方式和电路响应（1）共模输入方式两输入端接相同的信号的输入方式。共模信号：大小相等、极性相同的信号icUiciiUUU21共模电压增益icoccUUA0干扰信号可等效为共模信号，该差动放大电路输出端的共模电压为零。差模信号：大小相等、极性相反的信号。idU（2）差模输入方式加在两管输入端的信号大小相等，极性相反的输入方式。idiiUUU21用差模信号表示输入信号为idiiUUU221差模电压增益idoddUUA2输出电压不为零，出现差模输出信号。11112222iBCCiBCCuiiuuiiu输入差模信号时：（2）差模输入方式半电路分析法：半电路电压增益：1111()oddiCbeBbeUAURRrRr微变等效电路UiUo用多一倍电路来换取对零点漂移的抑制。12121()2odododdiddiddidUUUAUAUAU整个电路的输出电压：整个差放电路的差模电压增益：12odddidUAAU整个差放电路的电压增益与半电路相等（2）差模输入方式（3）任意输入方式两输入端接的输入信号分别为21iiUU和将任意输入信号看作由共模输入分量和差模输入分量组成。icidiicidiUUUUUU21icidiicidiUUUUUU21121()2iciiUUU由有（3）任意输入方式121()2idiiUUU因为共模电压增益为零，所以输出电压中只有差模分量。111112()2()odiddiddiddiiUAUAUAUAUU（3）任意输入方式两个输入端之间有差别，输出端才有变动，因此称为差动放大电路。（4）存在的问题及解决方案两半电路不完全对称或输出信号取自一个管子的集电极（单端输出）时，电路没有抑制零点漂移的能力，必须提高每一半电路的稳定性。（4）存在的问题及解决方案在射极接大电阻，同时采用正负电源保证合适的静态电流及动态范围。该电路称为“长尾式差动放大电路”。又称为“射极耦合差动放大电路”。12EEBQBEQEQEVIRUIR4.2.2射极耦合差动放大电路的分析1.射极耦合差动放大电路的静态分析（RRP较小可略）122REEQEQEQIIII12(1)2(1)EEBEQBQEEEEVUIRRVREEEBQEQRVII2)1(EEEBQEQRVII2)1(表明受温度影响很小，Q点基本稳定。CCQCCCQCQRIVUU21EEQCCQEECCCEQCEQRIRIVVUU2)(211211()CEQCEQCQEQCCCQCBEQBQEQBEQBQUUUUVIRUIRUUIR或1.射极耦合差动放大电路的静态分析2.射极耦合差动放大电路的动态分析双端输入、双端输出12iiiUUU将化成和串联形式12121()21()2iciiidiiUUUUUU共模和差模输入分量分别为：2.射极耦合差动放大电路的动态分析12iiUU当输入信号地在中点时，由于电路对称，输入信号经分压后加在半电路上的信号各为一半，大小相等方向相反，不存在共模输入。两管射极电流变化大小相等方向相反（一增大一减小），RE上的总电流不变，RP中点C电位恒定，相当交流接地。差模信号作用下A、B、C三点均为交流接地两管集电极电位一升高一降低，RL两端电位一端升高，一端降低，中点电位恒定，相当交流接地。+VCCRCVT1RL/2RP/2+-+-iUoUR1半电路分析法：2.射极耦合差动放大电路的动态分析1122(//)2(1)2ododddididLCbeRPUUAAUURRRrR（1）差模电压增益（2）共模电压增益差模电压增益等于半电路电压增益。2.射极耦合差动放大电路的动态分析0occicUAU＝(4)差模输入电阻:]2/)1([21RPbeiRrRRCoRR2(3)差模输出电阻:2.射极耦合差动放大电路的动态分析(５)共模抑制比:衡量差动放大电路对差模信号放大能力和对共模信号抑制能力的技术指标。KCMR:定义cdCMRAAKCMRK电路对称且信号双端输出时2.射极耦合差动放大电路的动态分析（8）电压传输特性线性关系uoduId只在线性范围内能对差模信号实现放大。（6）最大共模输入电压UicM:（7）最大差模输入电压UidM:电路对正负向的共模输入电压都有限制。两个输入端间能承受的最大差模电压2.射极耦合差动放大电路的动态分析1.双端输入、双端输出方式（双入双出)*2.双端输入、单端输出方式（双入单出）3.单端输入、双端输出方式（单入双出）*4.单端输入、单端输出方式（单入单出）4.2.3输入和输出的四种接法及性能分析+VCCRCVT1RL/2RP/2+-+-iUoUR11.双端输入、双端输出（双入双出）半电路分析法：1.双端输入、双端输出（双入双出）12(//)2(1)2oddidLC