【电子教案--模拟电子技术】第三章多级放大电路和集成电路运

模拟电子技术多级放大电路和集成电路运算放大器第三章3.1多级放大电路3.3集成电路运算放大器小结3.2差分放大电路模拟电子技术引言3.1.1级间耦合问题3.1.2多级放大电路的分析3.1多级放大电路模拟电子技术•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。引言模拟电子技术3.1.1级间耦合问题极间耦合形式：直接耦合A1A2电路简单，能放大交、直流信号，“Q”互相影响，零点漂移严重。阻容耦合A1A2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A1A2用于选频放大器、功率放大器等。模拟电子技术1、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模拟电子技术单级阻容耦合放大电路两极阻容耦合放大电路模拟电子技术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。模拟电子技术缺点：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。2、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模拟电子技术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：n1II,nUU2121L22222211LRnIUnnInUIUR模拟电子技术优点：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。模拟电子技术3直接耦合直接耦合和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。（1）直接耦合的具体形式模拟电子技术为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。（a）RRB1C1uiuoTT12UCE1E2RRC2(a)加入电阻RE2模拟电子技术RRB1C1RC2uiuoTT12RUz+VDzCC（b）在T2的发射极加入稳压管模拟电子技术RRB1C1RE2uiuoTT12RC2VCC+为了解决第二个问题：可以在电路中采用不同类型的管子，即NPN和PNP管配合使用，如下图所示。利用NPN型管和PNP型管进行电平移动模拟电子技术（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。（2）直接耦合放大电路的优缺点模拟电子技术（3）直接耦合放大电路中的零点漂移问题1）何谓零点漂移？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。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。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。模拟电子技术注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？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。模拟电子技术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。模拟电子技术4）零点漂移大小的衡量△uIdr=△uOdr/Au△T△uOdr是输出端的漂移电压；△uIdr就是温度每变化1℃折合到放大电路输入端的漂移电压。△T是温度的变化；Au是电路的电压放大倍数；模拟电子技术思路：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。3.1.2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模拟电子技术例:1如图所示的两级电压放大电路，已知β1=β2=50,T1和T2均为3DG8D。计算前、后级放大电路的静态值(UBE=0.6V);RB1C1C2RE1+++–RC2C3CE+++24V+–B1RB2RT1T2E2RE1R1M27k82k43k7.5k51010koU.Ui.模拟电子技术解:两级放大电路的静态值可分别计算。RB1C1C2RE1+++–RC2C3CE+++24V+–B1RB2RT1T2E2RE1R1M27k82k43k7.5k51010koU.Ui.模拟电子技术第一级是射极输出器:A8.9mA2750)(110000.624)(1E1B1BECCB1μRβRUUImA49.0mA0098.050)(1)1(B1E1IIV77.10V2749.024E1E1CCCERIUU第二级是分压式偏置电路解:模拟电子技术V26.843V438224B2B2B1CCB2RRRUVmA96.0mA5.751.06.026.8E2E2BE2B2C2RRUUI－模拟电子技术V71.6)V5.751.010(96.024)(E2E2C2C2CCCE2RRRIUURB1C1C2RE1+++–RC2C3CE+++24V+–Ui.B1RB2RT1T2E2RE1R1M27k82k43k7.5k51010koU.模拟电子技术2、动态性能分析Au1第一级Au2第二级Aun末级uiuo1RLRSuousuo2ui2uiniiiouuAunuuuuuuuuioi3o32i2oi1o...=Au1·Au2···AunAu1(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）放大倍数的计算模拟电子技术（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。模拟电子技术例:2如图所示的两级电压放大电路，已知β1=β2=50,T1和T2均为3DG8D。RB1C1C2RE1+++–RC2C3CE+++24V+–B1RB2RT1T2E2RE1R1M27k82k43k7.5k51010koU.Ui.（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模拟电子技术（1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数994022950)(13229)501()1()1(L111beL111u...RrRA第一级放大电路为射极输出器2bI2cIrbe2RC2rbe1RB1B1R2BR1bI1cIRE1+_+_+_2ERUi.oU.o1U.模拟电子技术第二级放大电路为共发射极放大电路1851.050)(179.11050)1(2E2be22C2－－RrRAu总电压放大倍数9.1718)(994.021uuuAAA2bI2cIrbe2RC2rbe1RB1B1R2BR1bI1cIRE1+_+_+_2ERUi.oU.o1U.模拟电子技术(2)计算ri和r0微变等效电路2ir1iirr2bI2cIrbe2RC2rbe1RB1B1R2BR1bI1cIRE1+_+_+_2ERUi.oU.o1U.模拟电子技术由微变等效电路可知，放大电路的输入电阻ri等于第一级的输入电阻ri1。第一级是射极输出器，它的输入电阻ri1与负载有关，而射极输出器的负载即是第二级输入电阻ri2。模拟电子技术kΩ58.1Ω96.0265120026)1(200Ebe2Irk14)1(////E2be2B2B12ΩRrRRrik22.9k14271427//i2E1L1ΩΩrRR2ir2bI2cIrbe2RC2rbe1RB1B1R2BR1bI1cIRE1+_+_+_2ERUi.oU.o1U.模拟电子技术kΩ34902650)(120026)(1200rE11be1.IβkΩ320)1(//L1be1B1i1iRrRrr2oorrk10C2o2oΩRrr2bI2cIrbe2RC2rbe1RB1B1R2BR1bI1cIRE1+_+_+_2ERUi.oU.o1U.模拟电子技术1=60,2=100;rbe1=2k,rbe2=2.2k。求Au,Ri,Ro。例3:模拟电子技术[解]Ri2=R6//R7//rbe2RL1=R3//Ri29.61.06123.160)1(41be1L111RrRAu1112.2)1.5//7.4(100be2L22rRAuAU=AU1•AU2Ri=Ri1=R1//R2//[rbe1+(1+1)R4]Ro=R8=4.7k模拟电子技术3、三种耦合方式放大电路的应用场合阻容耦合放大电路：用于交流信号的放大。变压器耦合放大电路：用于功率放大及调谐放大。直接耦合放大电路：一般用于放大直流信号或缓慢变化的信号。集成电路中的放大电路都采用直接耦合方式。为了抑制零漂，它的输入级采用特殊形式的差动放大电路。模拟电子技术3.2差分放大电路3.2.1差分放大电路的工作原理3.2.3具有恒流源差分放大电路3.2.2差分放大电路的输入输出形式模拟电子技术3.2.1差动放大电路的工作原理(DifferentialAmplifier)一电路组成及抑制零漂的工作原理1、电路组成特点：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；模拟电子技术2、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①和②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-UCQ2≡0，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，