第 3 章 多级放大电路

1. 第3章 多级放大电路 主要内容： 3.1 多级放大电路的耦合方式 3.2 差动放大电路 3.3 互补对称功率放大电路 3.4 集成运算放大器 3.5 放大电路中的负反馈

2. 目的和要求： 1、掌握多级放大电路的耦合方式； 2、掌握差动的放大电路的工作原理和输入输出方式； 3、掌握互补对称功率放大电路； 4、掌握集成运算放大器的特点、组成、类型及主要参数； 5、掌握集成运放的理想模型； 6、深刻理解负反馈的基本概念、类型及其判别方法； 7、掌握负反馈对放大器的影响。

3. 多级放大电路的组成

4. 3.1 多级放大电路的耦合方式 耦合：放大器与放大器之间的联接方式。 耦合方式：有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合三种。 阻容耦合放大电路、变压器耦合放大电路只能放大交流信号，而直接耦合放大电路还能放大直流信号。 多级放大电路对耦合电路要求： 要求：波形不失真，减少压降损失。 1. 静态：保证各级Q点设置 2. 动态: 传送信号。

5. 3.1.1 阻容耦合放大电路 1．阻容耦合放大电路的特点 各极之间通过耦合电容及下级输入电阻连接。 优点：各级静态工作点互不影响，可以单独调整到合适位置；且不存在零点漂移问题。 缺点：不能放大变化缓慢的信号和直流分量变化的信号；且由于需要大容量的耦合电容，因此不能在集成电路中采用。

6. 阻容耦合放大电路

7. 2．阻容耦合放大电路分析 （1）静态分析：各级单独计算。 （2）动态分析 ①、电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积。 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大倍数时，其负载电阻就是第二级的输入电阻。 ②、输入电阻就是第一级的输入电阻。 ③、输出电阻就是最后一级的输出电阻。

8. 3．阻容耦合放大的频率特性和频率失真 中频段：电压放大倍数近似为常数。 低频段：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。 高频段：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降低。

9. 几个概念： 幅频特性：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。电压放大倍数与频率的函数关系。 相频特性: 相位移与频率的函数关系。 幅频特性、相频特性二者统称为频率特性或频率响应。上限频率和下限频率：放大电路呈现带通特性。图中fH和fL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。 通频带：上限频率和下限频率的差值。

10. 几个概念（续）： 频率失真：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，输出信号uo波形将产生失真。这种失真与放大电路的频率特性有关，故称为频率失真。

11. 3.1.2 直接耦合放大电路 优点： （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： （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。

12. 1）何谓零点漂移？ 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。 2）产生零点漂移的原因 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。 3）零点漂移的严重性及其抑制方法 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。

13. 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。 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。 变压器耦合放大电路：用于功率放大及调谐放大。 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。

14. R1 R1 RC RC uo RB RB V2 V1 ui1 ui2 3.2 差动放大电路 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是输入级采用差动放大电路。 3.2.1 差动放大电路的 工作原理 特点： 1、两只完全相同的管子；2、两个输入端，两个输出端；3、元件参数对称；

15. +UCC R1 R1 RC RC uo RB RB V2 V1 ui1 ui2 1．抑制零点漂移的原理 静态时： uil=ui2＝0 ，此时由电源Ucc通过电阻R1和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： IC1= IC2 UC1= UC2 输出电压： uo＝ UC1 － UC2=0

16. R1 R1 RC RC uo RB RB V2 V1 ui1 ui2 抑制零点漂移的原理（续） +UCC 温度变化时：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。即： ΔIC1=Δ IC2 ΔUC1= ΔUC2 输出电压： uo＝ (UC1 + ΔUC1)－( UC2 +ΔUC2 )=0 即消除了零点漂移。 注意：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。

17. R1 R1 RC RC uo RB RB V2 V1 ui1 ui2 2．信号输入分类 (1)差模输入：ui1 = -ui2= ud (2)共模输入：ui1= ui2 = uC (3)比较 输入：任意输入的信号 ui1 ,ui2 ，都可分解成差模分量和共模分量。 +UCC

18. +UCC R1 R1 RC RC uo RB RB V2 V1 ui1 ui2 （1）共模输入 理想情况：ui1 = ui2 uC1 = uC2 uo= 0 但因两侧不完全对称， uo0 （很小，<1) 共模电压放大倍数：

19. +UCC R1 R1 RC RC uo RB RB V2 V1 ui1 ui2 （2）差模输入 输入信号：ui1 =- ui2 =ud（大小相等，极性相反） 设uC1 =UC1 +uC1， uC2 =UC2 +uC2。 因ui1 = -ui2，uC1 =-uC2 uo= uC1 - uC2= uC1- uC2 = 2uC1 差模电压放大倍数： (很大，>1)

20. （3）比较输入 比较输入：两个输入信号电压的大小和相对极性是任意的，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组合，即： 式中uic为共模信号，uid为差模信号。由以上两式可解得：

21. 对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压：对于线性差动放大电路，可用叠加定理求得输出电压： 结 论 1、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。 2、差模信号是有用信号，要求对差模信号有较大的放大倍数；而共模信号是干扰信号，因此对共模信号的放大倍数越小越好。

22. 共模抑制比 在一般情况下，电路不可能绝对对称，Ac≠0。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，引入共模抑制比，以KCMR表示。 共模抑制比：为Ad与Ac之比的绝对值，即： 或用对数形式表示： 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。

23. 提高共模信号的抑制能力的措施： 1、在发射极加电阻RE 2、增加负电源UEE：可以补偿RE上的直流压降，使发射极基本保持零电位。 3、恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。

24. 3.2.2 差动放大电路的输入输出方式 差动放大器共有四种输入输出方式:

25. 差动放大器共有四种输入输出方式（续）:

26. 单端输入方式说明： 1、连接方式：输入信号只加到放大器的一个输入端，另一个输入端接地。 2、单端输入属于差模输入：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时，另一个晶体管发射极电流必然随之作相反的变化，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。

27. 单端输出方式说明： 1、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。 2、由于两个单管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。 3、由于恒流源或射极电阻RE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。所以单端输出时仍常采用差动放大电路，而不采用单管放大电路。

28. 差动放大器动态参数计算总结 1、差模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式 有关。 双端输出时： 单端输出时： 2、共模电压放大倍数与单端输入还是双端输入无关，只与输出方式有关。 双端输出时： 单端输出时：

29. Ic ICM PCM uce UCEM 3.3 互补对称功率放大电路 3.3.1 功率放大电路的特点及类型 1．功率放大电路的特点 功率放大电路的基本要求: (1)、 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM、UCEM、PCM。

30. 功率放大电路的基本要求（续）: (2)、 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。 (3)、 电源提供的能量尽可能地转换给负载，以减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。 Pomax: 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。

31. 2．功率放大电路的类型 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。

32. 既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用互补对称射极输出电路。既降低Q点又不会引起截止失真的办法：采用互补对称射极输出电路。 3.3.2 互补对称功率放大电路 如何解决效率低的问题？ 办法：降低Q点。 缺点：但又会引起截止失真。

33. 互补对称功放的类型 无输出变压器形式 （ OTL电路） 单电源供电 无输出电容形式 （ OCL电路） 双电源供电 互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 PNP各一支；两管特性一致。 类型：

34. +USC V1 ui iL uo RL V2 -USC 1．OCL功率放大电路 电路的结构特点： 1. 由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。 2. 双电源供电。 3. 输入输出端不加隔直电容。

35. +USC V1 ic1 V1导通，V2截止 iL= ic1; ui iL V1截止，V2导通 uo ic2 RL iL=ic2 V2 -USC 静态分析： ui = 0V  V1、V2均不工作  uo = 0V 因此，不需要隔直电容。 动态分析： ui > 0V ui 0V

36. ui +USC t V1 uo1 t uo2 ui iL uo RL t V2 uo -USC t 交越失真 乙类OCL放大的输入输出波形关系: 死区电压 交越失真：输入信号 ui在零点前后，输出信号出现的失真为交越失真。

37. 减小交越失真的方法： 给V1、V2发射结加适当的正向偏压，以便产生一个不大的静态偏流，使V1、V2导通时间稍微超过半个周期，即工作在甲乙类状态。 如图所示。图中二极管D1、D2用来提供偏置电压。静态时三极管V1、V2虽然都已基本导通，但因它们对称，基极电压UE仍为零，负载中仍无电流流过。

38. + U CC R 1 V 1 + R 2 C E + u D i 1 + D R 2 u － L o V 2 － R 3 2．OTL功率放大电路 一、特点 1. 单电源供电； 2. 输出加有大电容。 二、静态分析 V1、V2 特性对称，

39. 时，T1导通、T2截止； + U CC R 1 时， V 1 + R 2 C E + u T1截止、 T2导通。 D i 1 + D R 2 u － L o V 2 － R 3 三、动态分析 设输入端在 0.5USC 直流电基础上加入正弦信号。 若输出电容足够大， UC基本保持在0.5USC ，负载上得到的交流信号正负半周对称， 两个晶体管都只在半个周期内工作，称为乙类放大。

40. 3.4 集成运算放大器简介 3.4.1 集成运算放大器的工艺特点 1、电感元件制造困难， 几十 pF 以下的小电容用PN结的结电容构成、大电容要外接。 2、 电路元件制作在一个芯片上，元件参数偏差方向一致，温度均一性好，输入级均采用差动放大电路。 3、 电阻元件由硅半导体构成，范围在几十到20千欧，精度低。高阻值电阻用三极管有源元件代替或外接。 4、 二极管一般用三极管的发射结构成。

41. 3.4.2 集成运算放大器的组成 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。 通常由差动放大电路构成，目的是为了减小放大电路的零点漂移、提高输入阻抗。 通常由互补对称电路构成，目的是为了减小输出电阻，提高电路的带负载能力。 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、合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。

42. 集成运放有两个输入端： 1、标“+”的输入端称为同相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相同； 2、标“－”的输入端称为反相输入端，输入信号由此端输入时，输出信号与输入信号相位相反。 集成运放的电路符号

43. 3.4.3 集成运算放大器的主要参数及种类 1、集成运放的主要参数 （1）差模开环电压放大倍数Ado：指集成运放本身（无外加反馈回路）的差模电压放大倍数，即 。 它体现了集成运放的电压放大能力，一般在104～107之间。Ado越大，电路越稳定，运算精度也越高。 （2）共模开环电压放大倍数Aco：指集成运放本身的共模电压放大倍数，它反映集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力，优质的集成运放Aco应接近于零。 （3）共模抑制比KCMR：用来综合衡量集成运放的放大能力和抗温漂、抗共模干扰的能力，一般应大于80dB。

44. 1、集成运放的主要参数（续） （4）差模输入电阻rid：指差模信号作用下集成运放的输入电阻。 （5）输入失调电压Uio：指为使输出电压为零，在输入级所加的补偿电压值。它反映差动放大部分参数的不对称程度，显然越小越好，一般为毫伏级。 （6）失调电压温度系数ΔUio／ΔV：是指温度变化ΔV时所产生的失调电压变化ΔUio的大小，它直接影响集成运放的精确度，一般为几十μV／℃。 （7）转换速率SR：衡量集成运放对高速变化信号的适应能力，一般为几V／μs，若输入信号变化速率大于此值，输出波形会严重失真。

45. 2、集成运放的种类 1、通用型：性能指标适合一般性使用，其特点是电源电压适应范围广，允许有较大的输入电压等，如：CF741等。 2、低功耗型：静态功耗≤ 2mW，如： XF253等。 3、高精度型：失调电压温度系数在1uV/0C左右。 4、高阻型：输入电阻可达1012Ω。 还有宽带型、高压型等等。使用时须查阅集成运放手册，详细了解它们的各种参数，作为使用和选择的依据。

46. 3.4.3 集成运算放大器的理想模型 集成运放的理想化参数： Ado=∞、 rid=∞、 ro=0 、KCMR=∞、等 u o U OM 理想特性 ∞ Δ 实际特性 u － － + u o 0 u u u － + + + － U － OM 理想运放符号 运放电压传输特性 非线性区分析依据： 非线性区（饱和区） 当ｕi>0，即ｕ＋>ｕ－时，ｕo＝＋ｕOM 当ｕi<0，即ｕ＋<ｕ－时，ｕo＝－ｕOM

47. 理想运放： ri KCMRR ro 0 Ado   u－ Auo － uo ＋ u+ ＋ 3.4.4 集成运算放大器的理想模型 运放的特点: ri大: 几十k几百 k KCMRR 很大 ro小：几十  几百 A do很大: 104  107 运放符号：

48. ui uo uo Auo _  ui + +  理想特性 +UOM 实际特性 -UOM 线性放大区 例：若UOM=12V，Auo=106，则|ui|<12V时，运放处于线性区。 Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。

49. 虚短路 虚开路 集成运算放大器的理想模型 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。 理想运放的条件 运放工作在线性区的特点 放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。

50. 集成运算放大器的理想模型 虚短：是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。 虚断：是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。