多级放大电路和集成 电路运算放大器

1. 第三 章 多级放大电路和集成 电路运算放大器 3.1　多级放大电路 3.2　差分放大电路 3.3 集成电路运算放大器 小结

2. 3.1　多级放大电路 引　言 3.1.1 级间耦合问题 3.1.2 多级放大电路的分析

3. 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”。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

4. A1 A2 A1 A2 A1 A2 3.1.1 级间耦合问题 极间耦合形式： 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。 阻容 耦合 变压 器 耦合 用于选频放大器、 功率放大器等。 电路简单，能放大交、直流 信号，“Q” 互相影响，零点 漂移严重。 直接 耦合

5. 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

6. 单级阻容耦合放大电路 两极阻容耦合放大电路

7. 优点： 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。 3）电路的温漂小。 4）体积小，成本低。

8. 缺点： 1）无法集成； 2）低频特性差； 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

9. 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。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：

10. 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。

11. 3 直接耦合 （1）直接耦合的具体形式 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。

12. R E2 为了解决第一个问题：可以采用如下的办法。 R R R C1 C2 B1 T 2 U u CE1 T o u 1 i （a） (a) 加入电阻RE2

13. +V CC R R R R C2 B1 C1 T T 2 u 1 o Dz Uz i u （b）在T2的发射极加入稳压管

14. V + CC 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。 R R R C1 B1 E2 T 2 T 1 u u R i o C2 利用NPN型管和PNP型管进行电平移动

15. （2）直接耦合放大电路的优缺点 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。

16. （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 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。 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。

17. 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。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。

18. 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。

19. 4）零点漂移大小的衡量 △uIdr= △uOdr/Au △T △uOdr是输出端的漂移电压； △T是温度的变化； Au是电路的电压放大倍数； △uIdr就是温度每变化1℃折合到放大电路输入端的漂移电压。

20. 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 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。

21. . U . +24V o Ui RC2 RB1 C3 1M + 10k 82k C1 + T2 + C2 T1 + + 510 RE1 + 27k CE 43k 7.5k – – 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);

22. . U . o Ui 解: 两级放大电路的静态值可分别计算。 +24V RC2 RB1 C3 1M + 10k 82k C1 + T2 + C2 T1 + + 510 RE1 + 27k CE 43k 7.5k – –

23. 解: 第一级是射极输出器: 第二级是分压式偏置电路

25. . U . o Ui +24V RC2 RB1 C3 1M + 10k 82k C1 + T2 + C2 T1 + + 510 RE1 + 27k CE 43k 7.5k – –

26. ii RS Au1 Au2 Aun uo1 ui2 uo2 RL ui uin uo us 第一级 第二级 末 级 2、动态性能分析 （1）放大倍数的计算 = 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!!!

27. （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。

28. . U . +24V o Ui RC2 RB1 C3 1M + 10k 82k C1 + T2 + C2 T1 + + 510 RE1 + 27k CE 43k 7.5k – – 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。 （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

29. . U . o Ui . U o1 （1）求各级电压的放大倍数及总电压放大倍数 I I I I c 1 b 2 c 2 b 1 + + rbe1 rbe2 RC2 RB1 + RE1 _ _ _ 第一级放大电路为射极输出器

30. I I I I c 1 b 2 c 2 b 1 + + rbe1 rbe2 RC2 RB1 . + U . o Ui RE1 _ _ _ . U o1 第二级放大电路为共发射极放大电路 总电压放大倍数

31. I I I I c 1 b 2 c 2 b 1 + + rbe1 rbe2 RC2 RB1 . + U . o Ui RE1 _ _ _ . U o1 (2)计算ri和 r0 微变等效电路

32. 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。

33. I I I I c 1 b 2 c 2 b 1 + + rbe1 rbe2 RC2 RB1 . + U . o Ui RE1 _ _ _ . U o1

34. . U . o Ui . U o1 I I I I c 1 b 2 c 2 b 1 + + rbe1 rbe2 RC2 RB1 + RE1 _ _ _

35. 1 = 60, 2 = 100; rbe1= 2 k, rbe2 = 2.2 k。 求 Au, Ri, Ro。 例 3:

36. [解] Ri2 = R6 // R7// rbe2 RL1 = R3 // Ri2 AU=AU1•AU2 Ri = Ri1= R1 // R2//[rbe1 + (1+ 1)R4] Ro = R8 = 4.7 k

37. 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。

38. 3.2差分放大电路 3.2.1 差分放大电路的工作原理 3.2.2 差分放大电路的输入输出形式 3.2.3 具有恒流源差分放大电路

39. 3.2.1 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 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；

40. 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，只能被抑制到很小。

41. 3、信号的输入方式和电路的响应 Ui1=Uid，Ui2=Uid （1）差模输入方式 差模输入信号为Ui1 －Ui2=2Uid 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： ui1↑→ib1 ↑ →ic1 ↑ →uc1↓ ui2 ↓ →ib2 ↓ →ic2 ↓ →uc2 ↑ 输出电压uO= uC1 －uC2≠0，而是出现了信号，记为Uod。 定义：Ad=Uod/2Uid 差模输入方式

42. 结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。结论：差模电压放大倍数等于半电路电压放大倍数。

43. （2）共模输入方式 共模输入方式下的差放电路 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=Uic ui1=ui2=0，uo=0 Ui1=Ui2=Uic时，Uoc=0。 定义：Ac=Uoc/Uic

44. Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为0，实际上Ac叫做共模电压放大倍数。理论上讲，Ac为0，实际上 由于电路不完全对称，可能仍会有不大的Uoc，一般Ac《1。 既然UOC=0或者UOC很小，为什么还要讨论共模输入呢？ 差放的两半电路完全对称，又处于同一工作环境，这时 温度变化以及其它干扰因素对这两半电路都有完全相同 的影响和作用，都等效成共模输入信号。如果在Uic作用 下，Uoc=0或Ac=0，则说明差放有效地抑制了因温度变化 而引起的零漂。

45. （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”。 任意输入方式 则 Ui1=Uic+Uid 若 Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2 Ui2=Uic+（-Uid） Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2

46. （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”。 结论：在任意输入方式下，被放大的是输入信号Ui1和Ui2的差值。这也是这种电路为什么叫做“差动放大的原因”。 若 Uid = (Ui1- Ui2 ) / 2 Uic = (Ui1+ Ui2 ) / 2 则 Ui1=Uic+Uid Ui2=Uic+（-Uid） 利用叠加原理得到： Uo=Ad·2Uid+AcUic 则Uid=2mV Uic=8mV = Ad（ Ui1- Ui2 ） Ui1=10mV Ui2=6mV 例如：

47. （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。 稳定静态工作点，就是要减小ICQ的变化，而抑制零点漂移也同样是减小ICQ的变化。即抑制零点漂移和稳定静态工作点是一回事。因此可以借鉴工作点稳定电路中采用过的方法，在管子的射极上接一电阻。这样，基本的差动放大电路就改进为如图4-15所示。 图4-15

48. 可以想见，RE越大，则工作点越稳定，零点漂移也越小。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4-16所示。为了保证一 定的静态工作电流和动态范围，而RE又希望取得大些， 常采用双电源供电，用电源VEE提供RE上所需的电压。 采用双电源供电后的的负载线也如图4-16所示，可以看 出在同一个ICQ下，输出电压的动态范围大多了。

50. RC RC VCC RL C1 C2 R1 R1 . - 1 + 2 VT1 VT2 Uo + . RW Ui VEE RE _ 2 改进后的电路叫射极耦合差动放大电路也叫长尾电路。 射极耦合差动放大电路