[工学]第3章 多级放大电路及集成运算放大器

Ri
RS Ri
Ii IS
RS
RS Ri
(3—1) (3—2)
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RS . US
输
入
. Ui
Ri 级
. Ii
. IS
RS
输 入 Ri 级
(a)
(b)
图3.5 信号源内阻、 (a)信号源内阻降低输入电压; (b)信号源内阻降低输入电流
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2.
中间级级间的相互关系归结为：前级的输出信号为 后级的信号源，其输出电阻为信号源内阻，后级的输入 电阻为前级的负载电阻。如图3.6所示,第二级的输入电阻 为第一级的负载，第三级的输入电阻为第二级的负载， 依次类推。
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3.1.3 直接耦合
直接耦合：将前级的输出端直接接后级的输入端。 可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。
R1 RC1
R2
+
T1
ui
–
RC2 T2
RE2
+UCC
+ uo –
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直接耦合存在的两个问题：
1. 前后级静态工作点相互影响 2. 零点漂移
零点漂移：由于温度等原因，使放大电路在输入信 号为零时，输出电压不为零的现象。
若电路不完全对称，则 Ac 0， 实际输出电压 uo = Ac uic + Ad uid
即共模信号对输出有影响 。
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3. 2. 2 典型差动放大电路
RB +
RC + uo – RC T1 RP T2
RB
+UCC +
ui1
RE
ui2
–
+–EE
–
RE的作用：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。 EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。
fH
f
(b)
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高频区放大倍数的下降原因是由于三极管 结电容和杂散电容的容抗随频率增加而减小所 引起。结电容通常为几十到几百皮法，杂散电 容也不大，因而频率不高时可视为开路。在高
频时输入的电流被分流，使得IC减小，输出电
压降低，导致高频区电压增益下降，如图3.10 所示。
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Ccb
两管集电极电位呈等量同向变化，所以输出 电压为零，即对共模信号没有放大能力。
差动电路抑制共模信号能力的大小，反映了它
对零点漂移的抑制水平。
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2. 有信号输入时的工作情况
RB2
RB1
差模信+号+ 是有用信u号i1
––
RC +
T1
uo – RC T2
+UCC
RB2
RB1 +– ui2 –+
20212021101024244242图321双端输入单端输出202120211010242443431610116101对功率放大电路的基本要求对功率放大电路的基本要求功率放大电路与电压放大器的区别是功率放大电路与电压放大器的区别是电压放大器是多级放电压放大器是多级放大器的前级它主要对小信号进行电压放大主要技术指标大器的前级它主要对小信号进行电压放大主要技术指标为电压放大倍数输入阻抗及输出阻抗等为电压放大倍数输入阻抗及输出阻抗等
ui2 = 18 mV － 2 mV
放大器只 放大两个 输入信号 的差值信 号—差动 放大电路。
共模信号 差模信号
这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制
系统中是常见的。
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3. 共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio)
在理想状态下，即电路完全对称时，差动式放大电 路对共模信号有完全的抑制作用。实际电路中，差动
阻容耦合的缺点是：信号在通过耦合电容加到下一级时会 大幅衰减，对直流信号（或变化缓慢的信号）很难传输。 在集成电路里制造大电容很困难，不利于集成化。所以， 阻容耦合只适用于分立元件组成的电路。
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3.1.2. 变压器耦合
变压器耦合是利用变压器将前级的输出端与后级的 输入端连接起来，这种耦合方式称为变压器耦合。
通频带
O
f
幅频特性
fH
适合于集成化的要求，在集成运放的内部，级间 都是直接耦合。
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3.1.2
1. 信号源和输入级之间的关系
信号源接放大电路的输入级，输入级的输入电阻就 是它的负载，因此可归结为信号源与负载的关系。如图
3.5所示，放大电路的输入电压和输入电流可用下面两式
计算：
Ui US
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3.2 差动放大电路
差动放大电路是抑制零点漂移最有效的电路结构。
3. 2. 1 差动放大电路的工作情况
RB2 RB1
+ ui1
RC + uo – RC
T1
T2
+UCC
RB2
两个输入、
RB1
两个输出
+ ui2
两管静态工 作点相同
–
–
差动放大原理电路
电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对 应电阻元件的参数值都相等。
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稳定静态工作点的过程
加Re后，当温度上升时，由于IC1和IC2同时增大，
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。
共模抑制比 差模放大倍数
K CMR
Ad AC
KCMR (dB) 20lg
Ad AC
( 分贝
)
共模放大倍数
KCMR越大，说明差放分辨
差模信号的能力越强，而抑制
共模信号的能力越强。
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若电路完全对称，理想情况下共模放大倍数 Ac = 0 输出电压 uo = Ad （ui1 － ui2 ） = Ad uid
Aud RL
rbe RS
RL

Rc
//( 1 2
RL )
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由于两管对称，RL的中点电位不变相当于交流的 地电位，对于单管来讲负载是RL的一半，即 RL。
输入电阻
ri=2(RS+rbe)
(3—6)
因此输入回路经两个管的发射极和两个RS，则
输出电阻
ro=2Rc 因此输出端经过两个Rc 。
uo
O
t
产生的原因：晶体管参数随温度变化、电源电压
波动、电路元件参数的变化。
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零点漂移的危害：
直接影响对输入信号测量的准确程度和分辨能力。
严重时，可能淹没有效信号电压，无法分辨是有效
信号电压还是漂移电压。
一般用输出漂移电压折合到输入端的等效漂移电
压作为衡量零点漂移的指标。 输出端
相位移 与频率 f 的关系
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|Au |
| Auo |
0.707| Auo |
耦合、旁路 电容造成。
通频带
O fL
–90° –180° –270°
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幅频特性
下限截 止频率
相频特性
三极管结电
容、 造成
fH f
上限截 止频率 f
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1. 幅频特性
共射极放大电路的幅频特性如图3.9所示。从幅频 特性曲线上可以看出，在一个较宽的频率范围内，曲 线平坦，这个频率范围称为中频区。在中频区之外的 低频区和高频区，放大倍数都要下降。
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1. 零点漂移的抑制
RB2 RB1 + ui1 –
RC + uo – RC
T1
T2
+UCC
RB2
RB1 + ui2 –
静态时，ui1 = ui2 = 0 uo= VC1 － VC2 = 0 uo= (VC1 + VC1 ) － (VC2 + VC2 ) = 0
当电源电压波动或温度变化时，两管集电极电流和集电极
输入端等效 漂移电压
uId
uod Au
漂移电压
电压 放大倍数
只有输入端的等效漂移电压比输入信号小许多时，放 大后的有用信号才能被很好地区分出来。
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抑制零点漂移是制作高质量直接耦合放大电路 的一个重要的问题。
由于不采用电容，所以直接耦合放大电路具有 良好的低频特性。
|Au | | Auo | 0.707| Auo |
电压同时发生变化。输出电压仍然为零。可见，尽管各管 的零漂存在，但输出电压为零，从而使得零漂得到抑制。
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2. 有信号输入时的工作情况
RB2 RB1 ++ 共需模要信抑号制– u–i1
RC +
T1
uo – RC T2
+UCC
RB2
RB1 ++ ui2 ––
(1) 共模信号 ui1 = ui2 大小相等、极性相同
+C3
T2
+
RE2
+ RL U o
CE2 –
信号源
第一级
第二级
负载
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由于电容有隔直作用，所以每级放大电路的直流通路互不 相通，每级的静态工作点互相独立，互不影响，可以各级 单独计算。
阻容耦合的优点是：前级和后级直流通路彼此隔开，每一 级的静态工件点相互独立，互不影响。便于分析和设计电 路。因此，阻容耦合在多级交流放大电路中得到了广泛应 用。
Rc
.
Ui Rb
Cbe
Cc RL
图3.10 高频通路
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2. 通频带
把放大倍数Aum下降到
1 2
Aum时对应的频率称为下
限频率fL和上限频率fH，夹在上限频率和下限频率之间
的频率范围称为通频带fBW。
fBW fH fL
(3—4)
两级放大电路的幅频特性如图3.11所示。由图可 见，多级放大电路虽然提高了中频区的放大倍数， 但通频带变窄了，这是一个重要的概念。
式放大电路不可能做到绝对对称，这时Uo≠0，Ac≠0，
即共模输出电压不等于零。共模电压放大倍数不等于
零，Ac=Uo/ΔUi。为了衡量差动式电路对共模信号的抑 制能力,引入共模抑制比，用KCMRR表示。
KCMRR
Ad Ac
(3—8)
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3. 共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio)
(2) 差模信号 ui1 = – ui2 大小相等、极性相反
两管集电极电位一减一增，呈等量异向变化，
uo= (VC1－VC1 )－(VC2 + VC１ ) =－2 VC1
即对差模信号有放大能力。
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差模输入信号
Uid Ui1 Ui2 2Ui1 2Ui2
差模输出电压Ui1
1 2
UCC
C1 ＋ . Ui －
Rb11 Rb12
T1 V1
Re1
Ce1
Rb21
RL
T2 V2
Cb2
Rb22
Re2
Ce2
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变压器耦合的优点是：由于变压器不能传 输直流信号，且有隔直作用，因此各级静态工 作点相互独立，互不影响。变压器在传输信号 的同时还能够进行阻抗、电压、电流变换。
变压器耦合的缺点是：体积大、笨重等，不 能实现集成化应用。
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|Au1|
Aum1 0. 707Aum1
Aum1
Aum2
|Au2|
0. 707Aum2
Aum2
0 fL
0
fH
f
fL
fH
f
(a) |Au|
(b)
Aum
0. 707Aum 0. 49Aum
Aum＝Aum·Aum2
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0 fL
fH
f
(c)
图3.11 两级放大电路的通频带
Uid
,U
i
2
1 2
Uid
Uod Uc1 Uc2 2Uc1 2Uc2
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差模电压放大倍数
Aud
U od U id
2UC1 2U i1
Au1 Au2
即差动式放大电路的差模电压放大倍数等于单管
共射极电路的电压放大倍数。
由于Rb
式中
Aud
Au1
Rc rbe RS
rbe，如果接上RL，则
引起低频区放大倍数下降的原因是由于耦合电容C1、 C2及Ce的容抗随频率下降而增大所引起。
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Rb11 C1
Rc C2 V
|Au| ＋UCC
Aum
0. 707Aum
. Ui
Rb12
RL
Re
Ce
0
fL
(a)
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图3.9共射极放大电路的幅频特性 (a)电路； (b)幅频特性
(3—7）
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(3) 比较输入
ui1 、ui2 大小和极性是任意的。 例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV
可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV ui2 = 8 mV － 2 mV
例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV
第3章 多级放大电路及集成运算放大器
3.1 多级放大电路 3.2 差动放大电路 3.3 互补对称功率放大电路
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输 入 输入级
3.1 多级放大电路
第二级
推动级
输 出
输出级
多级放大电路的框图
耦合方式：信号源与放大电路之间、两级放大电
路之间、放大器与负载之间的连接方式。
常用的耦合方式：直接耦合、阻容耦合和变压器耦
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3.1.3 放大电路的频率特性
阻容耦合放大电路由于存在级间耦合电容、发射 极旁路电容及三极管的结电容等，它们的容抗随频 率变化，故当信号频率不同时，放大电路的输出电 压相对于输入电压的幅值和相位都将发生变化。
频 幅频特性：电压放大倍数的模|Au|与频率 f
率
的关系
特
性 相频特性：输出电压相对于输入电压的
1）
因为
Au1
Uo1
,
Au 2
Uo2
, , Aun
Uon
Ui1
Ui2
Uin
Ui1 Ui2 ,Uo2 Ui3, ,Uon Ui(n1)
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Au
U
on
Au1 Au2 Aun
U i1
即总的电压放大倍数为各级放大倍数的连乘积。
2）多级放大电路的输入、
多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻， 其输出电阻就是最后一级的输出电阻，如图3.6所示。
合。
对耦合电 路的要求
静态：保证各级有合适的Q点
动态: 传送信号
波形不失真 减少压降损失
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3.1.1 阻容耦合
阻容耦合是利用电容器作为耦合元件将前级和后 级连接起来。
RB1