模拟电子技术系列经典之多级放大电路.docx
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模拟电子技术系列经典之多级放大电路
第3章多级放大电路
一、教学内容
⏹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
二、教学方法
本章主要通过课堂讲述、多媒体课件演示和电路仿真实验等方式进行理论教学。
本章介绍多级放大电路的耦合方式、差动放大电路、互补对称功率放大电路、集成运算放大器、负反馈等电路的原理及主要分析方法。
通过课后习题掌握。
三、教学过程
3.1多级放大电路的耦合方式
多级放大电路的组成
3.1.1阻容耦合放大电路
1.阻容耦合放大电路
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。
【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。
3.1.2直接耦合放大电路
优点:
能放大变化很缓慢的信号和直流分量变化的信号;且由于没有耦合电容,故非常适宜于大规模集成。
缺点:
各级静态工作点互相影响;且存在零点漂移问题。
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。
产生零点漂移的原因很多,其中最主要的是温度影响。
3.1.3 变压器耦合
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。
(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。
【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。
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。
频率失真:
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。
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
1.抑制零点漂移的原理
【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
【工作原理】静态时,uil=ui2=0,此时由负电源UEE通过电阻RE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
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=ΔIC2 ΔUC1=ΔUC2
输出电压:
uo=(UC1+ΔUC1)-(UC2+ΔUC2)=0
即消除了零点漂移。
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。
2.信号输入
(1)共模输入
共模信号:
两输入端加的信号大小相等、极性相同。
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。
共模电压放大倍数:
说明电路对共模信号无放大作用,即完全抑制了共模信号。
所以差动放大电路对共模信号抑制能力的大小,也就是反映了它对零点漂移的抑制能力。
(2)差模输入
差模信号:
两输入端加的信号大小相等、极性相反。
因两侧电路对称,放大倍数相等,电压放大倍数用Ad表示,则:
差模电压放大倍数
可见差模电压放大倍数等于单管放大电路的电压放大倍数。
(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:
对于线性差动放大电路,可用叠加定理求得输出电压:
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。
对于差动放大电路来说,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。
对共模信号的放大倍数越小,就意味着零点漂移越小,抗共模干扰的能力越强,当用作差动放大时,就越能准确、灵敏地反映出信号的偏差值。
共模抑制比KCMR定义为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。
恒流源比发射极电阻RE对共模信号具有更强的抑制作用。
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:
1.双端输入、双端输出(双入双出)
2.双端输入、单端输出(双入单出)
3.单端输入、双端输出(单入双出)
4.单端输入、单端输出(单入单出)
【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:
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.功率放大电路的特殊要求
Pomax大,三极管尽限工作=Pomax/PDC要高,失真要小
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。
3.3.2互补对称功率放大电路
1.OCL功率放大电路
ui=0V1、V2截止
ui>0V1导通V2截止
io=iE1=iC1,uO=iC1RL
ui<0V2导通V1截止
io=iE2=iC2,uO=iC2RL
存在问题:
当输入电压小于死区电压时,
三极管截止,引起交越失真。
甲乙类OCL-克服交越失真
当ui=0时,V1、V2微导通。
当ui<0(↓至↑),V1微导通→充分导通→微导通;V2微导通→截止→微导通。
当ui>0(↑至↓),V2微导通→充分导通→微导通;
Pomax=
2.OTL功率放大电路-克服交越失真
原理同上,电容C的作用:
(1)充当VCC/2电源
(2)耦合交流信号
Pomax=
3.4集成运算放大器
可靠性高、使用方便、放大性能好(极高的放大倍数、较宽的通频带、很低的零漂等)
3.4.1集成运算放大器的特点(制造工艺)
(1)直接耦合:
采用差分电路形式,元件相对误差小;
(
2)大电阻用恒流源代替,大电容外接;
(
3)二极管用三极管代替(B、C极接在一起);
(
4)高增益、高输入电阻、低输出电阻。
3.4.2集成运算放大器的组成
集成运放的电路符号(端子介绍)。
3.4.2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。
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。
集成运放抗温漂、抗共模干扰的能力,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,(4)差模输入电阻rid。
(5)输入失调电压Uio。
它反映差动放大部分参数的不对称程度,显然越小越好。
(6)失调电压温度系数ΔUio/ΔT。
直接影响集成运放的精确度。
(7)转换速率SR。
若输入信号变化速率大于此值,输出波形会严重失真。
2、集成运放的种类
(1)通用型。
(2)低功耗型。
(3)高精度型。
(4)高阻型。
还有宽带型、高压型等等。
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=∞
理想运放工作在非线性区的两个特点
当ui>0,即u+>u-时,uo=+uOM
当ui<0,即u+<u-时,uo=-uOM
线性区分析依据:
(1)虚断。
i+=i-=0。
(2)虚短。
u+=u。
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.
3.5放大电路中的负反馈
3.5.1反馈的基本概念
反馈:
将放大电路输出信号(电压或电流)的一部分或全部,通过某种电路(反馈电路)送回到输入回路,从而影响输入信号的过程。
反馈信号:
反馈到输入回路的信号。
反馈分类可分为正反馈和负反馈两大类型。
反馈信号增强输入信号的叫做正反馈;反馈信号削弱输入信号的叫做负反馈。
若xi、xf和xd三者同相,则xd>xi,即反馈信号起了削弱净输入信号的作用,引入的是负反馈。
瞬时极性法:
用来判别反馈的正、负极性。
晶体管、场效应管及集成运算放大器的瞬时极性如图所示。
【
例1】:
判断图示电路的反馈极性。
解:
设基极输入信号ui的瞬时极性为正,则发射极反馈信号uf的瞬时极性亦为正,发射结上实际得到的信号ube(净输入信号)与没有反馈时相比减小了,即反馈信号削弱了输入信号的作用,故可确定为负反馈。
【
例2】:
判断图示电路的反馈极性。
解:
设输入信号ui瞬时极性为正,则输出信号uo的瞬时极性为负,经RF返送回同相输入端,反馈信号uf的瞬时极性为负,净输入信号ud与没有反馈时相比增大了,即反馈信号增强了输入信号的作用,故可确定为正反馈。
【
例3】:
判断图示电路的反馈极性。
解:
设输入信号ui瞬时极性为正,则输出信号uo的瞬时极性为正,经RF返送回反相输入端,反馈信号uf的瞬时极性为正,净输入信号ud与没有反馈时相比减小了,即反馈信号削弱了输入信号的作用,故可确定为负反馈。
3.5.2负反馈的类型及其判别
一、电压反馈和电流反馈
电压反馈—反馈信号取自输出电压的部分或全部判别法:
使uo=0(RL短路),
若反馈消失则为电压反馈。
电流反馈—反馈信号取自输出电流。
判别法:
使io=0(RL开路),若反馈消失则为电流反馈。
串联反馈和并联反馈
串联反馈:
反馈信号与输入信号以电压相加减的形式在输入端出现
并联反馈:
反馈信号与输入信号以电流相加减的形式在输入端出现。
判别规律:
反馈信号与输入信号在不同节点为串联反馈,在同一个节点为并联反馈。
反馈取自输出端或输出分压端为电压反馈,反馈取自非输出端为电流反馈。
综合以上两种情况,可构成电压串联、电压并联、电流串联和电流并联4种不同类型的负反馈放大电路。
电压串联负反馈 电压并联负反馈
电流串联负反馈 电流并联负反馈
3.5.3负反馈对放大电路性能的影响
1、稳定放大倍数
反馈深度1+AF:
因1+AF>1,所以即闭环放大倍数的稳定性优于开环放大倍数。
负反馈越深,放大倍数越稳定。
在深度负反馈条件下,即1+AF>>1时,有:
表明深度负反馈时的闭环放大倍数仅取决于反馈系数F,而与开环放大倍数A无关。
【例4】A=103,负反馈使放大倍数稳定性提100倍,求F、Af、A变化10%时的Af’,以及dAf/Af。
解:
(1)1+AF=100,则F=(100–1)/A=0.099
(2)=103/100=10
3
此时的Af‘=
负反馈以牺牲放大倍数,换取了放大倍数稳定性的提高。
2、减小非线性失真:
负反馈使失真了的信号反向放大。
3、展宽通频带
4、改变输入电阻
四、本章小结
(1)多级放大电路由单级放大电路联接而成,级间可采用阻容耦合或直接耦合方式。
第一级一般要求有较高的输入电阻,以减小信号源电流,通常采用场效应管放大电路或射极跟随器。
而末级通常采用射极跟随器,以使得到较低的输出电阻,与低阻的负载相匹配;或者采用功率放大器,以便供给负载足够的功率。
(2)在直接耦合放大电路中零点漂移变得异常突出,差动放大电路可有效地抑制零点漂移。
差动放大电路是利用两个相同的单管放大电路相互补偿,依靠电路的对称性来抑制零点漂移。
零点漂移可以等效为共模输入信号,所以差动放大电路具有很强的共模抑制能力。
典型的差动放大电路为双端输入双端输出方式。
为了和一端接地的信号源联接,亦可采用单端输入。
而为了和一端接地的负载联接,亦可采用单端输出。
其中双端输入单端输出方式通常用作集成运算放大器的输入级。
(3)功率放大电路具有较大的输出功率,晶体管工作在大信号极限运用状态,为减小晶体管的损耗和提高电源的利用率,通常晶体管工作在乙类或甲乙类状态。
(4)集成运算放大器是一种输入电阻高、输出电阻低、电压放大倍数高的直接耦合放大电路,其内部主要由差动式输入级、中间级、互补对称式输出级及偏置电路组成。
实际运放的特性与理想运放十分接近,在分析运放应用电路时,一般将实际运放视作理想运放。
运放引入负反馈后工作在线性区,虚断和虚短是分析运放线性应用时的重要概念和基本依据。
若运放工作在开环状态(非线性区),其作用如同一个开关,输出电压只有正、负饱和电压两种状态。
(5)负反馈对放大电路的性能有着广泛的影响。
引入负反馈可稳定放大倍数(同时减小放大倍数)、展宽通频带、减小非线性失真、增大或减小输入电阻和输出电阻。
负反馈有电压串联、电压并联、电流串联和电流并联4种不同的类型,实际应用中可根据不同的要求引入不同的反馈方式。
五、本章作业:
习题三:
3-1、6、8、9、13
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