第5章差分放大器与多级放大器

1、o 5.1 5.1 多级放大电路多级放大电路的一般结构及耦合方式的一般结构及耦合方式o 5.2 5.2 多级阻容耦合放大电路的分析多级阻容耦合放大电路的分析o 5.3 5.3 直接耦合式放大电路直接耦合式放大电路o 5.4 5.4 差分放大电路差分放大电路o 5.5 5.5 恒流源差分放大电路与电流源恒流源差分放大电路与电流源o 5.6 5.6 集成运算放大器及读图方法集成运算放大器及读图方法5.1.1 5.1.1 多级放大电路的一般结构多级放大电路的一般结构o一个三极管（或场效应管）构成的一个三极管（或场效应管）构成的单管放大电路单管放大电路的放的放大倍数一般为几倍几十倍。而在实际应用的电子

2、设大倍数一般为几倍几十倍。而在实际应用的电子设备中，要求的放大倍数往往很大。备中，要求的放大倍数往往很大。o为此，需要把若干单级放大电路串接起来，组成为此，需要把若干单级放大电路串接起来，组成多级多级放大电路放大电路。图。图5-1-15-1-1为三级放大电路示意图：为三级放大电路示意图：1 1、电压放大倍数、电压放大倍数o （5-1-15-1-1）o对于对于n级放大器：级放大器： o （5-1-35-1-3）o式中：式中：各级电压放大倍数各级电压放大倍数都是把后级的输入电阻作为都是把后级的输入电阻作为前级的负载的情况下求得的。前级的负载的情况下求得的。（即考虑了后一级放大（即考虑了后一级放大电

3、路对前一级放大电路的负载效应）电路对前一级放大电路的负载效应）32130322101103vvviioiiiovAAAvvvvvvvvvvAvnvvvAAAA212 2、输入电阻、输入电阻Ri：多级放大电路的输入电阻多级放大电路的输入电阻Ri 就是第一级的输就是第一级的输入电阻入电阻Ri1。 （5-1-45-1-4）3 3、输出电阻、输出电阻Ro：三级放大电路的输出电阻三级放大电路的输出电阻Ro就是第三级的输就是第三级的输出电阻出电阻Ro3。 （5-1-55-1-5）o对于级对于级n级放大电路：级放大电路： （5-1-65-1-6）o多级放大电路的级与级之间、信号源与放大电路之间、放大多级放大

4、电路的级与级之间、信号源与放大电路之间、放大电路与负载之间的连接均称为电路与负载之间的连接均称为耦合耦合。o常用的耦合方式有：常用的耦合方式有：直接耦合直接耦合、阻容耦合阻容耦合、变压器耦合变压器耦合等。等。1 iiRR 030RR onRR 0o在多级放大电路中，级与级在多级放大电路中，级与级 之间通过电容连接的耦合方之间通过电容连接的耦合方 式称为式称为阻容耦合阻容耦合。o图中：电容图中：电容C1将输入信号耦将输入信号耦 合到三极管合到三极管T1的基极；的基极；o电容电容C2将将T1的输出信号耦合到的输出信号耦合到T2的基极；的基极；o电容电容C3将将T2的输出信号耦合到外接负载的输出信号

5、耦合到外接负载RL。 阻容耦合的优点：阻容耦合的优点：o 前后级通过电容相连，所以各级的静态工作点相互独立，不相互影响。前后级通过电容相连，所以各级的静态工作点相互独立，不相互影响。o 只要电容选得足够大，在一定频率范围内的信号可以几乎不衰减地传只要电容选得足够大，在一定频率范围内的信号可以几乎不衰减地传送到下一级。送到下一级。阻容耦合阻容耦合又称为又称为电容耦合。电容耦合。 阻容耦合的不足：阻容耦合的不足：o 不能传送直流信号。不能传送直流信号。o 不适用于传送缓慢变化的信号（因为对于缓慢变化的信号，信号频率不适用于传送缓慢变化的信号（因为对于缓慢变化的信号，信号频率低，电容容抗大，使信号衰

6、减很大）。低，电容容抗大，使信号衰减很大）。o 大容量电容在集成电路中难以制造。大容量电容在集成电路中难以制造。2 2、直接耦合、直接耦合o为了克服电容对缓慢变化的信号在为了克服电容对缓慢变化的信号在 传输过程中带来的不良影响，可采传输过程中带来的不良影响，可采 用用将级与级之间直接用导线连接起来的方式将级与级之间直接用导线连接起来的方式，称为，称为直接耦合直接耦合。o图中，图中，输入信号输入信号与与T1的的B极直接耦合，极直接耦合，T1的的C极与极与T2的的B极直接耦合，极直接耦合，T2的的C极与极与负载负载之间直接耦合。之间直接耦合。 直接耦合的优点：直接耦合的优点：o 既可以放大交流信号

7、，也可以放大直流和缓慢变化的信号，频率响既可以放大交流信号，也可以放大直流和缓慢变化的信号，频率响应好。应好。o 电路简单，便于集成。电路简单，便于集成。 直接耦合的不足：直接耦合的不足：o 各级静态工作点相互牵制，彼此不独立。导致设计和调整比较麻烦。各级静态工作点相互牵制，彼此不独立。导致设计和调整比较麻烦。o 零点漂移零点漂移。3 3、变压器耦合、变压器耦合o变压器耦合变压器耦合是以变压器作为是以变压器作为 耦合元件的电路。耦合元件的电路。o变压器变压器通过磁路的耦合，把通过磁路的耦合，把 初级的交流信号传送初级的交流信号传送 到次级，而到次级，而直流电流、电压不能耦合到次级直流电流、电压

8、不能耦合到次级。 变压器耦合的优点：变压器耦合的优点：o 使级与级之间达到阻抗匹配，以获得最大的功率增益。使级与级之间达到阻抗匹配，以获得最大的功率增益。o 各级静态工作点彼此独立，互不影响，设计和调整比较方便。各级静态工作点彼此独立，互不影响，设计和调整比较方便。 变压器耦合的不足：变压器耦合的不足：o 频带比较窄。频带比较窄。o 体积大、笨重、价格也比较贵。体积大、笨重、价格也比较贵。4 4、光电耦合、光电耦合o光电耦合光电耦合是依靠是依靠光电耦合光电耦合 器器完成的。完成的。o发光二极管发光二极管为输入回路，它为输入回路，它将电能转换成光能将电能转换成光能。o光敏三极管光敏三极管为输出回

9、路，它为输出回路，它将光能再转换成电能将光能再转换成电能。o光电耦合主要应用在光电耦合主要应用在输入电路地线与输出电路地线需输入电路地线与输出电路地线需要相互隔离的场合。要相互隔离的场合。o多级放大电路多级放大电路的动态性能指标与单级放大电路相同。的动态性能指标与单级放大电路相同。 即：即：电压增益电压增益，输入电阻输入电阻，输出电阻输出电阻。o分析交流性能时分析交流性能时，各级之间是互相联系的。，各级之间是互相联系的。 第一级的输出电压是第二级的输入电压第一级的输出电压是第二级的输入电压； 第二级的输入电阻又是第一级的负载电阻第二级的输入电阻又是第一级的负载电阻。（1 1）求静态工作点）求静

10、态工作点o画出直流通路画出直流通路，如图，如图5-2-35-2-3所示。所示。o由于两级放大电路的参数相由于两级放大电路的参数相同，所以同，所以两级的静态工作点两级的静态工作点相同相同。VkmAVRIVVmAIIImAkVVRVVICCQCCCEQBQCQEQBBEQCCBQ63212204. 05004. 02807 . 012(2)(2)求出输入和输出电阻求出输入和输出电阻o画出微变等效电路，如图画出微变等效电路，如图5-2-45-2-4所示。所示。(3)(3)求电压放大倍数求电压放大倍数kRRRRkkkrRRRRImVrrCbebiiiEQbebe386. 0863. 028086322

11、651200261200201020112121倍倍倍33729 .86)8 .38(9 .86863. 05 . 1505 . 1338 .38863. 067. 05067. 086. 032122222220222211112111011211vvvbeLbebLCbivLCLbeLbebiCbiviCLAAAkkrRriRRivvAkkkRRRkkrRriRRivvAkkkRRRo直接耦合放大电路直接耦合放大电路的静态工作点的计算是逐级进行的静态工作点的计算是逐级进行的，每级的工作点不是独立的，求解时需要考虑它们的，每级的工作点不是独立的，求解时需要考虑它们之间的关系。之间的关系。o5

12、.3.1 5.3.1 静态工作点的计算静态工作点的计算o5.3.2 5.3.2 级间电位配置级间电位配置o5.3.3 5.3.3 温漂的现象：温漂的现象：o由由T1管的偏置电路可求得：管的偏置电路可求得：o由由T2管的输入电路可知：管的输入电路可知：o 求得：求得： (5-3-5)(5-3-5)o当当 IB2RCE。o无论是直流电阻还是交流电阻，它们的阻值都与工作点有关，无论是直流电阻还是交流电阻，它们的阻值都与工作点有关，且且都是非线性电阻都是非线性电阻。CQCEQCEIVR0CQCEQceIVr 图图5-5-45-5-4是用恒流源是用恒流源代替代替RE的差分电路。的差分电路。o当长尾电路中

13、的当长尾电路中的 RE用恒流源替代后，用恒流源替代后， 静态工作点为：静态工作点为：o （5-5-15-5-1）o （5-5-25-5-2）（恒流）（恒流）o （5-5-35-5-3）o在以上电路中在以上电路中用一个恒流源（动态内阻）代替用一个恒流源（动态内阻）代替RE，使电路性能大大改善。，使电路性能大大改善。o缺点：缺点： 恒流源中有三个电阻，但恒流源中有三个电阻，但IC中希望电阻越少越好。中希望电阻越少越好。o 作为电流源的管子作为电流源的管子T3，其，其VBE还要受温度影响，因此抑制温漂还要受温度影响，因此抑制温漂o 不是很理想。不是很理想。EERVRRRV21223323RVVIBE

14、RECECCCRIVV231o图图 5-5-5（a）所示所示 是是基本电流源电路。基本电流源电路。oT1与与T2是两个性能严是两个性能严 格配对的格配对的晶体管晶体管。由。由 于于T1、T2的发射结并联在一起，即的发射结并联在一起，即vBE1=vBE2，当，当T1、T2工作于放工作于放大区且忽略基区宽度调制效应时（即大区且忽略基区宽度调制效应时（即 ），）， 则两管的发射则两管的发射极电流相等。极电流相等。（IREF称为称为参考电流参考电流，I0称为称为输出电流输出电流）AV21121222112101112112021EEREFEBBCBBCREFECEEEIIIIIIIIIIIIIIIII

15、I或或 （5-5-75-5-7）o当当2时，时，I0IREFo例如当例如当=100时，时，I0与参考电流与参考电流IREF间大约有间大约有2%的误差。的误差。o参考电流参考电流IREF的大小由连接到电源上的电阻的大小由连接到电源上的电阻R1来确定，如图来确定，如图5-5-55-5-5（b b）所示。所示。o （5-5-45-5-4）o图图5-5-55-5-5中，当中，当R1确定后，确定后，IREF就确定了，就确定了，IC2也随之而定，也随之而定，可以把可以把IC2看看作是作是 IREF 的镜像的镜像，所以，所以将图将图5-5-55-5-5的电路称为的电路称为镜像电流源镜像电流源。o电流源的输出

16、电阻：电流源的输出电阻： Rorce2 （5-5-85-5-8）2120REFCIIIEEBEQREFCCVVRIV11RVVVIBEQEECCREFo当当图图5-5-65-5-6中各晶体管完全相同中各晶体管完全相同 时，由于时，由于T1、T2的发射结并联，的发射结并联， 则发射极流过相同的电流则发射极流过相同的电流IE。ECEEEBEEEBCREFIIIIIIIIIIIII11211112112111201331o以上两式相除后得：以上两式相除后得：o或或 （5-5-145-5-14）o比较式（比较式（5-5-145-5-14）与（）与（5-5-75-5-7）可以看出，）可以看出，改进后的镜

17、像电流源改进后的镜像电流源更加镜像更加镜像，上式中只要满足，上式中只要满足(+1)2 时时 I0IREFo图中基准电流图中基准电流IREF为：为：o （5-5-155-5-15）1211121110EEREFIIII1210REFIIEEBEBEREFCCVVVRIV131111312RVVVRVVVVIBEEECCBEBEEECCREF例例5-5-15-5-1 设三极管设三极管=200、VCC=4.5V。分别设计基本镜像电流。分别设计基本镜像电流源和改进型电流源，使源和改进型电流源，使I0=1mA。另外，分别计算两种电路中当。另外，分别计算两种电路中当变为变为40时，时，I0的变化。的变化。

18、解：解：（1 1）对基本镜像电流源：）对基本镜像电流源：o得得o对于改进型电流源：对于改进型电流源：20022011REFREFIIImAIIREF01. 101. 10kIVVRRFEBECC22. 801. 17 . 05 . 45 . 45 . 4kmAIVVVRmAmAIIIIREFBEBECCREFREF6 . 717 . 07 . 05 . 45 . 45 . 4111200200211211130120例例5-5-15-5-1续续（2 2）当）当变为变为40时：时：o对于基本镜像电流源：对于基本镜像电流源：o对于改进型电流源：对于改进型电流源：o 由计算可见，由计算可见，对于基本

19、镜像电流源对于基本镜像电流源，当，当=200变化到变化到40时，时， I0从从1mA变化到变化到0.96mA；对于改进型电流源对于改进型电流源，当，当=200变化到变化到40时，输出电流时，输出电流I0=1mA不变，不变，说明改进型电流源的性能更好说明改进型电流源的性能更好。mAmAIIREF96. 0101. 1140220)999. 0(111141402120mAmAmAIIREFo当忽略基极电流时，当忽略基极电流时，o由于由于 o则则 （5-5-195-5-19）o （5-5-205-5-20）o联立上二式得：联立上二式得： （5-5-215-5-21）o又根据又根据图图5-5-85-

20、5-8可得：可得： （5-5-225-5-22）o由上两式可得：由上两式可得： （5-5-235-5-23）（）（解方程？解方程？）o式（式（5-5-235-5-23）表明了基准电流与偏置电流之间的关系。表明了基准电流与偏置电流之间的关系。解方程可解方程可求得求得I0值。值。TBEVVSCREFeIII/11TBEVVSCeIII/202SREFTBEIIVVln1STBEIIVV02ln021lnIIVVVREFTBEBEEEEBEBERIRIVV022100lnIIVRIREFTEo设图中二个三极管的设图中二个三极管的IS相同相同, ,足够大时，足够大时，o （5-5-245-5-24）o

21、则则 o （5-5-275-5-27）o将式（将式（5-5-275-5-27）代入（）代入（5-5-245-5-24）得：）得： o （5-5-285-5-28）（解方程？解方程？）222111RIVRIVEBEEBE26542554/022/1121TBETBEVVSECVVSRECeIIIIeIIIISTBESRTBEIIVVIIVV021lnln021lnIIVVVRTBEBE2010lnRIRIIIVRRT02210lnIIRVIRRIRTR上式重写：上式重写： （5-5-285-5-28）o若若IR对对I0的比值不太大的比值不太大 例如例如 o且满足且满足o则则上式可简化为：上式可简

22、化为： （5-5-295-5-29）o 其中：其中：02210lnIIRVIRRIRTR, 3 . 2ln,1000IIIIRR则mVIIVoRT8 .59lnORTRIIVRIln1RIRRI2101RRVVVIBEQEECCR1 1、集成运算放大器的基本组成、集成运算放大器的基本组成o集成运算放大器的内部结构如图集成运算放大器的内部结构如图5-6-15-6-1所示。所示。o它包括四个组成部分：它包括四个组成部分：输入级输入级、中间级中间级、输出级输出级和和基准源基准源。2 2、各个部分的功能和要求、各个部分的功能和要求o（1 1）输入级：）输入级：要求输入电阻高、零漂要小要求输入电阻高、零

23、漂要小（一般采用差分（一般采用差分 放大电路）放大电路）、频带要宽。、频带要宽。o（2 2）中间级：）中间级：主要是进行电压放大，同时要实现合适的电主要是进行电压放大，同时要实现合适的电 平移动。使集成运放在静态时满足平移动。使集成运放在静态时满足“零输入零输入 时零输出时零输出”。o（3 3）输出级：）输出级：保证在大信号下进行放大，失真要小，输出保证在大信号下进行放大，失真要小，输出 电阻小。能输出足够大的功率，有足够高的电阻小。能输出足够大的功率，有足够高的 效率。效率。o（4 4）基准源电路：）基准源电路：能提供不同的基准电压，通常还应有温能提供不同的基准电压，通常还应有温 度补偿作用

24、的元件。度补偿作用的元件。3 3、简单的双极性运算放大器、简单的双极性运算放大器o如图如图5-6-25-6-2所示。所示。o基准源：基准源：由由T4和和R1组成。组成。 T4与与T3、R2又构成又构成微电流源微电流源。 T4与与T10、R3也构成也构成微电流源微电流源。o输入级：输入级：T1和和T2组成的差分放大器。组成的差分放大器。 从从T2的的C极输出。极输出。o中间极：中间极：由由T8、T9组成。组成。T9为射极跟随器，为射极跟随器，T8为共射电路（为共射电路（PNP管管）。）。o输出级：输出级：由由T11、T12构成的互补推挽射极跟随器组成。构成的互补推挽射极跟随器组成。D1、D2用来

25、用来降降 低交越失真低交越失真。对一般集成运放的要求：对一般集成运放的要求：o输入级输入级的差模电压增益为的差模电压增益为102103，输入电阻很大，输入电阻很大（从（从几几k 105M ）o中间级中间级的电压增益为的电压增益为102103。o输出级输出级的电压增益约为的电压增益约为1， 应具有很小的输出电阻应具有很小的输出电阻（几十几十 ）。）。 则运算放大器总的电压增益在则运算放大器总的电压增益在104106左右左右（80dB80dB120dB120dB），这样的电压增益幅度相当于理想），这样的电压增益幅度相当于理想运算放大器。运算放大器。1 1、读图的方法及步骤、读图的方法及步骤o（1

26、1）首先找出基准源支路）首先找出基准源支路o 基准源支路基准源支路从正电源到负电源之间只含有电阻、二极管从正电源到负电源之间只含有电阻、二极管（或或CB短路的三极管构成的二极管短路的三极管构成的二极管）两种元件。两种元件。o（2 2）确定哪些三极管为恒流源管）确定哪些三极管为恒流源管o 由于基准源电路中引出点的电位是恒定的，这些引出端接到三由于基准源电路中引出点的电位是恒定的，这些引出端接到三极管的基极，该三极管若不是共基极放大管，则就是极管的基极，该三极管若不是共基极放大管，则就是恒流管恒流管，其作，其作用或是作恒流源负载，或是作镜像电流源。用或是作恒流源负载，或是作镜像电流源。o（3 3）区分电路的各个部分）区分电路的各个部分o 输入级：输入级：要求其输入电阻高，零漂小，输入方式灵活，差分放要求其输入电阻高，零漂小，输入方式灵活，差分放大器是最佳选择。大器是最佳选择。o 中间级：中间级：主要是进行电压放大，同时实现电平移动，主要是进行电压放大