模拟电路技术之基础知识（三）

基放的进阶

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第三章 多级放大电路

多级放大电路的耦合方式

直接耦合

前一级的输出端直接连接到后一级的输入端，就是直接耦合
优点：具有良好的饿低频特性
缺点：容易发生零点漂移现象
关于克服零点漂移的方法：
采用稳压二极管，抬高后级电路的基极电位

阻容耦合

将放大电路的前级输出端经过电容接到后级输入端，为阻容耦合方式
优点：可以隔绝直流信号，对高频信号传输性能好
缺点：不可以放大变化缓慢的低频信号，大容量电容不利于集成化
只有在信号频率很高、输出功率很大的情况下，才能使用阻容耦合方式的分立放大电路

变压器耦合

将放大电路前级的输出信号经过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，为变压器耦合
缺点：低频特性差，不利于集成化。
优点：可以实现阻抗变换

光电耦合

以逛信号作为媒介来实现电信号的耦合和传递
优点：抗干扰能力强
输出特性曲线

多级放大电路的动态分析

电压放大倍数$A_u$:

$$A_u=\frac{U_{o1}}{U_i}\cdot \frac{U_{o2}}{U_{i2}}...\frac{U_o}{U_{iN}}=A_{u1}\cdot A_{u2}...A_{uN}$$

输入电阻$R_i$:第一级的输入电阻
$R_i=R_{i1}$

输出电阻$R_o$：最后一级输出电阻
$R_o=R_{oN}$

直接耦合放大电路

直流耦合放大电路的零点漂移及其产生的原因

将输入端短路，用灵敏的直流表测量输出端，会有变化缓慢的输出电压，这种输入电压为零而输出电压不为零的现象称为零点漂移现象。
产生原因：电源电压的波动，元件的老化，半导体器件参数随温度变化而产生的变化，都产生输出电压的漂移。
抑制方法：
(1).在电路中引入直流负反馈，例如典型的静态工作点稳定电路中$R_e$的作用。
(2).采用温度补偿，利用热敏元件来抵消放大管的变化。例如二极管。
(3).采用特性相同的管子，使他们温度漂移相互抵消，构成差分放大电路。

差分放大电路

电路的组成

采用两个理想对称的三极管，两管子的集电极电位差作为输出，这样可以克服温度漂移。
当两个输入端加大小相等极性相同的信号$\Delta U_{I1}=\Delta U_{I2}$（共模信号）时，由于电路参数相等，所以$T_1$管和$T_2$管所产生的电流变化相等，即$\Delta i_{B1}=\Delta i_{B2}$,$\Delta i_{C1}=\Delta i_{C2}$,从因此集电极的电位的变化也相等，即$\Delta U_{C1}=\Delta U_{C2}$,所以输出电压$U_o=U_{C1}-U_{C2}=U_{CQ1}+\Delta U_{C1}-(U_{CQ2}+\Delta U_{C2})$=0,在参数理想对称下，共模信号输出为0；
当将相反极性的信号加在两个输入端（差模信号）,$\Delta U_{I1}=-\Delta U_{I2}$,又由于参数对称，以$T_1$管和$T_2$管所产生的电流变化大小相等，变化方向相反，即$\Delta i_{B1}=-\Delta i_{B2}$,$\Delta i_{C1}=-\Delta i_{C2}$，因此，集电极的电位的变化也是变化大小相等，变化方向相反，即$\Delta U_{C1}=-\Delta U_{C2}$，这样得到的输出电压为$\Delta U_o=\Delta U_{C1}-\Delta U_{C2}=2\Delta U_{C1}$

如上图$R_{e1}$和$R_{e2}$使得电路的电压放大能力变差，数值较大时不能放大，，当输入差模信号时，发射极电流满足$\Delta i_{E1}=-\Delta i_{E2}$,将两电阻合二为一，可以看到，电阻$R_e$上不流经电流。

差分放大电路在参数理想对称条件下的要求：

• 无零点漂移
• 零输入零输出
• 抑制共模信号
• 放大差模信号

但没有理想对称的两个元件。

长尾式差分放大电路

两侧参数理想对称
1.静态分析
当输入信号$U_{I1}=U_{I2}=0$时
$I_{BQ1}=I_{BQ2}=I_{BQ}$
$I_{CQ1}=I_{CQ2}=I_{CQ}$
$I_{EQ1}=I_{EQ2}=I_{EQ}$
$U_{CQ1}=U_{CQ2}=U_{CQ}$
$U_o=U_{CQ1}-U_{CQ2}=0$
晶体管输入回路方程
$$V_{EE}=I_{BQ}{R}_b+U_{BEQ}+2I_{EQ}{R}_e$$
通常$I_{BQ}$和$R_b$很小，所以$I_{EQ}\approx \frac{V_{EE}-U_{BEQ}}{R_e}$
则$I_{BQ}=\frac{I_{EQ}}{1+\beta }$,$U_{CEQ}=U_{CQ}-U_{EQ}\approx V_{CC}-I_{CQ}{R}_e+U_{BEQ}$
选择合适的$V_{EE}$和$R_e$则可以确定静态工作点

2.动态分析
(1).抑制共模信号$U_{I1}=U_{I2}$
共模信号：数值相等，极性相同的输入信号
$U_o=U_{C1}-U_{C2}=U_{CQ1}+\Delta U_{C1}-(U_{CQ2}+\Delta U_{C2})$=0
共模放大倍数$A_c$=$\frac{u_{oc}}{u_{ic}},理想对称时$$A_c=0$
温度变化引起的变化为共模信号

一利用对称性，二利用R_e的负反馈

(2).放大差模信号$U_{I1}=-U_{I2}=U_{Id}/2$

$\Delta i_{B1}=-\Delta i_{B2}$,$\Delta i_{C1}=-\Delta i_{C2}$
$\Delta U_{C1}=-\Delta U_{C2}$$\Delta U_o=\Delta U_{C1}-\Delta U_{C2}=2\Delta U_{C1}$
由于$\Delta i_{E1}=-\Delta i_{E2}$，所以$R_e$对差模信号无反馈作用

动态分析图

$\Delta U_{id}=\Delta i_B\cdot 2(R_b+r_{be})$
$\Delta U_{od}=-\Delta i_C\cdot 2(R_c//\frac{R_L}{2})$

差模放大倍数$A_d$=$\frac{u_{od}}{u_{id}}$=$\frac{-\beta (R_c//\frac{R_L}{2})}{R_b+r_{be}}$

(3)动态参数：$A_d$，$R_i$，$R_o$，$A_c$，$K_{CMR}$
共模抑制比$K_{CMR}$=$|\frac{A_d}{A_c}|$,理想参数下，$K_{CMR}$=$\infty$

差分放大电路的四种接法

四种接法为：双端输入双端输出，双端输入单端输出，单端输入双端输出，单端输入单端输出

双端输入单端输出

(1)静态分析
输入回路没有变化，所以$I_{EQ},I_{BQ},I_{CQ}$与双端输出一致

(2)动态分析
差模信号下的动态模型

差模放大倍数$A_d$

输入电阻$R_i$
$R_i$=$2(R_b+r_{be})$
输出电阻$R_o$
$R_o$=$R_c$

共模信号下的动态模型

共模放大倍数$A_c$

共模抑制比

单端输入双端输出

$U_{id}=U_I$
$U_{ic}=\frac{U_I}{2}$
输入差模信号的同时伴随着共模信号输入

$U_{od}$为静态时两个集电极电位差

单端输入单端输出

四种接法的比较

(1).输入电阻均为2$(R_b+r_{be})$
(2).输出方式

差分放大电路的改进

（1）$R_e$的改进
$R_e$具有共模信号时反馈的作用，$R_e$越大，温漂越小，共模负反馈越强，电路性能越好，
但为使静态电流$I_{EQ}$不变，只能改变$V_{EE}$，所以$R_e$太大就不合适了

所以可以用电流源代替

选择合适的参数

与$U_{BEQ}$影响不大，可以近似为恒流
（2）加调零电位器

若滑动在中点时$A_d和R_i$

(3)场效应管差分放大电路
对输入电阻要求很大时

互补输出级电路

对输出级的要求
互补输出级是直接耦合的功率放大电路
对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大


1.静态分析
静态时$T_1$和$T_2$均截止，$U_B=U_E=0$,$U_{CE1}=U_{CE2}=V_{CC}$

2.动态分析

消除交越失真的互补输出级

消除失真的方法：设置合适的静态工作点
静态时$T_1$和$T_2$处于临界导通状态，有信号时至少有一方导通
偏置电路对动态性能影响小

1.二极管

2.电阻

准互补输出级电路

R1用电流源取代