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  • 多级放大电路
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    2022-01-17 19:40:58

    定义:
    耦合方式、阻容耦合、变压器耦合、直接耦合、零点漂移、零漂

    耦合方式:多级放大电路内部各级之间的连接方式称为耦合方式。常用的耦合方式有三种,阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。

    阻容耦合:电路的第一级与第二级之间通过电阻和电容元件相连接,故称为阻容耦合放大电路。

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    特点:

    1.各级的静态工作点各自独立,互不影响,这是因为前后级之间通过电容连接,级与级之间的直流通路是断开的;

    2.信号能够得到充分的利用,因为,当耦合电容的容值足够大时,在一定的频率范围内,前一级的输出信号将几乎不衰减地传送到后一级的输入端。

    3.缺点:不适合传送缓慢变化的信号, 当缓慢变化信号通过电容时,将被严重地衰减;集成电路工艺很难制造大容量的电容,阻容耦合方式在集成放大电路中无法采用。

    变压器耦合:变压器能够通过磁路的耦合将一次侧的交流信号传送到二次侧,所以,也可以作为多级放大电路的耦合元件。如图,变压器T1将第一级的输出信号传送给第二级,变压器T2将第二级的输出信号传送给负载。

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    特点:变压器耦合方式具有阻抗变换作用,可以利用变压器的这一特点组成功率放大电路,因为等效负载电阻会变大;前后级的直流通路互相隔离,因此各级静态工作点互相独立;缺点是变压器比较笨重,无法集成化,缓慢变化的信号和直流信号也不能通过变压器。

    直接耦合:将前级的输出端直接或者通过电阻接到后一级的输入端。直接耦合放大电路既能放大交流信号,又能放大缓慢变化信号和直流信号,也便于实现集成化。简单地将两个单管放大电路直接连在一起有可能使放大电路不能正常工作,如果三极管 VT1的集电极电位与VT2的基极电位相等,约为0.7V左右,此时VT1的静态工作点接近饱和区,无法正常进行放大。

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    解释:硅管静态工作点Ubeq=0.6-0.8,VT1的集电极电位也是0.7的话就偏低了,就会容易出现饱和失真,如下图。

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    为了使直接耦合的两个放大级各自都有合适的静态工作点,有几种办法:

    下面是第一种办法,T2的发射极接入一个电阻Re2,提高了第二级的发射极电位Ue2和基极电位Ub2。从而使第一级的集电极具有较高的静态电位,避免工作在饱和区。接入 Re2后,将使第二级的放大倍数下降。

    解释,为什么使第一级的集电极具有较高的静态电位,是因为第一级集电极电位就是第二极的基极电位;为什么第二级基极电位增加了,因为发射极电位增加,然后第二级Ubeq=0.6-0.8(电子到基区,基区是P型,基区多子是空穴,电子空穴复合,产生基极电流Ibn,基区空穴浓度低,基区薄,电子在基区与空穴复合的少,基极电流小),由于Ue增加了,那么Ub就得增加。

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    下面是第二种办法,用稳压管VDz代替图(a)中的Re2。因为稳压管的动态内阻通常很小,一般在几十欧的数量级,因此第二级的放大倍数不致下降很多,而且接入稳压管相当接入一个固定电压,使VT2集电极的有效电压变化范围减小。

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    解释:稳压管的伏安特性曲线如下,实现稳压的原理就是,二极管工作在反向击穿区,反向电流变化大,但是管子两端电压变化小,稳定电压Uz:稳压管工作在反向击穿区时的工作电压,型号2DW7C稳压管,稳定电压在6.1-6.5V之间(看下图那个U左边从原点到电流变化大的那一段就是稳定电压的值)。所以说接入稳压管相当接入一个固定电压。

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    前两种办法,当耦合的级数更多时,集电极的电位将愈来愈高。为了保证三极管工作在放大区,必须使发射结正向偏置,集电结反向偏置,对于NPN三极管,要求Ube>0,Ubc<0,也就是集电极电位要高于基极电位。如果级数增多,由于集电极电位逐级上升,最终将因电源电压的限制而无法实现。

    解释:为什么集电极的电位将愈来愈高,因为集电极是输出的放大的信号,经过好几个放大,电位升高。为什么由于集电极电位逐级上升,最终将因电源电压的限制而无法实现,因为外加电源极性应使集电结反向偏置,反向偏置:PN结外加电压V,正极接N区,负极接P区。这里面三极管NPN,所以集电极是N区,正极接N区。那么就明白了集电极电位其实就是电源电压给的,所以集电极电位逐级上升,那也就说明外加电压Vcc就得上升。

    下图是把前一级的集电极经过一个稳压管再接至后级的基极,这样既降低了第二级基极的电位,又不致于使放大倍数损失太大。

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    下面这个电路后级采用了 PNP管,由于PNP管的集电极电位比基极电位低,因此,即使耦合的级数较多,也可以使各级获得合适的工作点,而不至于造成电位逐级上升。

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    零点漂移现象:直接耦合方式带来的主要问题是存在零点漂移现象,假设将一个直接耦合放大电路的输入端对地短路,并调整电路使输出电压也等于零。从理论上说,输出电压应一直为零保持不变,但实际上,输出电压将离开零点,缓慢地发生不规则的变化。

    产生零点漂移的主要原因是:放大器件的参数受温度的影响而发生波动,导致放大电路的静态工作点不稳定,而放大级之间又采用直接耦合方式,使静态工作点的缓慢变化逐级传递和放大。一般直接耦合放大电路放大倍数越高,零点漂移问题越严重。

    零漂—零点漂移的技术指标:通常用折合到放大电路输入端的零漂来衡量,即将输出端的漂移电压除以电压放大倍数。对于一个高质量的直接耦合放大电路,要求它既有很高的电压放大倍数,零点漂移又比较低。

    抑制零点漂移方法:引入直流负反馈以稳定Q点来减小零点漂移;利用热敏元件补偿放大管的零漂,在放大电路中接入另一个对温度敏感的元件,如热敏电阻、半导体二极管等,使该元件在温度变化时产生的零漂,能够抵消放大三极管产生的零漂。如下图,放大管VT1的基极引入了另一个接成二极管的三极管VT2当温度升高时,放大管的集电极电流将增大,但与此同时,VT2的发射结电压Ube2将减小,使VT1的基极电位Ubi降低,导致Ic1减小,从而补偿了输出端的零点漂移;将两个参数对称的单管放大电路接成差分放大电路的结构形式,使输出端的零漂互相抵消。

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    多级放大电路的电压放大倍数:等于各级电压放大倍数的乘积。

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    多级放大电路多由共射、共基、共集电路组成。我们通过将电路分别分析来计算放大倍数。 共射 共集 共基 多级放大电路分析

    多级放大电路多由共射、共基、共集电路组成。我们通过将电路分别分析来计算放大倍数。
    并且对于三大基本电路的放大倍数计算方法需要熟练掌握

    共射

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    共集

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    共基

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    多级放大倍数分析

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    多级放大电路分析

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    第一题
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    2. 若信号经电路一放大后,再经电路二输出
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    第二级电路静态工作点
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    后级加上射级输出器后,第一级的输入电阻无改变。
    第二级的输入电阻为
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    总输出电阻为
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    第一级放大倍数
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    第二级放大倍数,放大倍数均需要具体电路具体分析,有时候电路串并联关系与典型电路不同,则分析时需要输出电压 / 输入电压来判断有些电阻是否真正需要。
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    则总电路放大倍数为两级电路放大倍数相乘。
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    我们发现经过射集输出器的分压作用,放大电路放大输出时,后级电路能较大的获取到电压,即相当于放大电路的输出电阻增大。所以放大倍数明显增加。

    3.若信号经射极输出器后,再经放大电路一输出
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    放大电路二的放大倍数
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    放大电路一的放大倍数
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    由于调换顺序,输入电阻与输出电阻都会发生相应改变,从而引起各级电路放大倍数的变化。而我们应该明确的是多级放大倍数最重要的是求它的放大倍数。
    我们将三个电路比较可得
    1.输出不接射极输出器时的带负载能力:
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    2.输出接射极输出器时的带负载能力:
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    我们得出:输出级接射极输出器后,可稳定放大倍数Au。

    输入情况:
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    那如果两端都接射集输出器呢?

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  • 多级放大电路以及差分放大电路

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    多级放大电路 1.电压放大倍数 多级放大电路的电压放大倍数是每一级电压放大倍数之积。得到这个结论的前提是每一级的电压放大倍数是在带负载的情况下得出来的。 例如:如果现在有一个三级放大电路,第一级的输出电阻...

    一.多级放大电路

    1.电压放大倍数

    多级放大电路的电压放大倍数是每一级电压放大倍数之积。得到这个结论的前提是每一级的电压放大倍数是在带负载的情况下得出来的。
    例如:如果现在有一个三级放大电路,第一级的输出电阻一定是第二级的输入电阻,第三级的输入电阻一定是第二级的输出电阻。如果测试得到第二级放大电路的放大倍数是在带着第三级的输入电阻以及第一级的输出电阻的话,这种情况才可以说多级放大电路的电压放大倍数是每一级电压放大倍数之积。

    2.输入电阻

    多级放大电路的输入电阻是从输入级看过去得到的等效电阻

    3.输出电阻

    多级放大电路的输出电阻是从输出极等效的电压源内阻

    4.电压放大电路基本要求

    输入电阻要尽可能的大,输出电阻尽可能的小,电压放大倍数大,最大不失真输出电压大。

    二.差分放大电路

    1.零点漂移现象及其产生的原因

    1.什么是零点漂移现象?
    一个放大电路,当输入的变化量为零的时候,输出的变化量不是零。
    2.零点漂移产生的原因:
    温度的变化,直流电源的波动,元器件的老化。其中晶体管的特性对于温度敏感是主要的原因,因此零点漂移也称温漂
    3.克服温度漂移的方法:引入直流负反馈,温度补偿。
    4.典型电路:差分放大电路。

    2.长尾式差分放大电路的组成

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    注:理想对称的条件下能够克服零点漂移,得到零输入零输出。这样的话差分放大电路就可以完全抑制共模信号,从而对于差模信号进行放大。

    3.长尾式差分放大电路的分析

    ①静态工作点的分析

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    注:长尾差分式放大电路和之前接触到的多级放大电路有所不同,差分电路是从射极注入电流,而之前的单管放大电路等是从基极注入电流。从射极注入电流能够达到工作点较为稳定的目的。

    ②抑制共模信号

    共模信号:数值相等,极性相同的输入信号,即:U11=U12
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    ③放大差模信号

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    注:由于输入的为差模信号,因此在E点会相互抵消掉,电阻Re中的电流永远都是2Ie,即电阻Re对于差模信号无任何的负反馈作用。

    ④差模信号作用时的动态分析

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    注:动态分析的过程中,不变的量都可以等效的看成接地点。同样在上图中E点就可以接地,输入回路的路线是这样的:信号源正极→Rb1→E点→Rb2→信号源负极。可能会存在这样一个疑问,为什么电流会以这种方式走呢?怎么能在T2管的发射极流到基极呢?在动态情况下,基极与发射极之间只是等效成一个电阻,另外对于输入回路电流从发射极流到基极代表着电压正在减小。
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    ⑤动态参数

    共模抑制比Kcmr:综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。
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    4.差分放大电路的四种接法

    ①双端输入,单端输出的情况下Q点分析

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    ②双端输入单端输出:差模信号作用下的分析

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    ③双端输入单端输出:共模信号作用下的分析

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    注:从双端输入双端输出到双端输入单端输出,前者的放大倍数虽然大,但是信号没有接地点,做不到有效的屏蔽空中电磁波的干扰,后者放大倍数小,但是信号的输入和输出都有接地点,可以有效的屏蔽干扰。

    ④单端输入双端输出

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    注:单端输入双端输出的情况下发射极电位是时刻变化的。理论上既然差模输入不可能引起发射极电位发生变化,那么单端输入的情况下一定伴随着共模输入。从右图可知,单端输入伴随着共模输入的数值为U1/2.

    5.具有恒流源的差分放大电路

    ①电路起因

    Re越大,每一边漂移越小,共模负反馈越强,单端输出时的Ac越小,共模抑制比越大,差分放大电路的性能越好。但是为了使得静态电流不变,Re越大,Vee越大,所以至于Re太大就不合理了,因此需要在低电源的条件下设置合适的Ieq,并且得到趋近于无穷大的Re。
    解决方法:采用电流源来取代Re!

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  • A 多级放大电路的耦合方式 A.a 直接耦合 由于两个电路直接相连,所以第一级的任何变化(静态和动态的)都会直接传送到第二级。静态工作点Q由于温度、电源波动等产生的变化也会传送到下一级,即Q点是相互影响的。...

    [模电专栏]

    A 多级放大电路的耦合方式

    A.a 直接耦合

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    由于两个电路直接相连,所以第一级的任何变化(静态和动态的)都会直接传送到第二级。静态工作点Q由于温度、电源波动等产生的变化也会传送到下一级,即Q点是相互影响的。零点偏移实际上就是Q点漂移。

    第一级的 U c e q 1 U_{ceq1} Uceq1与第二级的 U b e q 2 U_{beq2} Ubeq2相等,而 U b e q 2 U_{beq2} Ubeq2值比较小,可能导致第一级的的集电极正偏,出现饱和现象。

    解决方法:

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    方案一会使得放大电路的电压放大倍数下降,所以考虑用稳压管:
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    D D D:二极管; D Z D_Z DZ:稳压管。

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    (其中 R R R保证稳压管不发生热击穿现象。)

    稳压管提高 U b q 2 U_{bq2} Ubq2,这要求 U c q 2 U_{cq2} Ucq2也要提高,如果级数较多时,逐级增大,导致后级静态工作点不合适。

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    但是稳压管噪声较大,影响信号传输质量,不适合作为耦合元件。

    方案四:

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    U C U_C UC得不断增大。
    对于NPN型管, U c > U b > U e U_c>U_b>U_e Uc>Ub>Ue;对于PNP型: U e > U b > U c U_e>U_b>U_c Ue>Ub>Uc

    A.b 阻容耦合

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    没有零点偏移,电容对直流信号起隔离作用,可以消除温度引起的静态动作点的偏移。

    A.c 变压器耦合

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    P 1 P_1 P1为原边消耗的功率; P 2 P_2 P2为负载消耗的功率。

    A u ˙ = U o ˙ U i ˙ = − β R L ′ r b e \dot{A_u}=\frac{\dot{U_o}}{\dot{U_i}}=-\beta\frac{R'_L}{r_{be}} Au˙=Ui˙Uo˙=βrbeRL

    电压放大倍数增大。


    B 多级放大电路的动态分析

    B.a 动态参数分析

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    B.b 分析举例

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    图片来源:模拟电子技术基础(华成英/清华大学);
    模拟电子技术基础 (杜湘瑜/国防科技大学)

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