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  • 多级放大电路

    千次阅读 多人点赞 2019-07-17 19:51:38
    一、多级放大电路:在实际的应用中,常常要求对放大电路的性能提出多方面的要求,比如要求一个放大电路输入阻抗大于2M欧姆,电压放大倍数大于2000,输出阻抗小于100欧姆等。因此仅靠单级放大电路都不可能满足上面的...

    一、多级放大电路:在实际的应用中,常常要求对放大电路的性能提出多方面的要求,比如要求一个放大电路输入阻抗大于2M欧姆,电压放大倍数大于2000,输出阻抗小于100欧姆等。因此仅靠单级放大电路都不可能满足上面的要求,必须采用多级放大电路,以满足性能要求的指标。


    二、多级放大电路耦合方式:直接耦合阻容耦合变压器耦合光电耦合

    (1)、直接耦合:将前一级的输出端直接连到后一级的输入端,称为直接耦合。直接耦合方式是最常用的一种耦合方式,一般采用NPN管和PNP管交替耦合的方式,如果都采用NPN型管进行耦合,这样集电极的电位会逐级升高,以至于接近电源电压,势必造成后级静态工作点不合适,因此采用NPN管和PNP管复合形式更为合适。

    直接耦合方式缺点:直流通路相连,静态工作点互相影响。

    直接耦合方式优点:没有耦合电容,具有良好的低频特性,可以放大变化缓慢的信号;而且容易构成集成IC。

    (2)、阻容耦合:将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端,称为阻容耦合方式。

    阻容耦合方式的缺点:具有耦合电容,低频特性较差,不能放大变化缓慢的信号;而且不容易集成化。

    阻容耦合方式的优点:直流通路不相连,各级的静态工作点互相独立。

    (3)、变压器耦合:将放大电路前级的输出信号通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上,称为变压器耦合。变压器耦合方式的最大特点是可以实现阻抗变换,因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。

    变压器耦合方式的缺点:低频特性较差,不能放大变化缓慢的信号;而且笨重体积大,不易集成化。

    变压器耦合方式的优点:前后级靠磁路耦合,各级的静态工作点互相独立。

    (4)、光电耦合:以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的方式,称为光电耦合。光电耦合方式使用的主要元器件就是线性光耦

    光电耦合方式的缺点:电流传输比CTR较小,放大能力较弱。

    光电耦合方式的优点:输入输出电气隔离良好,抗干扰能力强。


    三、多级放大电路的动态分析:

    (1)、多级放大电路的放大倍数:多级放大电路的电压放大倍数等于组成它的各级电压放大倍数之积

    (2)、多级放大电路的输入/输出阻抗:多级放大电路的输入阻抗就是第一级的输入阻抗;多级放大电路的输出阻抗就是最后一级的输出阻抗。但是需要注意的是,当共集放大电路作为输入级时,它的输入阻抗与第二级的输入阻抗有关;而当共集放大电路作为输出级时,它的输出阻抗与倒数第二级的输出阻抗有关。

    (3)、饱和失真与截止失真:当多级放大电路的输出波形产生失真时,应首先确定是在哪一级先出现的失真,然后再判断产生了饱和失真还是截止失真。


    四、直接耦合放大电路:

    (1)、零点漂移现象:电源电压波动元件的老化半导体器件参数随温度变化而变化,都将产生输出电压的漂移。在阻容耦合多级放大电路中,这种缓慢的变化能够被电容进行隔离,不会传递到下一级放大电路中;但是在直接耦合放大电路中,这种缓慢的变化影响极大,并逐级传递和逐级放大,导致输出噪声分量较大。

    对于电源电压波动,采用高质量的稳压电源经过良好的滤波处理

    对于元件的老化,使用经过老化实验的高可靠性元件即可。

    对于温漂问题,引入直流负反馈采用温度补偿措施(热敏元件抵消放大管的变化)采用差分放大电路

     

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  • 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 多级放大电路输入电阻是从输入级看...

    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

    在这里插入图片描述
    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

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    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
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    ③放大差模信号

    在这里插入图片描述
    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

    在这里插入图片描述
    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。
    在这里插入图片描述

    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。
    在这里插入图片描述

    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

    在这里插入图片描述

    ②双端输入单端输出:差模信号作用下的分析

    在这里插入图片描述

    ③双端输入单端输出:共模信号作用下的分析

    在这里插入图片描述
    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

    在这里插入图片描述
    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!

    在这里插入图片描述

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    一般情况下,单个三极管构成的放大电路的放大倍数是有限的,只有几十倍,这就很难满足我们的实际需要,在实际的应用中,一般是使用多级放大电路。

    多级放大电路,其实也是由多个单个三极管构成的,把单个三极管放大电路进行级联,就能组成多级放大电路。

    那么问题来了,这些放大电路每级之间怎么进行连接?这里就涉及到一个叫“耦合方式”的专业术语了,耦合方式是指多级放大电路各级之间的连接方式。

    多级放大电路常用的耦合方式主要有三种:阻容耦合、变压器耦合、直接耦合。

    1、阻容耦合放大电路

    下图所示电路就是一个阻容耦合方式连接成的一个多级放大电路,电路的第一级和第二级之间通过电容相连接。

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    阻容耦合方式的主要优点是,由于前后级放大电路是通过电容相连接,所以各级之间的直流通路是相互断开的,各级的静态工作点之间互不影响。如果电容容量足够大,那么在一定频率范围内,输入信号是可以几乎无衰减的传送到后一级电路的。

    但是,阻容耦合方式的缺点也很显著,因为电容有“隔直”的作用,所以直流成分不能通过电容器,其次,电容器对变化缓慢的信号也会有比较大的阻碍作用,所以当变化缓慢的信号通过电容时会造成比较大的衰减。

    更重要的是,大容量的电容器很难集成到集成电路中,所以,阻容耦合电路不适合运用在集成的放大电路中。

    2、变压器耦合放大电路

    变压器能够将信号转换成磁能的形式进行传送,所以所以变压器也能作为多级放大电路的耦合元件来使用。

    如下图所示就是一个变压器耦合放大电路,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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    变压器耦合放大电路的重要优点是具有阻抗变换作用,因而可以应用在分立元件功率放大电路中;另外,电路前后级是通过磁能来实现耦合,所以各级之间的静态工作点相对独立,互不影响。

    阻抗变换:当负载阻抗和传输线特性阻抗不等,或两段特性阻抗不同的传输线相连接时均会产生反射,会使损耗增加、功率容量减小、效率降低;只要在两段所需要匹配的传输线之间,插入一段或多段传输线段,就能完成不同阻抗之间的变换,以获得良好匹配。

    变压器耦合的缺点在于,低频特性差,不能放大变化缓慢的信号,直流信号也无法通过变压器;而且变压器比较笨重,无法集成化

    3、直接耦合放大电路

    为了克服前面两种耦合方式的无法集成化,也不能传送变化缓慢的信号的缺点,可以采用直接耦合方式,将前级的输出端直接或者通过电阻接到后一级电路的输入端。

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    直接耦合的放大电路既能传送交流信号,又能传送直流信号,也便于集成化,所以,实际的集成运算放大电路中,通常是直接耦合的多级放大电路。

    直接耦合方式带来的缺点是各级之间的直流通路相连,所以静态工作点会相互影响

    为了使直接耦合的两个放大电路能正常工作,就要解决各级都要有合适的静态工作点的问题,如果解决不好,直接耦合会使静态工作点的缓慢变化逐级传递和放大。

    如下图两个电路就是两种解决途径,可以解决一些静态工作点相互影响的问题。(原理稍复杂这里就不详细说了)

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    对于一个高质量的直接耦合放大电路,要求它除了要有很高的电压放大倍数之外,还要零点漂移也比较低。

    零点漂移:如果一个直接耦合放大电路输入端对地短路,并调整电路,使输出电压也为等于零,理论上来说,输出电压应该一直保持不变,但实际上,输出电压将离开零点,缓慢地发生不规则的变化,这种现象就叫做零点漂移。

    直接耦合放大电路由于各级静态工作点相互影响,所以它的分析、计算、调试会比较麻烦,会比前面两种耦合电路要复杂。

    在多级放大电路中,由于各级之间是互相串联起来的,前一级的输出就后一级的输入,多级放大电路总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积

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    这点是我们需要知道的,多级放大电路总的电压放大倍数是相乘,不是相加。

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  • 多级放大电路具体学习

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    在多级放大电路中,单级放大器之间信号传递的电路连接方式称为耦合,耦合时应尽量使信号传递过程中的损失最小,同时使各个放大电路的直流工作状态不受影响。常见的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合等。

    直接耦合:放大电路中把前级的输出端直接或者通过电阻或恒压器连接到下一级的输入端,这样的连接方式成为直接耦合。

    优点:可以放大交流信号,也可以放大直流信号和缓慢变化信号,具有良好的低频特性,而且便于集成,因此实际生活中集成运放电路大部分采用的耦合方式都是直接耦合;

    缺点:由于直接耦合前后级之间存在着直流通路,各级放大电路的静态工作点相互影响,不能独立,使得放大电路在调试和维护方面比较困难;另外最重要的问题就是该耦合方式会存在零点漂移现象,所谓零点漂移指的是实际应用中,由于温度、频率等的影响,直接耦合的多极放大电路在输入信号为零时,输出端的点位会偏离初始设定值,产生缓慢而不规则的波动,这种输出端点位的波动现象就叫零点漂移(简称零漂),又称温漂,级数越多,放大倍数越大,零点漂移越严重,一级耦合电路的零漂影响最大,因为一级漂移经过放大电路的放大会严重影响工作,所以抑制零漂着重在抑制一级漂移。差分放大电路可以有效地抑制零点漂移

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多级放大电路的输入输出电阻