多级放大电路与集成运算放大器解读.docx
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多级放大电路与集成运算放大器解读
多级放大电路与集成运算放大器
第三章多级放大
不同耦合方式的特点和应用场合
多级放大电路的分析（动,静态电路计算）多级放大电路动态参数与各级基本放大电路动态参数的关系直接耦合放大电路的零点漂移（现象,原因等）克服温度漂移方法之一—差分放大电路的结构组成差分放大电路的工作原理及动,静态分析四种不同接法差分放大电路性能比较放大电路互补输出级工作原理分析
通用型集成运放的四个组成部分及其作用,对各级放大电路的要求
集成运放中常用的电流源电路组成及其工作原理电流源在集成运放中的应用:
利用电流源设置放大电路的静态工作点作为有源负载增强放大能力.
集成运放的性能指标和等效电路
集成运放的选择和使用
3.1.3学习要点
1.什么是多级放大电路,为什么要组成多级放大电路.
2.常用的多级放大电路耦合方式有哪些,各有何特点,如何根据需求组成多级放大电路.
3.如何分析多级放大电路的静态工作点和动态参数.
4.集成化放大电路为什么多采用直接耦合方式,它存在的最大问题是什么.
5.什么是零点漂移现象,造成零点漂移的主要原因是什么.
6.差分放大电路如何抑制零点漂移.
7.差分放大电路如何设置静态工作点,如何分析差分放大电路的静态工作点.
8.什么是差模,共模信号,差分放大电路的共模放大倍数,差模放大倍数,共模抑制
比,输入输出电阻分别用来描述其哪方面的性能,如何求取.
9.不同接法的差分放大电路对其动态性能有什么影响,各有何特点.
10.为什么直接耦合放大电路的输出级要采用互补形式,如何设置其静态工作点.
11.集成运放由哪四部分电路组成,为什么要用差分电路作为输入级,共射放大电路作为
中间级,互补电路作为输出级.
12.为什么可以将集成运放看成为一个高性能的双端输入,单端输出的差分放大电路.
13.电流源电路如何组成,如何工作.它如何构成集成运放的偏置电路和有源负载电路,
有何优点.
14.集成运放有哪些主要指标参数,它们的物理意义是什么.
15.如何选择和使用集成运放.
3.2知识提要
3.2.1多级放大电路
一,多级放大电路的组成各种基本放大电路的性能各有优缺点,而在实际应用中,常常需要对放大电路提出多方面
的要求,这时,就可以选择多个基本放大电路"扬长补短",并将它们合理地连成多
级放大电
路,满足实际应用对电路指标的各种要求.多级放大电路由以下几个部分组成,其框图如图3.1所示.
图3.1多级放大电路组成方框图
（1）输入级:
对直接耦合放大电路要能够有效地抑制零点漂移,并要求有较高的输
入电阻.
（2）中间级:
主要作用是提供足够高的电压放大倍数.
（3）输出级:
主要任务是给负载提供一定幅度的输出电压和输出电流,且为了提高
带负载能力,要求输出电阻较小.
二,级间耦合方式级间耦合既要保证信号有效传输,避免信号失真,还要保证各级有合适的静态工作点.
1.常见的耦合方式
（1）直接耦合:
将前一级的输出端直接接到后一级的输入端,称为直接耦合方式.其原理
如图3.2（a）所示.直接耦合的特点为:
可以放大直流及缓慢变化的信号,低频响应好,便于集
成;但各级静态工作点不独立,设计,计算及调试不便,存在零点漂移现象.
（2）阻容耦合:
如图3.2（b）所示.各级间通过耦合
图3.2多级放大电路耦合方式原理框图
2.直接耦合方式存在的问题
（1）零点漂移问题:
直接耦合多级放大电路在输入端对地短接的条件下,输出端的电压会
信号源输入级中间级输出级负载
Rsui
A1
+
iu
+
1ou
+
2iuA2AnRL
+
inu
+ouRs
ui
A1
+
iu
+
1ou
+
2iuA2AnRL+inu+ou
（a）（b）信号源放大器负载或放大器放大器放大器
（c）（d）作缓慢的随机变化,这种现象称为零点漂移.其原因主要是由于为最后一级放大电路的输出电阻.
3.2.2差分放大电路差动放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路.利用电路在结构上的对称
性,可以有效抑制由于温度变化引起晶体管参数变化造成的电路静态工作点的漂移.
一,差模输入信号,共模输入信号和共模抑制比
1.差模输入信号差分放大电路对差模输入信号有放大能力,用差模电压放大倍数表示:
其中是在差模输入信号作用下产生的输出电压
2.共模输入信号
差分放大电路对共模输入信号有抑制作用,用共模电压放大倍数表示
n
n
i
uiunuu
in
on
i
o
i
o
uAAAA
U
U
U
U
U
U
A
1
21
2
2
1
1&&L&&
&
&
L
&
&
&
&
&
1iiRR=
1iRonoRR=onR21iiiduuu=id
od
ud
U
U
A
&
&
&=
odU&idU&
）（
2
1
21iiicuuu+=
其中是在共模输入信号作用下的输出电压.于是有:
3.共模抑制比为了综合衡量差分放大电路对差模信号的放大能力和对共模信号的抑制能力,引入共模抑制
比:
的值越大,说明差分放大电路抑制零点漂移的能力越强二,差分放大电路的四种输入输出方式及静动态分析1.静态分析
差分电路在进行静态分析时,令,依据电路的对称性即
先求发射极电流.
2.动态分析
这里以长尾式差分电路为例,其动态参数见表3.1.
表3.1差分放大电路动态性能指标
ic
oc
uc
U
U
A
&
&
&=
ocU&icU&
icidiuuu+=
2
1
1icidiuuu+=
2
12icucidudouAuAu+=&&ucud
CMRAAK&&
212121,,
CMRK021==iiuuEQEQEQCQCQCQBQBQBQIIIIIIIIIEQI双端输出udA&ucA&
RidRicRoKCMR双端输入rbeRbRLRc+
）
21
〃（B
0）（2rbeRb+Re]）1（2[
21B+++rbeRbRc2
oo
单端输
同上单端输出双端输入）
（2）//（rbeRbRLRc+
m
Re）1
（2）//（
B
B
+++rbeRbRLRcm）（2rbeRb+Re]）1（2[
2
1
B+++rbeRb
Rc
AucAud单三,改进型差分放大电路—具有恒流源的差分放大电路
射极电阻Re对共模输入信号有负反馈作用，Re越大，越小,KCMRfi越大.但是
Re又
不能太大,因为Re上的电压降由
+
iuou
名称电路结构电流传输关系动态输出电阻
基本型电流源
2cerRo=
VCC
RRI2CI
T1T2
+
2
1
2
+=R
C
I
I
接入共集管的电流源
VCC
RRI2CI
T1T2
+
T3
）
2
2
1（
2
2
++
BB
RcII
2cerRo=
串接电流源
—
—
V
CC
RRI2CI
T1T2
+
T3T4
B
2
1
2
+=RC
I
I
威尔逊电流源
—
—
RRI
2CI
T1T3
+VCC
T2
）
22
2
1（
2
2
++
BB
RcII
2
2
1
cerRo〜B
比例电流源
T1T2
R
2+VCC2CIRIR
当时,21）105（ccll=
RcI
R
R
1
2
1
2=
2
221
2）1（ce
be
r
rRR
R
Ro
++
+
3.输出级电路
输出级电路需要有较强
B1=B
的,Re1=2.7K,R1=100K,R2=50K,Rc2=2K,Re2=1.6K,Rs=1K,RL=8K,
2=50,rbe1=rbe2=900.试求:
1.求静态工作点;
2.画出放大电路的微变等效电路;
3.求电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro;
4.计算电压放大倍数Au,Aus.
图3.4（a）
解题思路:
由于阻容耦合多级放大电路中的耦合电容具有隔直作用,所以其静态工作点的
计算按各单级电路分别计算.多级放大电路电压放大倍数的计算可采用下述两种方法:
（1）若将后级电路的输入电阻作为前级电路的负载,先计算出前级电路的电压放
大倍数
Au1,再单独计算后级电路的电压放大倍数Au2.这样电路总的电压放大倍数Au即为两者的乘
积.
（2）先单独计算前级电路的电压放大倍数Au1,此时负载相当于开路.再将前级电路的输
出电阻Ro1作为后级电路的信号源内阻Rs2,计算出后级电路的电压放大倍数
Aus2.这样电路总的
电压放大倍数Au也为两者的乘积.
微电流源
（Widlar电流源）
—
—
V
CC
RRI2CI
T1T2
+
R
2
22
2lnc
RT
c
I
I
R
V
I=
2
22
2）1（ceberrRRRo++
VCC+
RS
Rb1
Re1
R1
R2Re2
Rc2
RL+us+
uo
解:
1.静态工作点计算.
对第一级:
对第二级:
2.画出放大电路的微变等效电路如图3.4（b）所示.
图3.4（b）
3.输入输出电阻的计算
由图（b）电路可知,第二级电路的输入电阻Ri2的表达式为:
电路总的输入电阻Ri的表达式为:
电路的输出电阻为:
4.电压放大倍数的计算
本例按第一种方法计算•由图（b）电路可得：
代入已知数据得:
.电路总的电压放大倍数为:
考虑信号源内阻Rs时电路总的电压放大倍数为：
A
R
UV
I
b
BEcc
BQ
35
7.251180
7.012
R）1（1e1
1
1=
x+
++mAAIIBQCQ75.135501lH==B
VIVUCQccCEQ275.775.17.212R11e1>==〜VV
RR
R
UccB412
50100
50
21
2
2=X
+
+
2
2e
22
22
6.1
7.04
R
CQ
BEB
EQImA
UU
I~=
VRIVUcCQccCEQ8.4）6.12（212）R（2e222=+<=+=
+
sU&
1bI&B
1bI&
2bI&B2bI&
1ber
2ber
Rs
Rb1
Re1Rc2
R1R2
R
L
+
Uo
RoR
i2
Ri
b
1
e1
c1
b2
e2
c2
〜==KRRRbeir9.09.0//50//100////2212
=x++=++=KRrRrbebi6.29]9.0//7.2）501（9.0//[180]//R）1（//[21e111B
==KRRco22
21e11
21e1
1
//R）1（
//R）1（
ibe
i
u
Rr
R
A
B
B
+++
=&
2
22
2
//
be
Lcur
RR
A
=&
10097.021==uuAA&&,
97）100（97.021=X==uuuAAA&&&
当然,也可按工程估算法估算电路的电压放大倍数.第一级为共集放大电路,其电压放大
倍数.第二级为共射放大电路,其电压放大倍数为:
于是,总的电压放大倍数为.计算误差为3%,小于5%的工程误差要求,估算成立.
例题3.2图3.5（a）为阻容耦合共射--共基放大电路.已知
UBE1=UBE2=0.7VB,1=B2=100,
1.计算电路的静态工作点;
2.画出电路的微变等效=X
+
+
=u
siiusA
RR
R
A&&
11心uA&
100
9.0
8//250//
2
22
2=
be
Lc
u
r
RR
A
B&
10021〜=uuuAAA&&&
==''10021bbbbrr
V
CC
+
（+12V）
RS
+
us
R
b
K551
100
K5.1
K2
K3.1
K9.4
K10K1
K10
Re1
Rc1
Re2
R
b1
Rb2
R
c2
R
L
+
uo
R
UV
Ib
BEcc
BQ
15
2101551
7.012
R）1（1e1
1
1=
x+
++mAAIIBQCQ5.115100111>===B
VRIVUcCQccCEQ75.6）R（1e111=+=VV
RR
R
Ucc
bbb
B75.612
9.410
9.4
21
2
2=X
+
+
2
2e
22
25.2
3.1
7.075.6
R
CQ
BEB
EQImA
UU
I~=
AIBQ252"
2.画微变等效电路如图3.5（b）所示.
图3.5（b）
3.输入输出电阻电路的输入电阻为:
而
则
电路的输出电阻为:
4.电压放大倍数的计算
将第二级的输入电阻Ri2作为第一级的负载,计算第一级的电压放大倍数.先算第二级的输
入电阻:
而
则
于是,第一级共射电路的电压放大倍数为第二级电压放大倍数为
电路总的电压放大倍数为考虑信号源内阻Rs时的电压放大倍数为
VRIVUcCQccCE25.6）R（2e222=+"
+
sU&
1bI&B1bI&2bl&B
2bI&
1ber
2ber
Rs
Rb
Rc2
Rc1Re2
RL
+
U
RoR
i2
R
i
b1
e1
c1
b2
e2c2
1//bebirRR=
=x++=Krbe85.1
5.1
26
）1001（1001
〜=KRi85.185.1//551
==KRRco12
2
2
2e2
1
//R
B+
=be
i
r
R
=x++=Krbe15.1
5.2
26）1001（1002
==4.11
101
15.1
//3.12iR
6.0
85.1
）0114.0//5.1（100//
1
211
1=
x
be
ic
u
r
RR
A
B&
79
15.1）10//1（100//
2
22
2=
x
be
Lcur
RR
A
B&
4.47796.021=x==uuuAAA&&&
从本例看出,由于第二级共基电路的输入电阻很小,造成第一级共射电路的电压放大倍数
的绝对值也很小,这就是多级放大电路级间相互影响的结果.
例题3.3共源一共射放大电路如图3.6（a）所示.已知T1管的gm=0.6mA/V,T2管
的rbe=1K,B
=100.
1.画出电路的交流微变等效电路;
2.计算输入电阻和输出电阻;
3.计算电压放大倍数Au,Aus.
图3.6（a）
解题思路:
同例3.1.
解:
1.画微变等效电路如图3.6（b）所示.
图3.6（b）
2.输入输出电阻计算
由图（b）可知输入电阻为
输出电阻为
3.电压放大倍数计算
第一级电压放大倍数为第二级电压放大倍数为
1.47）4.47（
84.11.0
84.1
=X
+
+
=u
isiusA
RRR
A&&+us+uo
R
S
K10
K200
K200
K10
RdRg1
Rg2
Rg
M1
Rs1
R
fK1
RC
K2R
L
K20
VCC+
T1
T
2
2bl&2bl&B
2beroU&
GSU&GSU&g
m
R
g2
R
g1
R
gR
S
R
f
R
d
RCRL
+
sU&
+
R
i
R
i2Ro
e
bcgd
s
=+=+=MRRRRgggi1.1200//2001000//21==KRRco2
375.0
16.01
）1//10（6.0
1
//
1
//22
1=
X+
X
+
fm
bedm
fmidmuRgrRg
Rg
RRg
A&总电压放大倍数为由于输入电阻大于大于信号源内阻（即1100>>10）,则考虑信号源内阻后的电压放大倍数
仍为68.2.
例题3.4恒流源式差分放大电路如图3.7所示.已知晶体管的UBE=0.7V,稳压管的
1.简述恒流源结构的优点;
2.求电路的静态工作点;
3.求差模电压放大倍数;
4.求差模输入电阻和输出电阻.
图3.7
解题思路：
差分放大电路在进行静态分析时一般认为UB=0同时对恒流源式差分
电路先从
T3管计算入手,计算得ICQ3,利用电路的对称性，IEQ仁IEQ2,则2IEQ仁ICQ3即可求出T1,T2
管的静态.
动态计算时,分清楚单端输出还是双端输出,按相应的方法求出动态参数.
解：
1•恒流源结构的特点：
电路中T3管构成的有源负载代替长尾式电路中的射极电
阻Re,由于
T3管c,e间的动态电阻rce很大，其数量级约为100K左右，加之T3管射极引入电阻Re后,使c极
对地的等效电阻进一步提高，这样T3的工作电流ICQ3更趋于理想电流源.动态电阻增大,差分
电路的共模电压放大倍数减小,而差模电压放大倍数并不受影响,从而增大了共模抑制比,这
样电路抑制零点漂移的能力就增强了.
采用恒流源结构在提高动态电阻的同时,晶体管c,e极间的直流电压UCE变化并不大,这样
不用大幅度提高直流电源电压,就能保证电路较大的动态输出电压幅度.
2.静态工作点计算
先作T3管静态计算,从其基极电位UB3入手.由电路图知
T3管射极电流IEQ3为
8.181
1
）20//2（100//
2
2=
x
be
Lcur
RR
A
B&
2.68）8.181（375.021=x==uuuAAA&&&
=='10050bbr,B
=======KRKKRKRVVVVULcbEEccZ3053R1005126e,,,,,
T1T2
T3
R
C
R
C
R
b
R
b
RL
Rw
R
e
D
Z
K1
K30
200
Vcc+
EEV
+iu
VUVUZEEB66123=+=+=
若假定Rw的滑动端处于中间位置,则根据差分电路的对称性知
假设T1,T2管的基极电位UB=OV则两管的射极电位UE=-0.7V,那么
T3管的基极电流为
T3管的压降UCEQ为
3.差模电压放大倍数的计算
此电路为双端输出电路,则差模电压放大倍数为
而于是得
4.差模输入电阻和输出电阻的计算输入电阻Rid为
输出电阻为
例题3.5直接耦合放大电路如图3.8（a）所示.两个晶体管完全对称,且已知
.试回答下列问题:
1.T1,T2各组成何种组态基本放大电路
2.求其静态工作点;
3.画出放大电路的微变等效电路;
4.求各级放大电路的电压放大倍数及总电压放大倍数,输入输出电阻,并与差分放大电
路差模电压放大倍数,差模输入电阻和输出电阻比较,有何结论.
3
e
3
31.0
53
127.06
R
）（
CQ
EEBEB
EQImA
VUU
I~=
+mAIIIIICQEQEQCQCQ05.0
2
1
3212仁===
A
I
IICQ
BQBQ
11
21===
VURIVUUEcCQccCEQCEQ7.77.010005.01212X=+==
A
1
ICQ
BQ
B
23
3==
VUUUUUEEECCEQ6）7.06（7.03333===
2
）1（
2
//wbeb
L
c
udR
rR
R
R
A
B
B
+++
=&
=x++=Krbe5.26
05.0
26
）501（100
18
2
2.0
）501（5.265
）
2
30
//100（50
X+++
X
=udA&
=+++=K
R
rRRwbebid73]
2
）1（[2B
==KRRco2002
VUrBEbb7.0050===,,B
图3.8（a）
解题思路:
此电路既可看成是单端输入,单端输出的差分放大电路,按差分放大电路的计
算方法计算.也可将其看成两级直接耦合放大电路进行计算.本例先按两级直接耦合放大电路
进行计算,然后再按差分放大电路计算.
解:
1.由图3.8（a）可见,T1管组成共集组态放大电路,T2组成共基组态放大电路，故该电路为
共集—共基组合的两级放大电路.它具有高输入电阻和高输出电阻,且具有很好的频率特性,
是一种宽带放大电路.
2.静态工作点估算
静态时Ui=0,T1,T2管对称，则IEQ1=IEQ2,从而有
即可解得
因为
所以.而,这样
3.画出电路小信号电路模型如图3.8（b）所示.
RC
R
E
Rb
R
b
VVcc15=+
VVEE15=
K1
K1
K2.2
K15.7
+
U
i
Uo
T1T2
U
o1
EEEEQBEbBQVRIURI=++112
21211
2
1
2
CQCQ
E
BEEE
b
E
BEEE
EQEQIImA
R
UV
R
R
UV
11=Q=
+
+
002.0102.0201
1
21〜=X=====VRIUA
I
IIbBQB
CQ
BQBQ,
B
VUE7.0〜ccCVU=1
VUVUUUEccECCEQ7.1511===
VRIVUcCQccC8.1222==
VUUUECCEQ5.13）7.0（8.1222===
Rb
R
ERbRC2ber1ber
2bl&B1bl&B2bl&1bl&b1b2e1e2c1c2
+Ui+
Uo
RiRi2Ro
图3.8（b）
4.计算动态参数
T1组成共集放大电路,则第一级电压放大倍数为
而,
所以
T2组成共基放大电路,则第二级电压放大倍数为放大电路总
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