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'4章多级放大电路概要 4.1分离元件多级放大电路在实际应用中，通常会对放大电路提出多方面的要求。以放大电压信号为例，为了减小信号源内阻上的损耗，要求放大电路的输入电阻要足够大；为了降低放大电路内部损耗，要求其输出电阻要足够小；为了有足够的放大能力，要求其放大倍数要足够高。任何单个基本放大电路，都无法同时满足上述要求。此时，可以将不同的基本放大电路有机组合，构成多级放大电路，实现对同一信号的连续放大。在构成多级放大电路时，不仅要考虑每一级电路的具体结构，还要考虑各电路之间的正确连接问题。 4.1.1多级放大电路的耦合方式在多级放大电路中，级与级之间的连接称为级间耦合。通常有四种常见的耦合方式：阻容耦合、变压器耦合、直接耦合和光电耦合。无论采取哪种耦合方式，都要使前一级的输出信号能顺利的传递到下一级的输入端，同时要保证每一级电路都要有合适的静态工作点。 变压器耦合方式的优点：各级静态工作点相互不受影响，有利于实现阻抗匹配；变压器耦合方式的缺点：低频响应差，成本高，体积大，易自激，不易集成。随着集成电路技术的不断发展，目前在新型的电子产品中，变压器耦合方式的放大电路已很少见，多在早期分离元件调谐放大和音频功率放大电路中采用。 3.直接耦合R2+-R4R5VT1+R1R3+VCCuiuo+-CeVT2将放大电路前一级的输出端和后一级的输入端直接用导线或通过电阻连接在一起，称为直接耦合方式。 3.直接耦合R2+-R4R5VT1+R1R3+VCCuiuo+-CeVT2输入信号通过R2送到VT1的基极，同时R2又是VT1的下偏置电阻。R3既是VT1的集电极负载电阻，又是VT2的上偏置电阻。VT1用于放大输入信号，其C、E极之间的直流等效电阻又作为VT2的下偏置电阻的一部分。直接耦合,可以省掉不必要的元件，使整个电路得到简化。 直接耦合方式的优点：结构简单，低频响应好，可以放大变化缓慢的交流信号，易集成，成本低。直接耦合方式的缺点：（1）静态工作点相互影响；（2）零点漂移现象严重；常见的抑制零点漂移现象的方法：采用高质量硅管、调制法和补偿法，其中补偿法有热敏电阻补偿和采用差动放大电路补偿。直接耦合方式在集成电路中得到广泛应用。R2+-R4R5VT1+R1R3+VCCuiuo+-CeVT2 4.光电耦合R3++VCCR2VTuoR1+VD-ui-光电耦合是利用光电耦合器件，通过电－光－电的转换实现前后级之间信号的传递。如图所示电路，输入回路与输出回路采用独立源分别供电，可以免受各种电的干扰。 4.光电耦合R3++VCCR2VTuoR1+VD-ui-光电耦合的优点：各级工作点独立，抗干扰能力强，安全性好，成本低，可集成。做成一体式的一般称光耦；做成分体式的一般称遥控。现在彩电、空调上广泛使用的红外式遥控器就是一个实际的例子。 5.综合耦合图4-5带推动级的OTL功率放大电路C2+++R3-VT1VD+RW1R1R2RL+VCC+-uiuoC1VT2VT3RW2C3在实用多级放大电路中，通常是根据实际需要，综合采用两种或两种以上的耦合方式，如图4-5所示为带推动级的OTL功率放大电路。在该电路中，三极管VT1构成推动级(或称为前置级)，VT2和VT3构成互补对称功放级。其中，推动级和功放级之间采用直接耦合，输入信号与推动级之间以及输出信号与负载之间采用阻容耦合 5.综合耦合1.带推动级的OTL功率放大电路C2+++R3-VT1VD+RW1R1R2RL+VCC+-uiuoC1VT2VT3RW2C3VT1一方面放大输入信号，另一方面，其C-E极之间的静态直流等效电阻与R3串联，共同作为三极管VT3的静态偏置电阻，工作点调好后，该等效电阻的大小应与R2相等，可以通过调整RW1和RW2得到合适的值。RW2和VD上的静态直流电压为VT2、VT3提供合适的静态电压，以消除交越失真。VT2的集电极到VT1集电极之间的静态电压与VT1的集电极静态电流比值确定的电阻作为VT1的等效集电极负载电阻。R2是三极管VT2的上偏置电阻，同时又是三极管VT1的集电极负载的一部分。 RLTr1VT1R2R1R4R5R6+VT3C2Tr2+C1R3VT2+VCCui-+带推动级的乙类推挽功率放大电路三极管VT1构成推动级，VT2和VT3构成乙类推挽功放级。其中，推动级和功放级之间以及功放级和负载之间采用变压器耦合；推动级的输入信号是来自话筒或其它放大电路的输出信号，该信号一般是通过阻容耦合方式送入推动级电路的。 多级放大电路的性能指标3．电压放大倍数等于各级放大倍数之乘积：1．输入电阻等于第一级的输入电阻：2．输出电阻等于最后一级的输出电阻： 多级放大电路的性能指标注意：在估算多级放大电路每一级的性能指标时，应考滤前后级电路对本级电路的影响：2.当共集电极放大电路作输入级时，其输入电阻与后一级的输入电阻有关；1.每一级的放大倍数，应该是考虑后级输入电阻负载效应后的放大倍数。3.当共集电极放大电路作输出级时，其输出电阻与前一级的输出电阻有关。实际的多级放大电路一般不超过3级。 【例4.1】在图4-1所示电路中，已知VCC=12V，rbe1=1.2k，rbe2=1k，UBEQ1=UBEQ2=0.7V，1=2=50，R1=60k，R2=20k，R3=4k，R4=2.3k，R5=100k，R6=RL=3k。试估算：（1）电路的Q点（2）画出简化的微变等效电路，估算和、+R4C3C1+++-uoRL+-VT1R6R1R2R3R5＋VCCui+C2C4VT2 解：(1)求解Q点：由于电路采用阻容耦合方式，所以每一级的Q点可按单级放大电路求解。第一级为分压式负反馈偏置电路，所以：+R4C3C1+++-uoRL+-VT1R6R1R2R3R5＋VCCui+C2C4VT2 第二级为共集电极放大电路，所以：+R4C3C1+++-uoRL+-VT1R6R1R2R3R5＋VCCui+C2C4VT2 R3rbe1R1+R2-rbe2RLR5R6+-图4-8两级阻容耦合放大电路(2)图4-1所示电路的微变等效电路如图4-8所示。+R4C3C1+++-uoRL+-VT1R6R1R2R3R5＋VCCui+C2C4VT2 放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻：放大电路的输出电阻等于最后一级的输出电阻：R3rbe1R1+R2-rbe2RLR5R6+-图4-8两级阻容耦合放大电路 R3rbe1R1+R2-rbe2RLR5R6+-为了求整个电路的放大倍数，需先求每一级的放大倍数；第一级的负载电阻，即第二级的输入电阻： 4.2集成多级放大电路采用半导体制造工艺，将单个电子器件以及连接导线集中制造在一小块半导体基片上，构成一个完整的电路，这样一种器件就叫做集成电路。它是一种元器件和电路融为一体的固态组件。与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、重量轻、价格低廉和性能可靠等特点。因而它逐渐取代了分立元件电路而被广泛应用于各个领域。 4.2集成多级放大电路集成电路种类很多，按功能划分，可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。前者用于数字系统，后者用于产生、放大、加工各种模拟信号或者进行模拟信号与数字信号的转换。常见的模拟集成电路有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压器、集成模数和数模转换器等多种。其中集成运算放大器(简称集成运放)是应用最广泛的一种。由于这种电路最初用于模拟计算机中实现数值运算，所以称为集成运算放大器，其本质仍是放大器。集成运放为我们提供了一种电压增益高、输入阻抗大、输出阻抗小的十分理想的放大器件。 4.2集成多级放大电路本节重点介绍集成运放、集成功放的典型应用，并对集成放大电路工程应用中一些技术问题进行必要的讨论。 4.2.1集成运算放大电路-uo图4-9集成运算放大电路的组成框图输入级uid偏置电路中间级输出级+集成运放实质上是一种直接耦合多级放大电路，多数为双电源供电。通常有三级电路构成，分别称为输入级、中间级和输出级。1.集成运放的结构及特点1）结构 ①输入级是一个高性能的差动放大器。输入级的好坏影响着集成运放的大多数参数。对输入级的要求，与信号源的性质有关②中间级一般采用共射放大电路，它是整个电路的主放大器，作用是提供较高的电压增益。③输出级一般采用互补(或准互补)对称功率输出电路。作用是提供较高的输出电压和较大的输出电流。④偏置电路一般由电流源电路组成。作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。2）特点 3）电路符号(a)国标符号(b)曾用符号(c)带电源引脚的符号图4-10集成运放的符号-+uNuPuo-+uNuPuo+-∞+uNuPuo“-”表示反相输入端；“+”表示同相输入端；“”表示信号的传输方向，“”表示理想条件。 4）电压传输特性4-11集成运放的电压传输特性uiduo+Uom-Uom线性放大区饱和区o集成运放输出电压uo与其输入电压uid（uid＝uP-uN）之间的关系曲线称为电压传输特性，即uo＝f(uid),如图4-11(a)所示。 在uid很小的范围内为线性区，uo=Aoduid。输出电压的最大值为±Uom，当时，输出信号uo不再跟随uid线性变化，进入非线性工作区。由于集成运放的开环差模电压放大倍数Aod非常高，一般为l04~107，即80~140dB，所以它的线性区非常窄。例如，若输出电压最大值Uom＝±12V，Aod＝5×105，那么只有当输入信号uid＜24pV时，电路才会工作在线性区。否则输出级就会工作在正向饱和或负向饱和状态，输出电压Uo不是+Uom就是-Uom。其饱和值±Uom接近正、负电源电压值。为使运放工作在线性区，通常引入深度负反馈。 2.理想运放1）理想运放的性能指标开环差模电压放大倍数Aod=；差模输入电阻Rid=；输出电阻Ro=0；共模抑制比KCMR＝；输入偏置电流Iid=0；上限频率fH=。具体应用时，将运放看作是一个理想的电子器件。工作在线性区时等效为放大器件，工作在非线性区时等效为开关器件。uouid+Uom-Uomo理想传输特性 2)理想运放工作在线性区（1）“虚短路”反相输入端电位与同相输入端电位近似相等uP≈uN（2）“虚断路”两个输入端电流趋于零，相当于断路。iid=iP=iN≈0。uo=Aoduid+-∞+uNuPuo理想运放工作在线性区的特点： “虚短路”和“虚断路”是分析集成运放工作在线性区的两个重要出发点。实际上Aod与Rid都不是无穷大，因此，uid和iid并不等于零。只是当Aod足够大时，净输入电压和净输入电流与电路中其它电压、电流相比确实很小，可以忽略不计。当uo为确定的值时，集成运放Aod与Rid的值愈大，则uid和iid愈小，忽略后所带来的误差也愈小。图4-12所示为通用集成运算放大器A741的结构及管脚功能。-+图4-12µA741调零-VEE213空脚+VCC5678调零输出反相输入同相输入4 理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区时，仍具有“虚断”的特点。但一般而言，其净输入电压不再为零，而是取决于输入信号的大小。+-∞+uNuPuo3）集成运放工作在非线性区集成运放处于开环状态（1）输出电压uo=±Uom。（2）净输入电流为零，即iP=iN≈0 (a)（b）图4-13常用四运放集成电路(a)LM324(b)LM339-VEE+VCC-VEE+VCC图4-13给出了两中常用的四运放集成电路，供电方式可以单电源，也可以双电源。单电源供电时，可将负电源端接地。其中LM324一般作放大器使用，LM339一般作比较器使用。对理想运放工作在非线性区的应用，将在第六章讲述。 4.2.2集成功率放大电路集成功率放大器是在集成运放基础上发展起来的，其内部电路与集成运放相似，且多加深度负反馈。与集成运放相比，它具有更大的输出功率，其频率特性好、非线性失真小、外围连接元件少。广泛用于电子产品中，大大方便了整个系统的设计和调试。1.概述选择集成功率放大器的时候，要注意它的一些技术指标：①输入阻抗：通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在5000~15000Ω，数值越大表示抗干扰能力越强；②失真度：指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好，一般在0.05%以下；③信噪比：是指输出信号中有用信号和噪音信号的比值，数值越大代表声音越干净。 (a)外形图(b)顶视图图4-14LM386集成功放外形图与管脚图集成功率放大器种类很多，但从其内部结构看，仍然是多级直接耦合放大电路，由输入级、中间级、输出级、偏置电路等部分组成。LM386是专为低损耗电源设计的功率放大器，电源电压范围为5V~18V，增益调节范围为20~200，可以通过引脚1和引脚8之间外接不同的阻容元件进行调节。1.应用举例1）LM386 外接元件最少的用法图4-15LM386外接元件最少的用法++VCCuiRW10k220F100.1F812364758LM386 电压增益最大的用法图4-16LM386电压增益最大的用法+VCCui220F+100.1F812364758+20F20F+LM386RW10k 增益可调的用法+VCCui220F+100.1F81236475820F++20FRW220kLM386图4-17LM386的一般用法RW110k 2）傻瓜175傻瓜175为5脚单列直插塑封OCL集成功放，其外形和管脚排列见图4-18，电气参数见表4-2-2（见教材P98）傻瓜175系列功放集成电路，是一种音响后级功放块，与普通功放集成电路相比，除了免外接任何元器件、免安装调试即能正常工作外，还有其内部采用绝缘栅场效应管作末级推动输出，动态频响极宽，高低音均较为丰富。傻瓜175V-9144175OUTINV+图4-18傻瓜175外型和管脚 GND傻瓜175V-9144175OUTINV++28V-28V75W信号输入图4-19为傻瓜175的典型应用电路。 3)TDA2009图4-21TDA2009的外形和管脚排列111TDA2009TDA2009是一种较为常见且价格实惠的高保真双声道音频功率放大电路，电路内设有短路保护和过热自动闭锁保护装置。常用于音频功率放大，也可作为其它电子设备中的功率放大。工作电源电压范围为8～28V，在VCC=23V，RL=4Ω时，每个声道输出功率Po=10W。利用TDA2009可以构成双声道OTL电路，也可以构成单声道BTL电路，封装形式为11脚单列直插塑封，其外形见图4-21，引脚含义见表4-3，电气特性参数见表4-4。（见教材P99） 双声道OTL应用电路C3TDA20096220μF1584210392.2μF2.2μF22μF220μF0.1μFVCC1k1k1Ω1Ω39Ω39Ω2200μF2200μF0.1μF0.1μF100μFL声道LinRinR声道C1C2C7C6C4C5C8C9C10C11R5R1R2R3R4R6++++++图4-22TDA2009OTL应用电路（双声道） BTL应用电路RL8Ω图4-23TDA2009BTL应用电路TDA20096220μF1584210392.2μF2.2μF22μF220μF0.1μF+VCC=23V2k1k1Ω1Ω39Ω39Ω0.1μF100μFC1C2C3C4C5C6C7R6R1R2R3C8C90.1μFR4R5++++声音输入 4.3放大电路的频率响应由于三极管本身具有电容效应，以及放大电路中存在电抗元件(如耦合电容和旁路电容)，而对于不同频率分量，电抗元件所呈现的电抗值不同，因此，对不同频率分量放大器所呈现的放大倍数和产生的相位就不同，从而输出信号的波形与输入信号的波形产生了差异，即产生了失真，此种失真称为频率失真，它包括幅度失真和相位失真。由于它们是线性电抗元件引起的失真，因此，又称为线性失真。此时，放大电路的放大倍数是频率的函数，我们把这种函数关系称为放大电路的频率特性。4.3.1频率响应概述 1.一阶RC电路的频率响应（幅频特性）（相频特性）１)高通电路的频率响应++__CR １)高通电路的频率响应90°45°0°f(c)相频特性AU10f(b)幅频特性2++__CRfL 2)低通电路的频率响应（幅频特性）（相频特性）++__CR(a)电路 2)低通电路的频率响应++__CR-90°-45°0°f(c)相频特性10f(b)幅频特性Au2fH 用对数表示的功率放大倍数称功率增益，其国际单位为“贝尔”（Ｂ）,工程上常取它的十分之一作单位，称为“分贝”（dB）2.对数频率特性（波特图）人们的听觉和声波强度的对数成线性关系，例如，放大器将语音信号从10mW放大到１W时，其功率增加倍数AP=100，但人耳感觉到强度只增加了２倍，即：GP=lgAP=lg100=2GP=lgAP(B)=10lgAP(dB)1贝尔=10分贝1B=10dB 虽然一般情况下，放大器的输入电阻和输出电阻不一定相等，习惯上仍采用上述方法描述放大能力，并不失一般性。只差一个固定常数假设，放大器的输入电阻和输出电阻相等，则：2.对数频率特性（波特图）上式为用电压放大倍数表示的功率增益，简称增益。同理可得用电流放大倍数表示的增益表达式为： 用对数表示放大倍数，既符合人们感觉的实际情况，又可提供运算上的方便。比如一个多级放大器，其总的放大倍数为：若用分贝表示，则为：这就把乘法运算转化为加法运算了。即 放大电路的输入信号的频率范围常常在几赫到几百兆赫，放大倍数可从几十倍到几百万倍变化。为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围，画频率特性曲线时常采用对数坐标。波特图用对数坐标表示的频率特性曲线叫波特图。用对数坐标可以将高端压缩，将低端拉伸。幅频特性的横轴采用对数刻度lgf，纵轴按20lgAu(dB)进行刻度；相频特性的横轴采用对数刻度lgf,纵轴仍按角度进行刻度，因此，称此种坐标为半对数坐标图。 1）高通电路的波特图≈90°频率每下降10倍，增益下降20dB。＝45°≈０°fL10fL0.1fL20dB/10倍频程f20lgAu/dB0-3f+90o+45o0o(a)(b) 以f=0.1fL和f=10fL为拐点当f≤0.1fL时，≈90°fL10fL0.1fL20dB/10倍频程ff20lgAu/dB+90o+45o0o0-3(a)(b)在0.1fL与10fL之间时，≈-45°/10倍频程。最大误差为-3dB，发生在f=fL处。以f=fL为拐点，当f>fL时，为20lgAu=0；高通电路频率特性的近似5.71o当ffL时，（2）相频近似低通电路频率特性的近似其最大误差为-3dB，发生在f=fH处。以f=0.1fH和f=10fH为拐点，当f≤0.1fH时，≈0°；当f≥10fH时，≈-90°近似。在0.1fH与10fH之间，≈-45°/10倍频程。（最大误差为±5.71°，分别发生在f=0.1fH和f=10fH处。（1）幅频近似：以f=fH为拐点，当f