第三章 集成运算放大电路

3.1.1多级放大电路的一般问题

一、多级放大电路的耦合方式

用第二章所述的多个基本放大电路合理连接就构成多级放大电路。常见的耦合方式有直接耦合、阻容耦合和变压器耦合。另外,为避免信号远距离传送时的干扰或需要实现信号的隔离,不少场合也选用光电耦合方式。
放大电路直接相连称为直接耦合,如图3.1.1( a)所示。直接耦合放大电路低频特性好,能够放大变化缓慢的信号,便于集成化;但前后级的静态工作点相互联系,存在零点漂移现象。零点漂移现象主要是因温度变化、半导体器件参数变化而产生的,故也称为温度漂移。在实用的直接耦合放大电路中常采用 NPN 和PNP 型管混合使用。
放大电路用容量足够大的电容相连接称为阻容耦合,如图3.1.1( b)所示。在阻容耦合放大电路中,耦合电容起“隔离直流、通过交流”的作用,使各级静态工作点相互独立,且交流信号在耦合电容上几乎没有损失。但其低频特性差,不能放大变化缓慢的信号;由于集成电路中难于制作大容量电容,不便于集成化;目前,仅在必须使用分立元件电路的情况下才采用。
用变压器连接放大电路称为变压器耦合,如图3.1.1( c)所示。变压器耦合放大电路的Q点相互独立,低频特性差,但能够实现阻抗变换,常用作调谐放大电路或输出功率很大的功率放大电路。设变压器为理想变压器,即一次侧损耗的功率等于二次负载上获得的功率,根据图3.1.1( d)可得从一次侧看到的等效电阻为

二、多级放大电路的分析

1.静态分析

由于阻容耦合和变压器耦合方式的各级直流通路之间没有关系,故解多级放大电路的静态工作点就是分别求解各个单级放大电路的静态工作点。由于直接耦合放大电路各级的直流通路相通,求解静态工作点时必须列出所有回路的方程,利用,求解多元一次方程组。

2．动态参数

多级放大电路的电压放大倍数等于组成它的各级电路电压放大倍数之积,对于N级放大电路
在求解某一级的电压放大倍数时,应将后级输入电阻作为负载。多级放大电路的输入电阻等于第一级的输入电阻,输出电阻等于末级的输出电阻。若第一级为共集放大电路,则输入电阻与第二级的输入电阻有关;若末级为共集放大电路,输出电阻与次末级的输出电阻有关。
多级放大电路输出电压波形失真时,应首先判断从哪一级开始产生失真,然后再判断失真的性质。在前级所有电路均无失真的情况下,末级的最大不失真输出电压就是整个电路的最大不失真输出电压。

3.1.2 集成运放电路的组成及其电压传输特性

一、集成运放的组成及其各部分的作用

集成运放常由输入级、中间级﹑输出级和偏置电路四部分组成,如图3.1.2所示通用型集成运放各部分的作用见表3.1.1。
分析由双极型管构成的通用型集成运放时,应首先将集成运放“化整为零”,分割为输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分;然后“分析功能”,即按表3.1.1所示每一部分电路的要求,分析各部分电路的特点及采用哪些措施提高性能;进而“统观整体”,分析整个电路的性能特点;最后观察细节问题,如补偿电容、调零部分等,必要时再进行参数的估算。

二、集成运放的电压传输特性

集成运放的符号如图3.1.3( a)所示,它有同相输入和反相输人两个输人端,对地输出电压为u。电压传输特性如图3.1.3(b)所示,在线性区, 的差值成线性关系,即

从外部看,集成运放是一个高输入电阻﹑低输出电阻、高差模放大倍数和共模抑制比的双端输入,单端输出的差分放大电路。

3.1.3 差分放大电路

一、零点漂移现象

直接耦合放大电路在输人电压为零时输出电压不为零,且产生缓慢变化的现象称为零点漂移现象。因其主要原因是半导体器件的温度稳定性差,故也称零点漂移为温度漂移,简称温漂。
采用引入直流负反馈、温度补偿的方法可以克服零点漂移。

二、长尾式差分放大电路

差分放大电路能够有效地克服温漂,是组成直接耦合多级放大电路的基本电路,常用作集成放大电路的输入级。它一方面利用参数的理想对称性,使一对放大管的温漂相等,以抵消在输出端产生的漂移;另一方面利用发射极电阻的共模负反馈作用,来克服每只放大管的温漂。
在差分放大电路的两个输入端,若所加输人信号数值相等、极性相同,则称之为共模信号;若所加输入信号数值相等,极性相反,则称之为差模信号。差分放大电路抑制共模信号 ,放大差模信号。其动态参数有输入电阻,输出电阻,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,其中

根据信号源接地和负载电阻接地情况,差分放大电路有四种接法,长尾式电路在参数理想对称情况下的静态和动态分析如表3.1.2所示。
通常,由于的数值较小, 的数值也很小,因而表3.1.2中近似认为晶体管的基极静态电位为零,故发射极电位。

四种接法电路的特点归纳为:

• (1）四种接法电路的输入电阻均为。
• ( 2)与输出方式有关。
• (3）对于单端输入接法,在输人差模信号的同时总伴随着共模信号输人。若输入信号为,其差模输入电压, ,共模输入电压。
• (4）若表中所有电路均为具有恒流源的差分放大电路,则其共模放大倍数均为0,共模抑制比均为无穷大。
• (5）只对共模信号有负反馈作用,在差模信号作用下中电流不变,故对差模信号无反馈作用。

  三、具有恒流源的差分放大电路

  为更有效地抑制每一边电路的温漂,为使共模负反馈等效电阻趋于无穷大,常将发射极电阻用恒流源取代,如图3.1.4( a)所示。可用静态工作点稳定电路作为恒流源,如图(b)所示。
  在图(b)所示电路中,,的电压
  差分管的发射极电流
  几乎为恒流,因此对于共模信号等效为无穷大电阻。
  在实用电路中,为了弥补电路参数的非对称性,常在两只差分管的发射极加一个小阻值的电位器,如图3.1.5所示,调整电路在输人差模信号为零时输出电压为零。若电位器的滑动端在中点,则
  
  
  为增大输入电阻,常用场效应管作差分管,如图3.1.6所示,其差模放大倍数、输入电阻、输出电阻为