模电笔记8 集成放大电路

该系列为《模拟电子技术基础（第5版，童诗白、华成英）》的阅读笔记

1.集成放大电路

集成放大电路：简称集成运放，多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分）。

集成运放特点：
①集成运放均采用直接耦合方式。
②因为相邻元件具有良好的对称性，而且受环境温度和干扰等影响后的变化也相同。所以集成运放中大量采用元器具有对称性的各种差分放大电路（作输入级）和恒流源电路（做偏置电路或有源负载）
③电路复杂化并不会使工艺过程复杂化，所以集成运放允许采用复杂的电路形式，以达到提高各方面性能的目的。

2.集成运放的组成及其各部分的作用

集成运放的组成：输入级、中间级、输出级、偏置电路。

2.1输入级

输入级，又称前置级。它往往是一个双端输入的高性能差分放大电路。
一般要求其输入电阻高，电压放大倍数大，抑制零点漂移现象的能力强。

2.2中间级

中间级是整个放大电路的主放大级，其作用是使集成运放具有较强的放大能力，多采用共射或共源放大电路。
而且，为了提高电压放大倍数，经常采用复合管作放大管，以恒流源作集电极负载。
其放大倍数可以达千倍以上。

2.3输出级

输出级应具有输出电压线性范围宽，输出电阻小（即带负载能力强）、非线性失真小等特点。
集成运放的输出级多采用互补输出电路。

2.4偏置电路

偏置电路用于设置集成运放各级放大电路的静态工作点。
与分立元件不同，集成运放采用电流源电路为各级提供合适的静态工作点电流，从而确定合适的静态工作点

3.集成运放的电压传输特性

集成运放有同相输入端和反相输入端。
“同相”和“反相”是指运放的输入电压和输出电压之间的相位关系。

图3.1
从外部看，可以认为集成运放是一个双端输入、单端输出，具有高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电阻，能较好地抑制零点漂移现象的差分放大电路。
有单电源供电和正负双电源供电之分。

图3.2电压传输特性

由上图3.2所示，可以看出，集成运放有线性放大区域（线性区）和饱和区域（非线性区）两部分。
线性区，曲线的斜率为电压放大倍数。
非线性区，输出电压只有两种可能的情况，+U_OM和-U_OM。

由于集成运放放大的是u_P和u_N之间的差值信号，称为差模信号。
且没有通过外电路引入反馈，故称其电压放大倍数为差模开环放大倍数，记作A_od，因而当集成运放工作在线性区时：
u_O = A_od ( u_P - u_N )
通常A_od非常高，可达几十万倍。

4.直接耦合放大电路的零点漂移现象

工业控制中的很多物理量均为模拟量，如温度、压力、液面、长度等。
他们通过各种不同传感器转化成的电量也均为变化缓慢的非周期性信号，而且比较微弱。
因此这类信号一般均需通过直接耦合放大电路放大后才驱动负载。
只有克服直接耦合放大电路存在的问题才能使之实用。

4.1零点漂移现象

在直接耦合放大电路中，即使将输入端短路，输出端也会有变化缓慢的输出电压。
这种输入电压为零而输出电压的变化不为零的现象称为零点漂移现象。

4.2零点漂移现象产生的原因

在放大电路中，任何元件参数的变化（如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化），都将产生输出电压的漂移。
在阻容耦合放大电路中，这种缓慢变化的漂移电压都将降落在耦合电容之上，而不会传递到下一级电路进一步放大。
但在直接耦合放大电路中，由于前后级直接相连，前一级的漂移电压和有用电压会被一起送到下一级，而逐级放大，以至于又是输出端很难区分有用信号、漂移电压，放大电路不能正常工作。
采用高质量的稳压电源和使用经过老化实验的元件就可以大大减少因此而产生的漂移电压。
由于温度变化引起的半导体器件参数的变化就成为产生零点漂移现象的主要原因，因此零点漂移也称为温度漂移，简称温漂。

4.3抑制温度漂移的方法

（1）在电路中引入直流负反馈。
（2）采用温度补充的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化。
（3）采用特性相同的管子，使他们的温漂相互抵消，构成差分放大电路。这个方法也可归结于温度补偿。