第3章 集成運(yùn)算放大器

3.1 直流放大器

集成電路主要是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，其內(nèi)部適合用二極管、三極管等類型的元器件制作，而不適合用電容、電感和變壓器，因此集成放大電路內(nèi)部多個(gè)放大電路之間通常采用直接耦合。直接耦合放大電路除了可以放大交流信號(hào)外，還可以放大直流信號(hào)，故直接耦合放大電路又稱為直流放大器。

直流放大器的優(yōu)點(diǎn)是各放大電路之間采用直接耦合方式，在傳輸信號(hào)時(shí)對(duì)高、中、低頻率信號(hào)都不會(huì)衰減，但直流放大器有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：一是前、后級(jí)電路之間靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)互相影響，二是容易出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。下面介紹這兩個(gè)問題的解決方法。

3.1.1 直流放大器的級(jí)間靜態(tài)工作點(diǎn)影響問題

圖3-1所示是一個(gè)兩級(jí)直接耦合的直流放大器。

由于兩級(jí)電路是直接耦合，前、后級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)相互影響。從電路中可以看出，三極管VT1的集電極電壓Uc1與VT2基極電壓Ub2是相等的，因?yàn)镻N結(jié)的導(dǎo)通電壓是0.7V（硅材料0.5～0.7V，鍺材料0.2～0.3V），所以Uc1=Ub2=0.7V，而VT1的Ub1也為0.7V，VT1的集電極電壓Uc1很低，如果送到VT1基極的信號(hào)稍大，會(huì)使Ub1上升，Uc1下降，出現(xiàn)Ub1＞Uc1，VT1就會(huì)由放大進(jìn)入飽和狀態(tài)而不能正常工作。為了解決VT1易進(jìn)入飽和狀態(tài)這個(gè)問題，可以采取一定的方法來(lái)抬高VT1集電極的電壓，具體解決方法有下面幾種。

1. 在后級(jí)電路中增加發(fā)射極電阻

這種做法如圖3-2（a）所示，在VT2的發(fā)射極增加一個(gè)電阻R5來(lái)抬高VT2的發(fā)射極電壓Ue2，VT2的基極電壓Ub2也被抬高（Ub2較Ue2始終大0.7V），Uc1電壓也就被抬高，VT1不容易進(jìn)入飽和狀態(tài)。Uc1電壓越高，VT1越不容易進(jìn)入飽和狀態(tài)，但要將Uc1抬得很高，要求電阻R5的阻值很大，而R5的值很大會(huì)使VT2的Ib2電流減小而導(dǎo)致VT2的增益下降，這是該方法的缺點(diǎn)。

2. 在后級(jí)電路中增加穩(wěn)壓二極管

這種做法如圖3-2（b）所示，通過在VT2的發(fā)射極增加一個(gè)穩(wěn)壓二極管VD，來(lái)抬高VT2的發(fā)射極電壓Ue2，選用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓二極管可以將Ue2抬高到不同的電壓，另外由于穩(wěn)壓二極管擊穿導(dǎo)通電阻不是很大，不會(huì)讓VT2的Ib2電流減小很多，VT2仍有較大的增益。

3. 將PNP型三極管與NPN型三極管配合使用

這種做法如圖3-2（c）所示，由于PNP型和NPN型三極管各極電壓高低有不同的特點(diǎn)，它們配合使用，可以使各級(jí)放大電路的直流工作點(diǎn)有個(gè)合理的配置。

3.1.2 零點(diǎn)漂移問題

一個(gè)直流放大器在輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)并不為零，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移。下面以圖3-3所示的電路來(lái)分析產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因。

如果圖3-3所示電路不存在零點(diǎn)漂移，當(dāng)VT1基極A點(diǎn)電壓不變（即無(wú)輸入電壓）時(shí)，輸出端B點(diǎn)電壓應(yīng)該也不變化（即無(wú)輸出電壓）。但實(shí)際上由于某些原因，比如環(huán)境溫度變化，即使A點(diǎn)電壓不變化，輸出端B點(diǎn)電壓也會(huì)變化。其原因是：即使A點(diǎn)電壓不變，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，VT1的Ic1電流會(huì)增大，E點(diǎn)電壓會(huì)下降，VT2的基極電壓下降，Ib2減小，Ic2減小，VT2的輸出端B點(diǎn)電壓會(huì)下降；如果環(huán)境溫度下降，VT1的Ic1電流減小，E點(diǎn)電壓會(huì)上升，VT2的基極電壓上升，Ib2增大，Ic2增大，VT2的輸出端B點(diǎn)電壓會(huì)上升。

也就是說(shuō)，即使無(wú)輸入信號(hào)A點(diǎn)電壓不變時(shí)，因?yàn)榄h(huán)境溫度的變化，在電路的輸出端B點(diǎn)也會(huì)輸出變化的電壓，這就是零點(diǎn)漂移。放大電路級(jí)數(shù)越多，零點(diǎn)漂移越嚴(yán)重。因?yàn)橹绷鞣糯箅娐反嬖诹泓c(diǎn)漂移，如果電路輸入的有用信號(hào)很小，可能會(huì)出現(xiàn)放大電路輸出的有用信號(hào)被零點(diǎn)漂移信號(hào)“淹沒”的情況。

電路產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，如溫度的變化、電源電壓的波動(dòng)、元器件參數(shù)變化等，其中主要是三極管因溫度變化而引起Ic電流變化，從而出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。解決零點(diǎn)漂移問題的方法是選擇溫度性能好的三極管和其他的元器件，電路供電采用穩(wěn)定的電源。但這些都不能從根本上解決零點(diǎn)漂移問題，最好的方法是采用差動(dòng)放大電路作為直流放大器。