第3章 集成運算放大器

3.1 直流放大器

集成電路主要是由半導體材料構成的，其內部適合用二極管、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部多個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外，還可以放大直流信號，故直接耦合放大電路又稱為直流放大器。

直流放大器的優點是各放大電路之間采用直接耦合方式，在傳輸信號時對高、中、低頻率信號都不會衰減，但直流放大器有兩個明顯的缺點：一是前、后級電路之間靜態工作點會互相影響，二是容易出現零點漂移。下面介紹這兩個問題的解決方法。

3.1.1 直流放大器的級間靜態工作點影響問題

圖3-1所示是一個兩級直接耦合的直流放大器。

由于兩級電路是直接耦合，前、后級電路的靜態工作點會相互影響。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，因為PN結的導通電壓是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基極的信號稍大，會使Ub1上升，Uc1下降，出現Ub1＞Uc1，VT1就會由放大進入飽和狀態而不能正常工作。為了解決VT1易進入飽和狀態這個問題，可以采取一定的方法來抬高VT1集電極的電壓，具體解決方法有下面幾種。

1. 在后級電路中增加發射極電阻

這種做法如圖3-2（a）所示，在VT2的發射極增加一個電阻R5來抬高VT2的發射極電壓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不容易進入飽和狀態。Uc1電壓越高，VT1越不容易進入飽和狀態，但要將Uc1抬得很高，要求電阻R5的阻值很大，而R5的值很大會使VT2的Ib2電流減小而導致VT2的增益下降，這是該方法的缺點。

2. 在后級電路中增加穩壓二極管

這種做法如圖3-2（b）所示，通過在VT2的發射極增加一個穩壓二極管VD，來抬高VT2的發射極電壓Ue2，選用不同穩壓值的穩壓二極管可以將Ue2抬高到不同的電壓，另外由于穩壓二極管擊穿導通電阻不是很大，不會讓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，它們配合使用，可以使各級放大電路的直流工作點有個合理的配置。

3.1.2 零點漂移問題

一個直流放大器在輸入信號為零時，輸出信號并不為零，這種現象稱為零點漂移。下面以圖3-3所示的電路來分析產生零點漂移的原因。

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

也就是說，即使無輸入信號A點電壓不變時，因為環境溫度的變化，在電路的輸出端B點也會輸出變化的電壓，這就是零點漂移。放大電路級數越多，零點漂移越嚴重。因為直流放大電路存在零點漂移，如果電路輸入的有用信號很小，可能會出現放大電路輸出的有用信號被零點漂移信號“淹沒”的情況。

電路產生零點漂移的原因很多，如溫度的變化、電源電壓的波動、元器件參數變化等，其中主要是三極管因溫度變化而引起Ic電流變化，從而出現零點漂移。解決零點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，電路供電采用穩定的電源。但這些都不能從根本上解決零點漂移問題，最好的方法是采用差動放大電路作為直流放大器。