第三章集成运算放大电路¶

3.1 多级放大电路¶

耦合方式及特点¶

耦合方式	优点	缺点
直接耦合	低频特性好，便于集成	Q 点相互影响，存在零点漂移
阻容耦合	Q 点独立，抗干扰	低频特性差，不便于集成
变压器耦合	电气隔离，阻抗匹配	体积大，不便于集成
光电耦合	抗干扰强，电气隔离	集成度低，Q 点相互影响

动态分析公式¶

总电压放大倍数
$\(A_u = \prod_{j=1}^n A_{uj}$\)
输入/输出电阻
$\(R_i = R_{i1}, \quad R_o = R_{on}$\)

设计案例¶

两级阻容耦合放大电路
- 静态工作点
- JFET: $I_{DQ} \approx 2.8\text{mA}, U_{GSQ} \approx -1.9V$
- BJT: $I_{BQ} \approx 20.42\mu A, U_{CEQ} \approx 5.2V$
- 动态参数
$\(g_m \approx 2.6\text{mS}, \quad r_{be2} \approx 1275\Omega$\)

3.2 集成运放概述¶

核心特性¶

高增益： $A_u > 10^5$
高输入电阻： $R_i \approx 1\text{M}\Omega$
低输出电阻： $R_o < 100\Omega$

组成结构¶

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输入级 → 中间级 → 输出级  
  ↓        ↓        ↓  
差分对   共射放大  互补输出

3.3 集成运放单元电路¶

差分放大电路¶

抑制零漂原理
$$
\Delta U_{o} = A_d \cdot (U_{i1} - U_{i2}) + A_{cm} \cdot \frac{U_{i1} + U_{i2}}{2}
$$
- 共模抑制比： $\text{CMRR} = \frac{A_d}{A_{cm}}$

互补输出级¶

电路特点
- 推挽输出： $T_1$ （NPN）与 $T_2$ （PNP）交替工作
- 交越失真消除：通过 $V_{BE}$ 偏置电阻 $R_3$

电流源电路¶

基本镜像电流源
$$
I_{REF} = I_C \left(1 + \frac{2}{\beta}\right)
$$
- 改进型：威尔逊电流源、微电流源

关键公式推导¶

复合管参数计算¶

等效β值
$$
\beta_{eq} = \beta_1 \beta_2 + \beta_1 + \beta_2 \approx \beta_1 \beta_2
$$
输入电阻
$$
r_{be} = r_{be1} + (1 + \beta_1) r_{be2}
$$

最大不失真输出电压¶

\[ U_{om} = \min\left( U_{CEQ} - U_{CES}, \, I_{CQ} \cdot R_L' \right) \]

设计实例¶

阻容耦合两级放大¶

电路参数

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JFET: IDSS=10mA, UGS(off)=-4V  
BJT: β=100, rbb'=0Ω  
耦合电容: 10μF/100μF  
供电电压: +12V

动态性能
- 电压增益
$$
A_{u1} = -g_m R_d \approx -2.6 \times 2.4k = -6.24 \
A_{u2} = (1 + \beta) \frac{R_L'}{r_{be}} \approx 992
$$
- 总增益
$$
A_u = A_{u1} \cdot A_{u2} \approx -6.24 \times 992 = -6190
$$

思考题与练习¶

复合管使用场景
- 当单管 $r_{be}$ 或 $\beta$ 不足时
- 需要改变管型（如 NPN → PNP）
两级放大设计
- 要求： $R_i \geq 1\text{M}\Omega, A_u \geq 10, R_o \leq 100\Omega$
- 方案：
- 第一级：共漏（MOSFET）→ 高 $R_i$
- 第二级：共集（BJT）→ 低 $R_o$