第三章 集成运算放大电路¶

1. 多级放大电路的耦合方式及分析¶

1.1 耦合方式及特点¶

• 直接耦合：前后级直连，低频特性好，但存在零点漂移问题
• 阻容耦合：通过电容连接，隔离直流，但低频响应受限
• 变压器耦合：通过磁耦合传递信号，效率高但体积大

1.2 多级放大电路分析¶

• 电压放大倍数：\(A_u = \prod A_{ui}\)（各级增益相乘）
• 输入/输出电阻：
• 输入电阻 \(R_i = R_{i1}\)
• 输出电阻 \(R_o = R_{on}\)

2. 差分放大电路¶

2.1 基本特性¶

• 差模信号：\(u_{Id} = u_{I1} - u_{I2}\)
• 共模信号：\(u_{Ic} = \frac{u_{I1} + u_{I2}}{2}\)
• 共模抑制比：\(K_{CMR} = \left| \frac{A_d}{A_c} \right|\)

2.2 有源负载差分放大电路¶

• 动态分析：
• 输出电流变化：\(\Delta i_O = 2\Delta i = g_m \Delta u_{Id}\)
• 电压增益：\(A_d = \frac{\Delta u_{Od}}{\Delta u_{Id}} = g_m \cdot (R_L // r_{ds})\)

3. 电流源电路¶

3.1 镜像电流源¶

• 工作原理：通过匹配晶体管参数实现电流镜像
• 公式推导：\(I_{C2} \approx I_{C1} = \frac{V_{CC} - V_{BE}}{R}\)

3.2 有源负载应用¶

• 共射放大电路：
• 动态电阻 \(r_{ce2} \uparrow\) → 电压增益 \(|A_u| \uparrow\)
• 增益公式：\(A_u = -\beta \cdot \frac{R_c // R_L}{r_{be} + R_b}\)

4. 互补输出级电路（OCL电路）¶

4.1 交越失真消除¶

• 二极管补偿：利用二极管压降提供偏置电压
• UBE倍增电路：通过电阻分压动态调整基极偏置

4.2 工作原理¶

• 甲乙类工作状态：\(I_{CQ} \approx 0.7V / R_E\)
• 输出功率：\(P_o = \frac{V_{CC}^2}{2R_L}\)

5. 集成运放性能指标¶

6. 集成运放电路分析方法¶

6.1 分析步骤¶

1. 合理分块：输入级→中间级→输出级
2. 功能分析：差分对管、有源负载、互补输出等模块
3. 静态计算：确定各级工作点（如\(I_{CQ}, V_{CEQ}\)）
4. 动态计算：使用微变等效电路求\(A_u, R_i, R_o\)

6.2 典型电路参数¶

7. 实际应用电路示例¶

7.1 高温声波测井仪器信号链¶

graph TD
A[32路声波信号] --> B["前级放大(0-200mV)"]
B --> C[差分处理]
C --> D["后级滤波"]
D --> E[ADC]
E --> F[地面计算机]

7.2 激光前置放大电路¶

• 核心设计：
• 高输入阻抗： \(R_i > 10M\Omega\)
• 低噪声：选用 JFET 输入级
• 带宽： \(f_{-3dB} = 10MHz\)
  $$
  A_u = \frac{R_2}{R_1} \cdot \left(1 + \frac{R_3}{R_4}\right)
  $$

8. 发展历程与分类¶

现代分类：
- 按工艺：BJT/MOS/BiCMOS
- 按功能：通用型/高精度/高速/高压
- 按输入：轨到轨 (Rail-to-Rail)