第3章 集成运算放大器

3.1 直流放大器

集成电路主要是由半导体材料构成的，其内部适合用二极管、三极管等类型的元器件制作，而不适合用电容、电感和变压器，因此集成放大电路内部多个放大电路之间通常采用直接耦合。直接耦合放大电路除了可以放大交流信号外，还可以放大直流信号，故直接耦合放大电路又称为直流放大器。

直流放大器的优点是各放大电路之间采用直接耦合方式，在传输信号时对高、中、低频率信号都不会衰减，但直流放大器有两个明显的缺点：一是前、后级电路之间静态工作点会互相影响，二是容易出现零点漂移。下面介绍这两个问题的解决方法。

3.1.1 直流放大器的级间静态工作点影响问题

图3-1所示是一个两级直接耦合的直流放大器。

由于两级电路是直接耦合，前、后级电路的静态工作点会相互影响。从电路中可以看出，三极管VT1的集电极电压Uc1与VT2基极电压Ub2是相等的，因为PN结的导通电压是0.7V（硅材料0.5～0.7V，锗材料0.2～0.3V），所以Uc1=Ub2=0.7V，而VT1的Ub1也为0.7V，VT1的集电极电压Uc1很低，如果送到VT1基极的信号稍大，会使Ub1上升，Uc1下降，出现Ub1＞Uc1，VT1就会由放大进入饱和状态而不能正常工作。为了解决VT1易进入饱和状态这个问题，可以采取一定的方法来抬高VT1集电极的电压，具体解决方法有下面几种。

1. 在后级电路中增加发射极电阻

这种做法如图3-2（a）所示，在VT2的发射极增加一个电阻R5来抬高VT2的发射极电压Ue2，VT2的基极电压Ub2也被抬高（Ub2较Ue2始终大0.7V），Uc1电压也就被抬高，VT1不容易进入饱和状态。Uc1电压越高，VT1越不容易进入饱和状态，但要将Uc1抬得很高，要求电阻R5的阻值很大，而R5的值很大会使VT2的Ib2电流减小而导致VT2的增益下降，这是该方法的缺点。

2. 在后级电路中增加稳压二极管

这种做法如图3-2（b）所示，通过在VT2的发射极增加一个稳压二极管VD，来抬高VT2的发射极电压Ue2，选用不同稳压值的稳压二极管可以将Ue2抬高到不同的电压，另外由于稳压二极管击穿导通电阻不是很大，不会让VT2的Ib2电流减小很多，VT2仍有较大的增益。

3. 将PNP型三极管与NPN型三极管配合使用

这种做法如图3-2（c）所示，由于PNP型和NPN型三极管各极电压高低有不同的特点，它们配合使用，可以使各级放大电路的直流工作点有个合理的配置。

3.1.2 零点漂移问题

一个直流放大器在输入信号为零时，输出信号并不为零，这种现象称为零点漂移。下面以图3-3所示的电路来分析产生零点漂移的原因。

如果图3-3所示电路不存在零点漂移，当VT1基极A点电压不变（即无输入电压）时，输出端B点电压应该也不变化（即无输出电压）。但实际上由于某些原因，比如环境温度变化，即使A点电压不变化，输出端B点电压也会变化。其原因是：即使A点电压不变，当环境温度升高时，VT1的Ic1电流会增大，E点电压会下降，VT2的基极电压下降，Ib2减小，Ic2减小，VT2的输出端B点电压会下降；如果环境温度下降，VT1的Ic1电流减小，E点电压会上升，VT2的基极电压上升，Ib2增大，Ic2增大，VT2的输出端B点电压会上升。

也就是说，即使无输入信号A点电压不变时，因为环境温度的变化，在电路的输出端B点也会输出变化的电压，这就是零点漂移。放大电路级数越多，零点漂移越严重。因为直流放大电路存在零点漂移，如果电路输入的有用信号很小，可能会出现放大电路输出的有用信号被零点漂移信号“淹没”的情况。

电路产生零点漂移的原因很多，如温度的变化、电源电压的波动、元器件参数变化等，其中主要是三极管因温度变化而引起Ic电流变化，从而出现零点漂移。解决零点漂移问题的方法是选择温度性能好的三极管和其他的元器件，电路供电采用稳定的电源。但这些都不能从根本上解决零点漂移问题，最好的方法是采用差动放大电路作为直流放大器。