集成運(yùn)算放大器構(gòu)成交流放大電路的分析和設(shè)計(jì)

0 引言

集成運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放)在電子電路中應(yīng)用非常廣泛。運(yùn)放的多數(shù)典型應(yīng)用電路在各類電子技術(shù)教科書中都有詳細(xì)和深入的分析，而用集成運(yùn)放構(gòu)成交流信號(hào)放大電路很多教科書卻沒有介紹，有些教科書雖有介紹，但是介紹簡(jiǎn)單，分析不全面。用集成運(yùn)放構(gòu)成的交流放大電路具有線路簡(jiǎn)單、免調(diào)試、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，如今許多電子產(chǎn)品中的交流放大電路普遍采用運(yùn)放構(gòu)成，全面分析集成運(yùn)放構(gòu)成的各種交流放大電路的組成和參數(shù)計(jì)算，有助于對(duì)該類電路的檢修，以及合理設(shè)計(jì)和使用集成運(yùn)放構(gòu)成的交流放大電路。

1 運(yùn)放交流放大電路的分析

1.1 使用雙電源的運(yùn)放交流放大電路

為了使運(yùn)放在零輸入時(shí)零輸出，運(yùn)放的內(nèi)部電路是按使用雙電源的要求來設(shè)計(jì)的。運(yùn)放交流放大電路采用雙電源供電，可以增大動(dòng)態(tài)范圍。

1.1.1 雙電源同相輸入式交流放大電路

圖1是使用雙電源的同相輸入式交流放大電路。兩組電源電壓VCC和VEE相等。C1和C2為輸入和輸出耦合電容;R1使運(yùn)放同相輸入端形成直流通路，內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流;RF引入直流和交流負(fù)反饋，并使集成運(yùn)放反相輸入端形成直流通路，內(nèi)部的差分管得到必要的輸入偏置電流;由于C隔直流，使直流形成全反饋，交流通過R和C分流，形成交流部分反饋，為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。引入直流全反饋和交流部分反饋后，可在交流電壓增益較大時(shí)，仍能夠使直流電壓增益很小(為1倍)，從而避免輸入失調(diào)電流造成運(yùn)放的飽和。

無信號(hào)輸入時(shí)，運(yùn)放輸出端的電壓V0≈0V，交流放大電路的輸出電壓U0=0V;交流信號(hào)輸入時(shí)，運(yùn)放輸出端的電壓V0在-VEE～+VCC之間變化，通過C2輸出放大的交流信號(hào)，輸出電壓uo的幅值近似為VCC(VCC=VEE)。引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，放大電路的電壓增益

為放大電路輸入電阻Ri=R1//γif。γif是運(yùn)放引入串聯(lián)負(fù)反饋后的閉環(huán)輸入電阻。γif很大，所以Ri=R1/γif≈R1;放大電路的輸出電阻R0=γof≈0，γof是運(yùn)放引入電壓負(fù)反饋后的閉環(huán)輸出電阻，rof很小。

1.1.2 雙電源反相輸入式交流放大電路

圖2是使用雙電源的反相輸入式交流放大電路。兩組電源電壓VCC和VEE相等。RF引入直流和交流負(fù)反饋，C1隔直流，使直流形成全反饋，交流通過R和C1分流，形成交流部分反饋，為電壓并聯(lián)負(fù)反饋。為了減小運(yùn)放輸入偏置電流造成的零點(diǎn)漂移，可以選擇R1=RF。引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋后，放大電路的電壓增益為

因?yàn)檫\(yùn)放反相輸入端"虛地"，所以放大電路的輸入電阻Ri≈R;放大電路的輸出電R0=r0f≈0。

1.2 使用單電源的運(yùn)放交流放大電路

在采用電容耦合的交流放大電路中，靜態(tài)時(shí)，當(dāng)集成運(yùn)放輸出端的直流電壓不為零時(shí)，由于輸出耦合電容的隔直流作用，放大電路輸出的電壓仍為零。所以不需要集成運(yùn)放滿足零輸入時(shí)零輸出的要求。因此，集成運(yùn)放可以采用單電源供電，其-VEE端接"地"(即直流電源負(fù)極)，集成運(yùn)放的+Vcc端接直流電源正極，這時(shí)，運(yùn)放輸出端的電壓V0只能在0～+Vcc之間變化。在單電源供電的運(yùn)放交流放大電路中，為了不使放大后的交流信號(hào)產(chǎn)生失真，靜態(tài)時(shí)，一般要將運(yùn)放輸出端的電壓V0設(shè)置在0至+Vcc值的中間，即V0=+Vcc/2。這樣能夠得到較大的動(dòng)態(tài)范圍;動(dòng)態(tài)時(shí)，V0在+Vcc/2值的基礎(chǔ)上，上增至接近+Vcc值，下降至接近0V，輸出電壓uo的幅值近似為Vcc/2。

1.2.1 單電源同相輸入式交流放大電路

圖3是使用單電源的同相輸入式交流放大電路。電源Vcc通過R1和R2分壓，使運(yùn)放同相輸入端電位由于C隔直流，使RF引入直流全負(fù)反饋。所以，靜態(tài)時(shí)運(yùn)放輸出端的電壓V0=V-≈V+=+Vcc/2;C通交流，使RF引入交流部分負(fù)反饋，是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。放大電路的電壓增益為

放大電路的輸入電阻Ri=R1/R2/rif≈R1/R2，

放大電路的輸出電阻R0=r0f≈0。

1.2.2 單電源反相輸入式交流放大電路

圖4是使用單電源的反相輸入式交流放大電路。電源V cc通過R1和R 2分壓，使運(yùn)放同相輸入端電位

為了避免電源的紋波電壓對(duì)V+電位的干擾，可以在R2兩端并聯(lián)濾波電容C3，消除諧振;由于C1隔直流，使RF引入直流全負(fù)反饋。所以，靜態(tài)時(shí)，運(yùn)放輸出端的電壓V0=V-≈V+=+Vcc/2;C1通交流，使RF引入交流部分負(fù)反饋，是電壓并聯(lián)負(fù)反饋。放大電路的電壓增益為

放大電路的輸入電阻Ri≈R，放大電路的輸出電阻R0=r0f≈0。

2 運(yùn)放交流放大電路的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)單級(jí)運(yùn)放交流放大電路時(shí)，

(1)選擇能夠滿足使用要求的集成運(yùn)算放大器。在采用電容耦合的交流放大電路中，由于電容隔直流，交流放大電路輸出的溫度漂移電壓很小。因此，對(duì)集成運(yùn)放漂移性能的要求可以降低，主要從轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬、噪聲等方面來考慮選用集成運(yùn)放。對(duì)脈沖信號(hào)、寬頻帶交流信號(hào)和視頻信號(hào)等，應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率較高、增益帶寬至少是最高工作頻率10倍的集成運(yùn)放。對(duì)音質(zhì)要求比較高的音頻交流放大電路中常采用高速低噪聲的集成運(yùn)放，如雙運(yùn)放的4558、NE5532等。

(2)確定采用雙電源供電還是單電源供電。在使用條件許可的情況下，運(yùn)放交流放大電路盡量采用雙電源供電方式，以增大線性動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)集成運(yùn)放雙電源使用時(shí)，正、負(fù)電源電壓一般要對(duì)稱。且電源電壓不要超過使用極限，電源濾波要好。為了消除電源內(nèi)阻引起的低頻自激，常常在正、負(fù)電源接線與地之間分別加0.01～0.1 μF的電容退耦。使用單電源供電時(shí)，運(yùn)放同相輸入端電位要小于該運(yùn)放的最大共模輸入電壓。

(3)確定輸入信號(hào)是同相輸入還是反相輸入。若要求放大電路的輸入電阻比較大，應(yīng)采用同相輸入式交流放大電路。因?yàn)榉聪噍斎胧浇涣鞣糯箅娐份斎腚娮璧奶岣邥?huì)影響電壓增益。由圖2或圖4相關(guān)計(jì)算式可知，增大反相輸入式交流放大電路輸入電阻時(shí)，該電路電壓增益將減小，且電壓增益也會(huì)受信號(hào)源內(nèi)阻的影響。所以在設(shè)計(jì)反相輸入式交流放大電路時(shí)，有時(shí)輸入電阻和電壓增益的選擇難以兼顧。而采用圖1或圖3同相輸入式交流放大電路時(shí)，圖1中的R1偏置電阻值適當(dāng)增大，或者圖3中的R1和R2分壓電阻值適當(dāng)增大，就能夠提高放大電路的輸入電阻，而對(duì)電壓增益無影響。另外，為了有效地提高圖3放大電路的輸入電阻，可以對(duì)電路做一些改進(jìn)，改進(jìn)電路如圖5所示。

該放大電路輸入電阻Ri≈R3，當(dāng)R3值 圖5見原稿選擇大時(shí)，放大電路輸入電阻Ri值就大。所以明顯地提高了放大電路的輸入電阻。

(4)確定交流放大電路電壓增益。單級(jí)運(yùn)放交流放大電路的電壓增益Au通常不要超過100倍(40dB)。過高的電壓增益不但會(huì)使放大電路的通帶下降，也容易感應(yīng)高頻噪聲或產(chǎn)生自激振蕩。如果要得到一個(gè)放大倍數(shù)比較大的放大器，可用兩級(jí)等增益的運(yùn)放電路或者多級(jí)等增益的運(yùn)放電路來實(shí)現(xiàn)。

(5)確定交流放大電路中的電阻值。一般應(yīng)用中阻值在1～100kΩ之間比較合適。高速的應(yīng)用中阻值在100Ω～1k Ω之間，但會(huì)增大電源的消耗。便攜設(shè)計(jì)中阻值在1～10M Ω之間，但會(huì)增大系統(tǒng)噪聲。先設(shè)定圖中運(yùn)放反向輸入端R電阻值，根據(jù)相關(guān)電路的電壓增益計(jì)算式，再估算出反饋電阻RF的值。最好采用金屬膜電阻，以減小內(nèi)噪聲。

(6)確定放大電路中的電容值。信號(hào)耦合電容的大小決定放大電路的低頻特性。根據(jù)交流放大電路信號(hào)頻率的高低選擇耦合電容值。若放大的是低頻交流信號(hào)，如音頻信號(hào)，耦合電容值可選擇1～22 μF之間;若放大的是高頻交流信號(hào)，耦合電容值可選擇1000pF～0.1 μ F之間。同相輸入式交流放大電路引入直流全反饋的隔直流電容值由C=1/20πfR式估算。式中f是輸入信號(hào)的最低頻率。音頻信號(hào)的最低頻率為20Hz，當(dāng)R≥1k Ω時(shí)，經(jīng)過上式估算，選擇C=100 μF時(shí)，已經(jīng)能夠滿足要求。濾波電容值選擇100～1000 μ F之間。

3 結(jié)束語

在引入深度交流負(fù)反饋的情況下，運(yùn)放交流放大電路的電壓增益、輸入電阻等的大小僅與集成運(yùn)放外接的電阻有關(guān)。因此，相對(duì)于三極管交流放大電路而言，運(yùn)放交流放大電路的設(shè)計(jì)更方便，電路參數(shù)的一致性也較好。