集成運算放大器構成交流放大電路的分析和設計

0 引言

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

1 運放交流放大電路的分析

1.1 使用雙電源的運放交流放大電路

為了使運放在零輸入時零輸出，運放的內(nèi)部電路是按使用雙電源的要求來設計的。運放交流放大電路采用雙電源供電，可以增大動態(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引入直流和交流負反饋，并使集成運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，仍能夠使直流電壓增益很小(為1倍)，從而避免輸入失調(diào)電流造成運放的飽和。

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

為放大電路輸入電阻Ri=R1//γif。γif是運放引入串聯(lián)負反饋后的閉環(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是運放引入電壓負反饋后的閉環(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)負反饋。為了減小運放輸入偏置電流造成的零點漂移，可以選擇R1=RF。引入深度電壓并聯(lián)負反饋后，放大電路的電壓增益為

因為運放反相輸入端"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，當集成運放輸出端的直流電壓不為零時，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。所以不需要集成運放滿足零輸入時零輸出的要求。因此，集成運放可以采用單電源供電，其-VEE端接"地"(即直流電源負極)，集成運放的+Vcc端接直流電源正極，這時，運放輸出端的電壓V0只能在0～+Vcc之間變化。在單電源供電的運放交流放大電路中，為了不使放大后的交流信號產(chǎn)生失真，靜態(tài)時，一般要將運放輸出端的電壓V0設置在0至+Vcc值的中間，即V0=+Vcc/2。這樣能夠得到較大的動態(tài)范圍;動態(tài)時，V0在+Vcc/2值的基礎上，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，使運放同相輸入端電位由于C隔直流，使RF引入直流全負反饋。所以，靜態(tài)時運放輸出端的電壓V0=V-≈V+=+Vcc/2;C通交流，使RF引入交流部分負反饋，是電壓串聯(lián)負反饋。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，使運放同相輸入端電位

為了避免電源的紋波電壓對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引入直流全負反饋。所以，靜態(tài)時，運放輸出端的電壓V0=V-≈V+=+Vcc/2;C1通交流，使RF引入交流部分負反饋，是電壓并聯(lián)負反饋。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 運放交流放大電路的設計

在設計單級運放交流放大電路時，

(1)選擇能夠滿足使用要求的集成運算放大器。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，對集成運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放。對脈沖信號、寬頻帶交流信號和視頻信號等，應選用轉(zhuǎn)換速率較高、增益帶寬至少是最高工作頻率10倍的集成運放。對音質(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放，如雙運放的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，運放交流放大電路盡量采用雙電源供電方式，以增大線性動態(tài)范圍。當集成運放雙電源使用時，正、負電源電壓一般要對稱。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，運放同相輸入端電位要小于該運放的最大共模輸入電壓。

(3)確定輸入信號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，應采用同相輸入式交流放大電路。因為反相輸入式交流放大電路輸入電阻的提高會影響電壓增益。由圖2或圖4相關計算式可知，增大反相輸入式交流放大電路輸入電阻時，該電路電壓增益將減小，且電壓增益也會受信號源內(nèi)阻的影響。所以在設計反相輸入式交流放大電路時，有時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，圖1中的R1偏置電阻值適當增大，或者圖3中的R1和R2分壓電阻值適當增大，就能夠提高放大電路的輸入電阻，而對電壓增益無影響。另外，為了有效地提高圖3放大電路的輸入電阻，可以對電路做一些改進，改進電路如圖5所示。

該放大電路輸入電阻Ri≈R3，當R3值 圖5見原稿選擇大時，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。單級運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使放大電路的通帶下降，也容易感應高頻噪聲或產(chǎn)生自激振蕩。如果要得到一個放大倍數(shù)比較大的放大器，可用兩級等增益的運放電路或者多級等增益的運放電路來實現(xiàn)。

(5)確定交流放大電路中的電阻值。一般應用中阻值在1～100kΩ之間比較合適。高速的應用中阻值在100Ω～1k Ω之間，但會增大電源的消耗。便攜設計中阻值在1～10M Ω之間，但會增大系統(tǒng)噪聲。先設定圖中運放反向輸入端R電阻值，根據(jù)相關電路的電壓增益計算式，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)交流放大電路信號頻率的高低選擇耦合電容值。若放大的是低頻交流信號，如音頻信號，耦合電容值可選擇1～22 μF之間;若放大的是高頻交流信號，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是輸入信號的最低頻率。音頻信號的最低頻率為20Hz，當R≥1k Ω時，經(jīng)過上式估算，選擇C=100 μF時，已經(jīng)能夠滿足要求。濾波電容值選擇100～1000 μ F之間。

3 結束語

在引入深度交流負反饋的情況下，運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放外接的電阻有關。因此，相對于三極管交流放大電路而言，運放交流放大電路的設計更方便，電路參數(shù)的一致性也較好。