7.1 直接耦合放大电路及其存在的问题

集成电路（IC）是20世纪60年代初期发展起来的一种新型电子器件。它采用半导体制造工艺，在一小块单晶硅片上制成许多三极管、电阻、电容，同时把它们连接成具有特定功能的电子线路。与分立元件电路比较，集成电路具有成本低、体积小、重量轻、耗能低及可靠性高等一系列优点。半导体集成电路的出现，使电路设计人员摆脱了过去那种制作分立元件放大器的繁重工作，诸如电路设计、元件选配、组装调整等工序，也打破了器件与电路的界限。这种技术上的深刻变化使集成电路获得了广泛的应用，使电子设备的技术水平发生了根本的变化。

按照集成电路的原理和功能，可划分成数字集成电路与模拟集成电路两类。前者主要用来生成处理各种数字信号；后者主要用于产生、放大和加工各种模拟信号以及完成模拟与数字信号之间的相互转换。线性集成运算放大器也称为集成运算放大器，是模拟集成电路研制的初期产品。它是一种高增效并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。它首先应用于电子模拟计算机上，作为基本运算单元，用于完成加、减、积分、微分、乘、除等数学运算，并由此而得名。现在，它已成为一种通用的增益器件，不仅作为单片运放，也可作为中、大规模集成电路内部的基本单元。

本章主要介绍集成运放各组成部分的工作原理、运放的性能指标、运放理想化等问题。

7.1  直接耦合放大电路及其存在的问题

在实际应用中，对于信号的放大，一般都采用多级放大电路，以达到较高的放大倍数。多级放大电路中，各级之间的耦合方式有3种，即阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。对于频率较高的交流信号进行放大时，常采用阻容耦合或变压器耦合。但是，在实际生产中，需要放大的信号往往是变化非常缓慢的信号，甚至是直流信号。对于这样的信号，不能采用阻容耦合或变压器耦合，而只能采用直接耦合方式。

所谓直接耦合，就是放大器前级输出端与后级输入端以及放大器与信号源或负载直接连接起来，或者经电阻等能通过直流的元件连接起来。由于直接耦合放大器可用来放大直流信号，所以也称为直流放大器。在集成电路中要制作耦合电容和电感元件相当困难，所以近些年来发展起来的很多集成电路（如集成运算放大器），其内部电路多采用直接耦合方式。实际上，直接耦合放大器不仅能放大直流信号，也能放大交流信号。因此，随着集成电路的发展，直接耦合放大器正得到越来越广泛的应用。然而，在多级放大器中采用直接耦合存在两个特殊问题必须加以解决，一是级间直流量的相互影响问题，二是零点漂移问题。

1．前后级静态工作点的相互影响

图7-1（a）是一个简单的直接耦合放大器，后级输入端（V₂的基极）直接接在前级的输出端（V₁的集电极）。在这种电路中就存在前后级间直流量的相互影响问题。首先，两级放大器的静态工作点是相互影响的。当V₁的静态工作点发生偏移时，这个偏移量会经过V₂放大，使V₂的静态工作点发生更大的偏移。其次，由于V₁的集电极与Ｖ₂的基极为同一电位，因而V₁的 受到V₂的的钳制而只有0.7V左右致使信号电压的动态范围很小。为了克服这一不足，可在V₂发射极接电阻，使V₂的发射极电位升高，则其基极（V₁的集电极）电位也可升高。如图7-1（b）所示。不过，若采用如图7-1（b）所示电路，后级的集电极电位逐级高于前级的集电极电位，经过几级耦合之后，末级的集电极电位便会接近电源电压，这实际上也是限制了放大器的级数。

（a）                                    （b）

图7-1  直接耦合放大电路的两种接法

2．零点漂移问题

所谓零点漂移，就是当输入信号为零时，输出信号不为零，而是一个随时间漂移不定的信号，如图7-2所示。零点漂移简称为零漂。产生零漂的原因有很多，如温度变化、电源电压波动、晶体管参数变化等。其中温度变化是主要的，因此零漂也称为温漂。在阻容耦合放大器中，由于电容有隔直作用，因而零漂不会造成严重影响。但是，在直接耦合放大器中，由于前级的零漂会被后级放大，因而将会严重干扰正常信号的放大和传输。比如，如图7-3所示的直接耦合电路中，输入信号为零时（即ΔU_i=0），输出端应有固定不变的直流电压。但是由于温度变化等原因，V₁、V₂的静态工作点会随之改变，于是使输出端电压发生变化，也就是有了输出信号。特别是V₁工作点的变化影响最大，它会像信号一样直接耦合到V₂，并被V₂放大。

因此，直接耦合放大器的第一级工作点的漂移对整个放大器的影响是最严重的。显然，放大器的级数越多，零漂越严重。由于零漂的存在，将无法根据输出信号来判断是否有信号输入，也无法分析输入信号的大小。对于级间直流量的相互影响问题，一般采用降低前级输出电压、抬高后级发射极电位、采用NPN与PNP组合电路等方法加以解决。

图7-2  零点漂移

（a）                              （b）

图7-3  直接耦合放大电路

除图7-3（b）之外，图7-3（a）亦为抬高后级发射极电位的直接耦合电路，图7-3（b）则为NPN管与PNP管组合的直接耦合电路。

在图7-3（a）中，由于二极管VD的静态电阻大，静态电流流过时产生的压降大，故可有效地提高V₂的发射极电位；但二极管的动态电阻小，故信号电流流过时产生的压降小，因而对信号的负反馈作用小，不会引起放大倍数显著下降。这里是利用了非线性元件的静态电阻与动态电阻不相等的特性来适应直接耦合放大器对静态和动态参数的不同要求的。而图7-3（b）所示电路则没有这种作用。在图7-3（b）中，由于V₁、V₂两管所需的电压极性相反，V₁的集电极电位比基极电位高，V₂的集电极电位比基极电位低，这样的两个管子配合使用，两级电路便都能得到合适的工作电压。

对于零点漂移问题，不能通过增加级数、提高放大倍数的办法来解决，因为这样做虽然提高了放大和分辨微弱信号的能力，但同时第一级的零漂信号也被放大了。为了减小零点漂移，常用的主要措施有：采用高稳定度的稳压电源；采用高质量的电阻、晶体管，其中晶体管选硅管（硅管的I_CBO比锗管的小）；采用温度补偿电路；采用差动式放大电路等。在上述这些措施中，采用差动放大电路是目前应用最广泛的且能有效抑制零漂的方法。下面将对这种方法作重点介绍。