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、免調試、故障率低等優點，如今許多電子產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是運放引入串聯負反饋后的閉環輸入電阻。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生失真，靜態時，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范圍；動態時，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生自激振蕩。如果要得到一個放大倍數比較大的放大器，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。

　　(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，但會增大系統噪聲。先設定圖中運放反向輸入端R電阻值，根據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，經過上式估算，選擇C=100 μF時，已經能夠滿足要求。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，電路參數的一致性也較好。