集成运算放大器构成交流放大电路的分析和设计

0 引言

　　集成运算放大器(简称集成运放或运放)在电子电路中应用非常广泛。运放的多数典型应用电路在各类电子技术教科书中都有详细和深入的分析，而用集成运放构成交流信号放大电路很多教科书却没有介绍，有些教科书虽有介绍，但是介绍简单，分析不全面。用集成运放构成的交流放大电路具有线路简单、免调试、故障率低等优点，如今许多电子产品中的交流放大电路普遍采用运放构成，全面分析集成运放构成的各种交流放大电路的组成和参数计算，有助于对该类电路的检修，以及合理设计和使用集成运放构成的交流放大电路。

　　1 运放交流放大电路的分析

　　1．1 使用双电源的运放交流放大电路

　　为了使运放在零输入时零输出，运放的内部电路是按使用双电源的要求来设计的。运放交流放大电路采用双电源供电，可以增大动态范围。

　　1．1．1 双电源同相输入式交流放大电路

　　图1是使用双电源的同相输入式交流放大电路。两组电源电压VCC和VEE相等。C1和C2为输入和输出耦合电容；R1使运放同相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流；RF引入直流和交流负反馈，并使集成运放反相输入端形成直流通路，内部的差分管得到必要的输入偏置电流；由于C隔直流，使直流形成全反馈，交流通过R和C分流，形成交流部分反馈，为电压串联负反馈。引入直流全反馈和交流部分反馈后，可在交流电压增益较大时，仍能够使直流电压增益很小(为1倍)，从而避免输入失调电流造成运放的饱和。


无信号输入时，运放输出端的电压V0≈0V，交流放大电路的输出电压U0=0V；交流信号输入时，运放输出端的电压V0在-VEE～+VCC之间变化，通过C2输出放大的交流信号，输出电压uo的幅值近似为VCC(VCC=VEE)。引入深度电压串联负反馈后，放大电路的电压增益

为放大电路输入电阻Ri=R1／／γif。γif是运放引入串联负反馈后的闭环输入电阻。γif很大，所以Ri=R1／γif≈R1；放大电路的输出电阻R0=γof≈0，γof是运放引入电压负反馈后的闭环输出电阻，rof很小。

　　1．1．2 双电源反相输入式交流放大电路

　　图2是使用双电源的反相输入式交流放大电路。两组电源电压VCC和VEE相等。RF引入直流和交流负反馈，C1隔直流，使直流形成全反馈，交流通过R和C1分流，形成交流部分反馈，为电压并联负反馈。为了减小运放输入偏置电流造成的零点漂移，可以选择R1=RF。引入深度电压并联负反馈后，放大电路的电压增益为


因为运放反相输入端"虚地"，所以放大电路的输入电阻Ri≈R；放大电路的输出电R0=r0f≈0。


1．2 使用单电源的运放交流放大电路

　　在采用电容耦合的交流放大电路中，静态时，当集成运放输出端的直流电压不为零时，由于输出耦合电容的隔直流作用，放大电路输出的电压仍为零。所以不需要集成运放满足零输入时零输出的要求。因此，集成运放可以采用单电源供电，其-VEE端接"地"(即直流电源负极)，集成运放的+Vcc端接直流电源正极，这时，运放输出端的电压V0只能在0～+Vcc之间变化。在单电源供电的运放交流放大电路中，为了不使放大后的交流信号产生失真，静态时，一般要将运放输出端的电压V0设置在0至+Vcc值的中间，即V0=+Vcc／2。这样能够得到较大的动态范围；动态时，V0在+Vcc／2值的基础上，上增至接近+Vcc值，下降至接近0V，输出电压uo的幅值近似为Vcc／2。

　　1．2．1 单电源同相输入式交流放大电路

　　图3是使用单电源的同相输入式交流放大电路。电源Vcc通过R1和R2分压，使运放同相输入端电位由于C隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压串联负反馈。放大电路的电压增益为

　　放大电路的输入电阻Ri=R1／R2／rif≈R1／R2，

　　放大电路的输出电阻R0=r0f≈0。


1．2．2 单电源反相输入式交流放大电路

　　图4是使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源V cc通过R1和R 2分压，使运放同相输入端电位


为了避免电源的纹波电压对V+电位的干扰，可以在R2两端并联滤波电容C3，消除谐振；由于C1隔直流，使RF引入直流全负反馈。所以，静态时，运放输出端的电压V0=V-≈V+=+Vcc／2；C1通交流，使RF引入交流部分负反馈，是电压并联负反馈。放大电路的电压增益为